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關於 Java 對象序列化您不知道的 5 件事

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關於本系列

您覺得自己懂 Java 編程?事實上,大多數程序員對於 Java 平臺都是淺嘗則止,只學習了足以完成手頭上任務的知識而已。在本 系列 中,Ted Neward 深入挖掘 Java 平臺的核心功能,揭示一些鮮為人知的事實,幫助您解決最棘手的編程挑戰。

大約一年前,一個負責管理應用程序所有用戶設置的開發人員,決定將用戶設置存儲在一個 Hashtable中,然後將這個 Hashtable 序列化到磁盤,以便持久化。當用戶更改設置時,便重新將 Hashtable 寫到磁盤。

這是一個優雅的、開放式的設置系統,但是,當團隊決定從 Hashtable 遷移到 Java Collections 庫中的HashMap 時,這個系統便面臨崩潰。

Hashtable 和 HashMap 在磁盤上的格式是不相同、不兼容的。除非對每個持久化的用戶設置運行某種類型的數據轉換實用程序(極其龐大的任務),否則以後似乎只能一直用Hashtable 作為應用程序的存儲格式。

團隊感到陷入僵局,但這只是因為他們不知道關於 Java 序列化的一個重要事實:Java 序列化允許隨著時間的推移而改變類型。當我向他們展示如何自動進行序列化替換後,他們終於按計劃完成了向 HashMap 的轉變。

本文是本系列的第一篇文章,這個系列專門揭示關於 Java 平臺的一些有用的小知識 — 這些小知識不易理解,但對於解決 Java 編程挑戰遲早有用。

將 Java 對象序列化 API 作為開端是一個不錯的選擇,因為它從一開始就存在於 JDK 1.1 中。本文介紹的關於序列化的 5 件事情將說服您重新審視那些標準 Java API。

Java 序列化簡介

Java 對象序列化是 JDK 1.1 中引入的一組開創性特性之一,用於作為一種將 Java 對象的狀態轉換為字節數組,以便存儲或傳輸的機制,以後,仍可以將字節數組轉換回 Java 對象原有的狀態。

實際上,序列化的思想是 “凍結” 對象狀態,傳輸對象狀態(寫到磁盤、通過網絡傳輸等等),然後 “解凍” 狀態,重新獲得可用的 Java 對象。所有這些事情的發生有點像是魔術,這要歸功於 ObjectInputStream/ObjectOutputStream 類、完全保真的元數據以及程序員願意用Serializable 標識接口標記他們的類,從而 “參與” 這個過程。

清單 1 顯示一個實現 Serializable 的 Person 類。

清單 1. Serializable Person

package com.tedneward;
public class Person
implements java.io.Serializable
{
public Person(String fn, String ln, int a)
{
this.firstName = fn; this.lastName = ln; this.age = a;
}
public String getFirstName() { return firstName; }
public String getLastName() { return lastName; }
public int getAge() { return age; }
public Person getSpouse() { return spouse; }
public void setFirstName(String value) { firstName = value; }
public void setLastName(String value) { lastName = value; }
public void setAge(int value) { age = value; }
public void setSpouse(Person value) { spouse = value; }
public String toString()
{
return "[Person: firstName=" + firstName +
" lastName=" + lastName +
" age=" + age +
" spouse=" + spouse.getFirstName() +
"]";
}
private String firstName;
private String lastName;
private int age;
private Person spouse;
}
將 Person 序列化後,很容易將對象狀態寫到磁盤,然後重新讀出它,下面的 JUnit 4 單元測試對此做了演示。

清單 2. 對 Person 進行反序列化

public class SerTest
{
@Test public void serializeToDisk()
{
try
{
com.tedneward.Person ted = new com.tedneward.Person("Ted", "Neward", 39);
com.tedneward.Person charl = new com.tedneward.Person("Charlotte",
"Neward", 38);
ted.setSpouse(charl); charl.setSpouse(ted);
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("tempdata.ser");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(ted);
oos.close();
}
catch (Exception ex)
{
fail("Exception thrown during test: " + ex.toString());
}
try
{
FileInputStream fis = new FileInputStream("tempdata.ser");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
com.tedneward.Person ted = (com.tedneward.Person) ois.readObject();
ois.close();
assertEquals(ted.getFirstName(), "Ted");
assertEquals(ted.getSpouse().getFirstName(), "Charlotte");
// Clean up the file
new File("tempdata.ser").delete();
}
catch (Exception ex)
{
fail("Exception thrown during test: " + ex.toString());
}
}
}
到現在為止,還沒有看到什麽新鮮的或令人興奮的事情,但是這是一個很好的出發點。我們將使用 Person 來發現您可能不 知道的關於 Java 對象序列化 的 5 件事。

1. 序列化允許重構

序列化允許一定數量的類變種,甚至重構之後也是如此,ObjectInputStream 仍可以很好地將其讀出來。

Java Object Serialization 規範可以自動管理的關鍵任務是:

將新字段添加到類中
將字段從 static 改為非 static
將字段從 transient 改為非 transient
取決於所需的向後兼容程度,轉換字段形式(從非 static 轉換為 static 或從非 transient 轉換為 transient)或者刪除字段需要額外的消息傳遞。

重構序列化類

既然已經知道序列化允許重構,我們來看看當把新字段添加到 Person 類中時,會發生什麽事情。

如清單 3 所示,PersonV2 在原先 Person 類的基礎上引入一個表示性別的新字段。

清單 3. 將新字段添加到序列化的 Person 中

enum Gender
{
MALE, FEMALE
}
public class Person
implements java.io.Serializable
{
public Person(String fn, String ln, int a, Gender g)
{
this.firstName = fn; this.lastName = ln; this.age = a; this.gender = g;
}
public String getFirstName() { return firstName; }
public String getLastName() { return lastName; }
public Gender getGender() { return gender; }
public int getAge() { return age; }
public Person getSpouse() { return spouse; }
public void setFirstName(String value) { firstName = value; }
public void setLastName(String value) { lastName = value; }
public void setGender(Gender value) { gender = value; }
public void setAge(int value) { age = value; }
public void setSpouse(Person value) { spouse = value; }
public String toString()
{
return "[Person: firstName=" + firstName +
" lastName=" + lastName +
" gender=" + gender +
" age=" + age +
" spouse=" + spouse.getFirstName() +
"]";
}
private String firstName;
private String lastName;
private int age;
private Person spouse;
private Gender gender;
}
序列化使用一個 hash,該 hash 是根據給定源文件中幾乎所有東西 — 方法名稱、字段名稱、字段類型、訪問修改方法等 — 計算出來的,序列化將該 hash 值與序列化流中的 hash 值相比較。

為了使 Java 運行時相信兩種類型實際上是一樣的,第二版和隨後版本的 Person 必須與第一版有相同的序列化版本 hash(存儲為 private static final serialVersionUID 字段)。因此,我們需要 serialVersionUID 字段,它是通過對原始(或 V1)版本的 Person 類運行 JDK serialver命令計算出的。

一旦有了 Person 的 serialVersionUID,不僅可以從原始對象 Person 的序列化數據創建 PersonV2 對象(當出現新字段時,新字段被設為缺省值,最常見的是“null”),還可以反過來做:即從 PersonV2 的數據通過反序列化得到 Person,這毫不奇怪。

2. 序列化並不安全

讓 Java 開發人員詫異並感到不快的是,序列化二進制格式完全編寫在文檔中,並且完全可逆。實際上,只需將二進制序列化流的內容轉儲到控制臺,就足以看清類是什麽樣子,以及它包含什麽內容。

這對於安全性有著不良影響。例如,當通過 RMI 進行遠程方法調用時,通過連接發送的對象中的任何 private 字段幾乎都是以明文的方式出現在套接字流中,這顯然容易招致哪怕最簡單的安全問題。

幸運的是,序列化允許 “hook” 序列化過程,並在序列化之前和反序列化之後保護(或模糊化)字段數據。可以通過在 Serializable 對象上提供一個 writeObject 方法來做到這一點。

模糊化序列化數據

假設 Person 類中的敏感數據是 age 字段。畢竟,女士忌談年齡。 我們可以在序列化之前模糊化該數據,將數位循環左移一位,然後在反序列化之後復位。(您可以開發更安全的算法,當前這個算法只是作為一個例子。)

為了 “hook” 序列化過程,我們將在 Person 上實現一個 writeObject 方法;為了 “hook” 反序列化過程,我們將在同一個類上實現一個readObject 方法。重要的是這兩個方法的細節要正確 — 如果訪問修改方法、參數或名稱不同於清單 4 中的內容,那麽代碼將不被察覺地失敗,Person 的 age 將暴露。

清單 4. 模糊化序列化數據

public class Person
implements java.io.Serializable
{
public Person(String fn, String ln, int a)
{
this.firstName = fn; this.lastName = ln; this.age = a;
}
public String getFirstName() { return firstName; }
public String getLastName() { return lastName; }
public int getAge() { return age; }
public Person getSpouse() { return spouse; }
public void setFirstName(String value) { firstName = value; }
public void setLastName(String value) { lastName = value; }
public void setAge(int value) { age = value; }
public void setSpouse(Person value) { spouse = value; }
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream stream)
throws java.io.IOException
{
// "Encrypt"/obscure the sensitive data
age = age << 2;
stream.defaultWriteObject();
}
private void readObject(java.io.ObjectInputStream stream)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException
{
stream.defaultReadObject();
// "Decrypt"/de-obscure the sensitive data
age = age << 2;
}
public String toString()
{
return "[Person: firstName=" + firstName +
" lastName=" + lastName +
" age=" + age +
" spouse=" + (spouse!=null ? spouse.getFirstName() : "[null]") +
"]";
}
private String firstName;
private String lastName;
private int age;
private Person spouse;
}

