如何正确使用Java序列化？

2019-04-18 08:56:19来源：博客园阅读 ()

前言

　　什么是序列化：将对象编码成一个字节流，这样一来就可以在通信中传递对象了。比如在一台虚拟机中被传递到另一台虚拟机中，或者字节流存储到磁盘上。

　　“关于Java的序列化，无非就是简单的实现Serializable接口”这样的说法只能说明停留在会用的阶段，而我们想要走的更远往往就需要了解更多的东西，比如：为什么要实现序列化？序列化对程序的安全性有啥影响？如何避免多余的序列化？.....

　　本文主要参考资料《Effective Java》，其中代码除了只作部分说明，不能运行外，剩余代码都是亲自实践过的！

一、序列化代价

虽然实现Serializable很简单，但是为了序列化而付出的长期开销往往是实实在在的。实现Serializable接口而付出的最大代价是，一旦一个类被发布，就大大降低了“改变这个类的实现”的灵活性。

　　问：这个灵活性具体是指什么呢？

　　即一旦类实现了Serializable接口，并且这个类被广泛地使用，往往必须永远支持这种序列化形式，如果使用默认的序列化形式，那么这种序列化形式将永远地束缚在该类最初的内部表示法上，换句话说，一旦接受了默认的序列化形式，这个类中私有的和包级私有的实例域都变成导出的API的一部分，这显然是不符合的。这也就是实现序列化往往需要考虑到的几个代价，具体请往下看！

1、可能会导致InvalidClassException异常

　　如果没有显式声明序列版本UID，对对象的需求进行了改动，那么兼容性将会遭到破坏，在运行时导致InvalidClassException。比如：增加一个不是很重要的工具方法，自动产生的序列版本UID也会发生变化，则会出现序列版本UID不一致的情况。所以最好还是显式的增加序列版本号UID。

　　对User JavaBean实现Serializable接口，增加固定的序列版本号

public class User implements Serializable {

    /** 显示增加序列版本UUID，自动生成UUID可能会导致InvalidClassException */
    private static final long serialVersionUID = 1L;

    public User(int id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }

    private int id;
    private String name;

    public int getId() {
        return id;
    }

    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

　　使用ObjectOutputStream与ObjectInputStream流控制序列与反序列

/**
 * @author jian
 * @date 2019/4/5
 * @description 测试序列化
 */
public class SeriablizableTest {

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User(1, "lijian");
        serializeUser(user);
        deserializeUser();

    }

    /**
     * 使用writeObject方法序列化
     *
     * @param user
     */
    private static void serializeUser(User user) {
        ObjectOutputStream outputStream = null;
        try {
            // 创建对象输出流, 包装一个其它类型目标输出流，如文件流
            outputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\user.txt"));
            // 通过对象输出流的writeObject方法将对象user写入流中
            outputStream.writeObject(user);
            System.out.println("user序列化成功！");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (outputStream != null) {
                try {
                    outputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    private static void deserializeUser() {
        User user = null;
        Employee employee = null;
        ObjectInputStream inputStream = null;
        try {
            // 创建对象输出流, 包装一个其它类型目标输出流，如文件流
            inputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\user.txt"));
            // 通过对象输出流的writeObject方法将对象user写入流中
            user = (User)inputStream.readObject();
            System.out.println("user反序列化成功：" + user);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }  catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        finally {
            if (inputStream != null) {
                try {
                    inputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

    }
}

输出结果：先看user.txt文件中二进制文件流（因为txt打不开二进制流，所以是乱码）

之后再看控制台中，反序列化输出的User{id=1, name='lijian'}，说明整个过程序列化成功！

之后去掉固定的序列版本号UID，让其自动生成，同时增加age属性（或者手动修改UID为2L）

 private static final long serialVersionUID = 2L;

只进行反序列化将会报错： java.io.InvalidClassException

 public static void main(String[] args) {
        User user = new User(1, "lijian");
//        serializeUser(user);
        deserializeUser();

