【优化技术专题】「性能优化系列」针对Java对象压缩及序列化技术的探索之路

针对Java对象压缩及序列化技术的探索之路

- - 序列化和反序列化
  - 为何需要有序列化呢？
  - Java实现序列化的方式
  - - 二进制格式 + 指定语言层级
    - 二进制格式 + 跨语言层级
    - JSON 格式化
    - 类JSON格式化：
    - XML文件格式化
  - 序列化的分类
  - - 在速度的对比上一般有如下规律：
    - Java原生序列化(青铜级别)
    - Kryo序列化框架（星耀级别）
    - KryoUtils序列化和反序列化操作
    - - Kryo有三组读写对象的方法
    - 序列化和反序列化操作工具类KryoUtils
    - - Kryo 和 KryoRegister
      - Kryo有两种模式:
    - Kryo的操作模式
    - Kryo的Register操作模式
  - FST序列化机制（钻石级别）
  - - Maven配置
    - 案例代码
    - protostuff（王者级别）
    - - protostuff工具类
  - Fastjson（钻石）
  - - - Maven配置
    - Gson（钻石）
    - Jackson（铂金）

序列化和反序列化

序列化就是指把对象转换为字节码；
- 对象传递和保存时，保证对象的完整性和可传递性。把对象转换为有字节码，以便在网络上传输或保存在本地文件中；
反序列化就是指把字节码恢复为对象；
- 根据字节流中保存的对象状态及描述信息，通过反序列化重建对象；
一般情况下要求实现Serializable接口，该接口中没有定义任何成员，只是起到标记对象是否可以被序列化的作用。
- 对象在进行序列化和反序列化的时候，必须实现Serializable接口，但并不强制声明唯一的serialVersionUID，是否声明serialVersionUID对于对象序列化的向上向下的兼容性有很大的影响。

为何需要有序列化呢？

一方面是为了存储在磁盘中，
另一方面为了网络远程传输的内容。

Java实现序列化的方式

二进制格式 + 指定语言层级

JavaBuiltIn（java原生）、JavaManual（根据成员变量类型，手工写）、FstSerliazation、Kryo

二进制格式 + 跨语言层级

Protobuf(Google)、Thrift(Facebook)、 AvroGeneric、Hessian

JSON 格式化

Jackson、Gson、FastJSON等

类JSON格式化：

CKS （textual JSON-like format）、BSON（JSON-like format with extended datatypes）、JacksonBson、MongoDB

XML文件格式化

XmlXStream等

序列化的分类

序列化工具大致就可以分为以上几类，简单概括就分为二进制binary和文本格式（json、xml）两大类。

在速度的对比上一般有如下规律：

binary > textual
language-specific > language-unspecific

而textual中，由json相比xml冗余度更低因此速度上更胜一筹，而json又比bson这类textual serialization技术上更成熟，框架的选择上更丰富和优秀。

下面重点介绍下Kryo、fast-serialiation、fastjson、protocol-buffer

Java原生序列化(青铜级别)

Java本身提供的序列化工具基本上能胜任大多数场景下的序列化任务，关于其序列化机制。
需要类实现了Serializable或Externalizable接口，否则会抛出异常，然后使用ObjectOutputStream与ObjectInputStream将对象写入写出。
Java自带的序列化工具在序列化过程中需要不仅需要将对象的完整的class name记录下来，还需要把该类的定义也都记录下，包括所有其他引用的类，这会是一笔很大的开销，尤其是仅仅序列化单个对象的时候。
正因为java序列化机制会把所有meta-data记录下来，因此当修改了类的所在的包名后，反序列化则会报错。

 //对象转成字节码ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new  ByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream outputStream = newObjectOutputStream(byteArrayOutputStream);outputStream.writeObject(VoUtil.getUser());byte  []bytes = byteArrayOutputStream.toByteArray();outputStream.close();//字节码转换成对象ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(bytes);ObjectInputStream inputStream = new ObjectInputStream(byteArrayInputStream);Model result = （Model) inputStream.readObject();inputStream.close();

Kryo序列化框架（星耀级别）

kryo根据上述Java原生序列化机制的一些问题，对了很多优化工作，而且提供了很多serializer，甚至封装了Unsafe类型的序列化方式，更多关于Unsafe类型的序列化方式。
kryo，是一个快速序列化/反序列化工具，效率比java高出一个级别，序列化出来的结果，是其自定义的、独有的一种格式，体积更小，一般只用来进行序列化和反序列化，而不用于在多个系统、甚至多种语言间进行数据交换（目前 kryo 也只有 java 实现），目前已经有多家大公司使用，相对比较稳定。

    <dependency> <groupId>com.esotericsoftware</groupId> <artifactId>kryo</artifactId> <version>4.0.0</version> </dependency>

KryoUtils序列化和反序列化操作

Kryo有三组读写对象的方法

如果不知道对象的具体类，且对象可以为null：

kryo.writeClassAndObject(output, object);
Object object = kryo.readClassAndObject(input);

如果类已知且对象可以为null：

kryo.writeObjectOrNull(output, someObject);
SomeClass someObject = kryo.readObjectOrNull(input, SomeClass.class);

如果类已知且对象不能为null:

kryo.writeObject(output, someObject);
SomeClass someObject = kryo.readObject(input, SomeClass.class);