如果需要查看被模糊化的數據,總是可以查看序列化數據流/文件。而且,由於該格式被完全文檔化,即使不能訪問類本身,也仍可以讀取序列化流中的內容。

3. 序列化的數據可以被簽名和密封

上一個技巧假設您想模糊化序列化數據,而不是對其加密或者確保它不被修改。當然,通過使用 writeObject 和 readObject 可以實現密碼加密和簽名管理,但其實還有更好的方式。

如果需要對整個對象進行加密和簽名,最簡單的是將它放在一個 javax.crypto.SealedObject 和/或 java.security.SignedObject 包裝器中。兩者都是可序列化的,所以將對象包裝在 SealedObject 中可以圍繞原對象創建一種 “包裝盒”。必須有對稱密鑰才能解密,而且密鑰必須單獨管理。同樣,也可以將 SignedObject 用於數據驗證,並且對稱密鑰也必須單獨管理。

結合使用這兩種對象,便可以輕松地對序列化數據進行密封和簽名,而不必強調關於數字簽名驗證或加密的細節。很簡潔,是吧?

4. 序列化允許將代理放在流中

很多情況下,類中包含一個核心數據元素,通過它可以派生或找到類中的其他字段。在此情況下,沒有必要序列化整個對象。可以將字段標記為 transient,但是每當有方法訪問一個字段時,類仍然必須顯式地產生代碼來檢查它是否被初始化。

如果首要問題是序列化,那麽最好指定一個 flyweight 或代理放在流中。為原始 Person 提供一個 writeReplace 方法,可以序列化不同類型的對象來代替它。類似地,如果反序列化期間發現一個 readResolve 方法,那麽將調用該方法,將替代對象提供給調用者。

打包和解包代理

writeReplace 和 readResolve 方法使 Person 類可以將它的所有數據(或其中的核心數據)打包到一個 PersonProxy 中,將它放入到一個流中,然後在反序列化時再進行解包。

清單 5. 你完整了我,我代替了你

class PersonProxy
implements java.io.Serializable
{
public PersonProxy(Person orig)
{
data = orig.getFirstName() + "," + orig.getLastName() + "," + orig.getAge();
if (orig.getSpouse() != null)
{
Person spouse = orig.getSpouse();
data = data + "," + spouse.getFirstName() + "," + spouse.getLastName() + ","

  • spouse.getAge();
    }
    }
    public String data;
    private Object readResolve()
    throws java.io.ObjectStreamException
    {
    String[] pieces = data.split(",");
    Person result = new Person(pieces[0], pieces[1], Integer.parseInt(pieces[2]));
    if (pieces.length > 3)
    {
    result.setSpouse(new Person(pieces[3], pieces[4], Integer.parseInt
    (pieces[5])));
    result.getSpouse().setSpouse(result);
    }
    return result;
    }
    }
    public class Person
    implements java.io.Serializable
    {
    public Person(String fn, String ln, int a)
    {
    this.firstName = fn; this.lastName = ln; this.age = a;
    }
    public String getFirstName() { return firstName; }
    public String getLastName() { return lastName; }
    public int getAge() { return age; }
    public Person getSpouse() { return spouse; }
    private Object writeReplace()
    throws java.io.ObjectStreamException
    {
    return new PersonProxy(this);
    }
    public void setFirstName(String value) { firstName = value; }
    public void setLastName(String value) { lastName = value; }
    public void setAge(int value) { age = value; }
    public void setSpouse(Person value) { spouse = value; }
    public String toString()
    {
    return "[Person: firstName=" + firstName +
    " lastName=" + lastName +
    " age=" + age +
    " spouse=" + spouse.getFirstName() +
    "]";
    }
    private String firstName;
    private String lastName;
    private int age;
    private Person spouse;
    }

註意,PersonProxy 必須跟蹤 Person 的所有數據。這通常意味著代理需要是 Person 的一個內部類,以便能訪問 private 字段。有時候,代理還需要追蹤其他對象引用並手動序列化它們,例如 Person 的 spouse。

這種技巧是少數幾種不需要讀/寫平衡的技巧之一。例如,一個類被重構成另一種類型後的版本可以提供一個 readResolve 方法,以便靜默地將被序列化的對象轉換成新類型。類似地,它可以采用 writeReplace 方法將舊類序列化成新版本。

5. 信任,但要驗證

認為序列化流中的數據總是與最初寫到流中的數據一致,這沒有問題。但是,正如一位美國前總統所說的,“信任,但要驗證”。

對於序列化的對象,這意味著驗證字段,以確保在反序列化之後它們仍具有正確的值,“以防萬一”。為此,可以實現 ObjectInputValidation接口,並覆蓋 validateObject() 方法。如果調用該方法時發現某處有錯誤,則拋出一個 InvalidObjectException。

結束語

Java 對象序列化比大多數 Java 開發人員想象的更靈活,這使我們有更多的機會解決棘手的情況。

幸運的是,像這樣的編程妙招在 JVM 中隨處可見。關鍵是要知道它們,在遇到難題的時候能用上它們。

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關於 Java 對象序列化您不知道的 5 件事