    }

2、增加了出现Bug和安全漏洞的可能性

　　序列化机制是一种语言之外的对象创建机制，反序列化机制都是一个“隐藏的构造器”，具备与其他构造器相同的特点，正式因为反序列化中没有显式构造器，所以很容易就会忽略：不允许攻击者访问正在构造过程中的对象内部信息。换句话说，序列化后的字节流可以被截取进行伪造，之后利用readObject方法反序列会不符合要求甚至不安全的实例。

3、随着类发行新的版本，测试负担也会增加。

　　一个可序列化的类被修订时，需要检查是否“在新版本中序列化一个实例，可以在旧版本中反序列化”，如果一个实现序列化的类有很多的子类或者是被修改时，就不得不加以测试。

二、序列化的缺陷

1、序列化是保存对象的状态，也就是不会关心static静态域，静态域不会被序列化。如User中count静态域。

public class User implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    private static int count = 1;

    public User(int id, String name) {
        // 约束条件name不能为null
        if (name == null || StringUtils.isEmpty(name)) {
            throw new NullPointerException("name is null");
        }
        this.id = id;
        this.name = name;
    }
    public User(){};

    private int id;
    private String name;

    public int getId() {
        return id;
    }

    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount(int count) {
        User.count = count;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", count=" + count +
                '}';
    }

    private void readObject(ObjectInputStream inputStream)
            throws IOException, ClassNotFoundException {
        inputStream.defaultReadObject();
        // 约束条件name不能为null
        if (name == null || StringUtils.isEmpty(name)) {
            throw new NullPointerException("name is null");
        }
    }

}

赋值count为20：

public static void main(String[] args) {
        User user = new User();
        user.setName("Lijian");
        user.setId(1);
        user.setCount(20);
        serializeUser(user);
        deserializeUser();
}

序列化-反序列化

/**
     * 使用writeObject方法序列化
     *
     * @param user
     */
    private static void serializeUser(User user) {
        ObjectOutputStream outputStream = null;
        try {
            // 创建对象输出流, 包装一个其它类型目标输出流，如文件流
            outputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\user.txt"));
            // 通过对象输出流的writeObject方法将对象user写入流中
            outputStream.writeObject(user);
            System.out.println("user序列化成功！");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (outputStream != null) {
                try {
                    outputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    private static void deserializeUser() {
        User user = null;
        ObjectInputStream inputStream = null;
        try {
            // 创建对象输出流, 包装一个其它类型目标输出流，如文件流
            inputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\user.txt"));
            // 通过对象输出流的writeObject方法将对象user写入流中
            user = (User)inputStream.readObject();
            // User静态变量初始化为0，不会被反序列化
            System.out.println("user反序列化成功！");
            System.out.println("id：" + user.getId());
            System.out.println("name：" + user.getName());
            System.out.println("count：" + user.getCount());
        }  catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }  catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        finally {
            if (inputStream != null) {
                try {
                    inputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

    }

控制它输出：count明明被赋值为20，但是反序列化后输出为0，说明static是不会参数序列化的，跟transient类似。最终在反序列化过程中会被初始化为默认值（基本数据类型为0，对象引用为null，boolean为false）

2、在序列化对象时，如果该对象中有引用对象域名，那么也要要求该引用对象是可实例化的。如序列化User实例，其中引用了Employee实例，那么也需要对Employee进行可序列化操作，否则会报错： java.io.NotSerializableException

User增加对Employee引用：

 /** 对外引用其它对象，如果序列化该实例，则该对象实例也必须能实例化（implement Serializable） */
    public Employee employee = new Employee(1, "Java programmer");

　Employee不实现序列化：

public class Employee{
private int code;
    private String position;

    public int getCode() {
        return code;
    }

    public void setCode(int code) {
        this.code = code;
    }

    public String getPosition() {
        return position;
    }

    public void setPosition(String position) {
        this.position = position;
    }

    public Employee(int code, String position) {
        this.code = code;
        this.position = position;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Employee{" +
                "code=" + code +
                ", position='" + position + '\'' +
                '}';
    }
}

测试类：

/**
 * @author jian
 * @date 2019/4/5
 * @description 测试序列化
 */
public class SeriablizableTest {

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User(1, "lijian");
        serializeUser(user);
        deserializeUser();

    }

    /**
     * 使用writeObject方法序列化
     *
     * @param user
     */
    private static void serializeUser(User user) {
        ObjectOutputStream outputStream = null;
        try {
            // 创建对象输出流, 包装一个其它类型目标输出流，如文件流
            outputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\user.txt"));
            // 通过对象输出流的writeObject方法将对象user写入流中
            outputStream.writeObject(user);
            System.out.println("user序列化成功！");
        } catch (NotSerializableException e) {
            System.out.println("user引用employee对象域序列化失败");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (outputStream != null) {
                try {
                    outputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    private static void deserializeUser() {
        User user = null;
        Employee employee = null;
        int id = 0;
        ObjectInputStream inputStream = null;
        try {
            // 创建对象输出流, 包装一个其它类型目标输出流，如文件流
            inputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\user.txt"));
            // 通过对象输出流的writeObject方法将对象user写入流中
            user = (User)inputStream.readObject();
            System.out.println("user引用employee对象域反序列化成功");
            System.out.println("user反序列化成功：" + user);
        } catch (WriteAbortedException e) {
            System.out.println("user引用employee对象域反序列化失败");
        }  catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }  catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        finally {
            if (inputStream != null) {
                try {
                    inputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

    }
}

控制台输出结果：

要解决这样的问题，要么将 Employee implement Serializable ，要么对Employee对象实例transient修饰： public transient Employee employee = new Employee(1, "Java programmer"); 。但是需要注意的是序列化过程会对transient修饰的域初始化为默认值（对象引用为null，基本数据类型为0，boolean为false），所以执行以上代码会出现 java.lang.NullPointerException

3、默认序列化的过程可能消耗大量内存空间和时间，甚至可能会引起栈溢出：因为第二条的原因，如果一个类中大量存在引用对象域，并且都需要实现序列化，那么整个序列化过程可能会很消耗时间，在通信传输过程中更是如此，同时序列化后的字节流需要足够大的内存。

三、提高序列化的安全性

1、编写readObject提供安全性与约束性

　　即使确定了默认的序列化形式是合适的，通常还必须提供一个readObject方法以保证约束关系和安全性。readObject方法相当于另一个共有构造器（可以认为是用“字节流作为唯一参数”的构造器），跟其它构造器一样，它也要求同样的所有主要事项：构造器必须检查参数的有效性，必要时对参数进行保护性拷贝等。readObject如果没有做到，那么对于攻击者来说违反这个类的约束条件相对就比较简单了，如果对一个人工仿造的字节流（人工修改从实例序列后的字节流）时，readObject产生的对象会违反所属类的约束条件。

　　1）为了解决这个问题，User中需要提供了readObject方法，该方法首先调用defalutReadObject，然后检查被反序列化之后的对象的有效性，如果有效性检查失败，readObject方法就会抛出InvalidObjectException异常，使反序列过程不能成功。

private void readObject(ObjectInputStream inputStream)
            throws IOException, ClassNotFoundException {
        inputStream.defaultReadObject();
}

　　User中的构造器中已对参数name约束为不能为null

public User(int id, String name) {
        // 约束条件name不能为null或空
        if (name == null || StringUtils.isEmpty(name)) {
            throw new NullPointerException("name is null or empty");
        }
        this.id = id;
        this.name = name;
}

　　2）那么readObject中也应该对其name进行约束，否则人工伪造的字节流很容易通过readObject构造出没有任何约束的对象实例，造成安全隐患。

private void readObject(ObjectInputStream inputStream)
            throws IOException, ClassNotFoundException {
        inputStream.defaultReadObject();

        // 约束条件name不能为null或空
        if (name == null || StringUtils.isEmpty(name)) {
            throw new NullPointerException("name is null or empty"); 
　　　　 }
}

　　尽管以上两种修正已经有效地避免攻击者创建无效的User实例，但是还有一种情况通过伪造字节流可以创建可变的User实例：比如User中增加Date对象引用birthday私有域，然后通过附加伪造字节流指向该birthday引用，攻击者从ObjectInputStream中读取User实例，然后读取附加后面的恶意Date引用，通过该Date引用就可以能够访问User对象内部私有Date域所引用的对象，从而改变User实例。

代码如下：

public class MutableUser {

    public User user;
    public Date birthday;

    public MutableUser(){
        try {
            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(bos);
            // 字节流有效的User实例开头，然后附加额外的引用
            out.writeObject(new User(new Date()));
            // 假设这是恶意的二进制，即附加恶意对象引用Date
            byte[] ref = {0x71, 0, 0x7e, 0 ,5};
            bos.write(ref);
            // 攻击者从ObjectInputStream中读取User实例，然后读取附加在后面的“恶意编制对象引用Date”
            ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));
            user = (User) in.readObject();
            birthday = (Date) in.readObject();

        } catch (Exception e) {
　　　　　　
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MutableUser mutableUser = new MutableUser();
        User user = mutableUser.user;
        Date birthday = mutableUser.birthday;
        // 攻击者修改User内部birthday私有域，年份更改为2018
        birthday.setTime(2018);
        System.out.println(user);
    }
}

注：以上代码运行不了，只会加以解释说明而已，具体可以查看《Effective Java》中的代码举例

为了解决此问题，提出第三个安全措施

　3）当一个对象被反序列化时，客户端不应该拥有对象的引用，如果哪个域包含了这样的对象引用，如果包含了私有的域（组件），就必须要保护性拷贝（非final域）：当User对象在客户端MutableUser反序列化时，客户端拥有了不该拥有的User私有域Date引用birthday，所以应该在readObject对birthday进行拷贝：

 private void readObject(ObjectInputStream inputStream)
            throws IOException, ClassNotFoundException {
        inputStream.defaultReadObject();
        // 保护性拷贝birthday
        birthday = new Date(birthday.getTime());
        // 约束条件name不能为null
        if (name == null || StringUtils.isEmpty(name)) {
            throw new NullPointerException("name is null");
        }
    }

总结：

　　1）使用readObject其实就跟正常无参数的构造器一样，该满足的约束需要满足，同时必要时进行保护性拷贝。

　　2）反序列化过程最终会调用readObject方法，如下是一个异常栈的调用关系（代码中故意让readObject方法抛异常）：deserialize---->ObjectInputStream.readObject----->ObjectInputStream.readObject0----->......User.readObject

2、使用readResolve增强单例

　　但是如果Sinleton类实现了序列化，那么它不再是一个Singleton，无论该类使用了默认的序列化形式，还是自定义的序列化形式，还是是否提供显式的readObject方法都没关系。任何一个readObject方法，不管是显式还是默认的，它都会返回一个新建的实例，这个新建的实例不同于该类初始化时创建的实例。

　　简单的Singleton：

public class Singleton {

    private static Singleton INSTANCE= new Singleton();
    private Singleton(){};
　　.....
}

　　readResolve特性允许使用readObject创建实例代替另一个实例，如果一个类定义了readResolve方法，并且具备正确的声明，那么在反序列化的之后，新建的readResolve方法就会被调用，然后返回的对象引用将被返回，取代新建的对象。

public class Singleton implements Serializable {

    private static Singleton INSTANCE= new Singleton();
    private Singleton(){};
    
    private Object readResolve(){
        return INSTANCE;
    }
}