序列化和反序列化操作工具类KryoUtils

Kryo 和 KryoRegister

Kryo的运行速度是java Serializable 的20倍左右
Kryo的文件大小是java Serializable的一半左右

Kryo有两种模式:

一种是先注册(regist)，再写对象，即writeObject函数，实际上如果不先注册，在写对象时也会注册，并为class分配一个id。

注意，跨进程，则必须两端都按同样的模式，否则会出错，因为必须要明确类对应的唯一id。

另一种是写类名及对象，即writeClassAndObject函数。

writeClassAndObject函数是先写入一个约定的数字，再写入类ID（第一次要先写-1，再写类ID + 类名），写入引用关系，最后才写真正的数据。

Kryo的操作模式


static Kryo kryo = new Kryo();public static byte[] serialize(Object obj) {byte[] buffer = new byte[2048];Output output = new Output(buffer);kryo.writeClassAndObject(output, obj);byte[] bs = output.toBytes();output.close();return bs;
}public static Object deserialize(byte[] src) {Input input = new Input(src);Object obj = kryo.readClassAndObject(input);input.close();return obj;
}

Kryo的Register操作模式


static Kryo kryo = null;
static{kryo = new Kryo();kryo.setReferences(false);kryo.setRegistrationRequired(false);kryo.setInstantiatorStrategy(new StdInstantiatorStrategy());
}public static byte[] serialize(Object obj) {kryo.register(obj.getClass());byte[] buffer = new byte[2048];Output output = new Output(buffer);kryo.writeObject(output, obj);byte[] bs = output.toBytes();output.close();return bs;
}public static Object deserialize(byte[] src, Class<?> clazz) {kryo.register(clazz);Input input = new Input(src);Object obj = kryo.readObject(input, clazz);input.close();return obj;
}

推荐：https://blog.csdn.net/fanjunjaden/article/details/72823866

借鉴网上的一个很不错的工具类！

public class KryoUtils  {/*** （池化Kryo实例）使用ThreadLocal*/private static final ThreadLocal<Kryo> kryos = new ThreadLocal<Kryo>() {@Overrideprotected Kryo initialValue() {Kryo kryo = new Kryo();//支持对象循环引用（否则会栈溢出）kryo.setReferences(true);// 不强制要求注册类（注册行为无法保证多个 JVM 内同一个类的注册编号相同；// 而且业务系统中大量的 Class 也难以一一注册）kryo.setRegistrationRequired(false); //Fix the NPE bug when deserializing Collections.kryo.setInstantiatorStrategy(new StdInstantiatorStrategy());return kryo;}};/*** （池化Kryo实例）使用KryoPool*/private static KryoFactory factory = new KryoFactory() {public Kryo create () {Kryo kryo = new Kryo();return kryo;}};private static KryoPool pool = new KryoPool.Builder(factory).softReferences().build();/*** 使用ThreadLocal创建Kryo* 把java对象序列化成byte[];* @param obj java对象* @return*/public static <T>  byte[] serializeObject(T obj) {ByteArrayOutputStream os=null;Output output=null;if(null != obj){Kryo kryo = kryos.get();try {os = new ByteArrayOutputStream();output = new Output(os);kryo.writeObject(output, obj);close(output);return os.toByteArray();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {close(os);}}return null;}/*** 使用ThreadLocal创建Kryo* 把byte[]反序列化成指定的java对象* @param bytes* @param t 指定的java对象* @param <T>* @return 指定的java对象*/public static <T> T unSerializeObject(byte[] bytes,Class<T> t) {ByteArrayInputStream is=null;Input input=null;if(null != bytes && bytes.length>0 && null!=t){try {Kryo kryo = kryos.get();is = new ByteArrayInputStream(bytes);input = new Input(is);return kryo.readObject(input,t);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {close(is);close(input);}}return null;}/*** 使用ThreadLocal创建Kryo* 把List序列化成byte[];* @param list java对象* @return*/public static <T>  byte[]  serializeList(List<T> list ) {ByteArrayOutputStream os=null;Output output=null;byte[] bytes = null;if(null != list && list.size()>0){Kryo kryo = kryos.get();try {os = new ByteArrayOutputStream();output = new Output(os);kryo.writeObject(output,list);close(output);bytes = os.toByteArray();return bytes;} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {close(os);}}return null;}/*** 使用ThreadLocal创建Kryo* 把byte[]反序列化成指定的List<T>* @param bytes byte数组* @param <T>* @return 指定java对象的List*/public static <T> List<T> unSerializeList(byte[] bytes) {ByteArrayInputStream is=null;Input input=null;if(null !=bytes && bytes.length>0){try {Kryo kryo = kryos.get();is = new ByteArrayInputStream(bytes);input = new Input(is);List<T> list = kryo.readObject(input,ArrayList.class);return list;} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {close(is);close(input);}}return null;}/*** 使用ThreadLocal创建Kryo* 把java对象转序列化存储在文件中;* @param obj java对象* @return*/public static <T>  boolean serializeFile(T obj,String path) {if(null != obj){Output output=null;try {Kryo kryo = kryos.get();output = new Output(new FileOutputStream(path));kryo.writeObject(output, obj);return true;} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {close(output);}}return false;}/*** 使用ThreadLocal创建Kryo* 把序列化的文件反序列化成指定的java对象* @param path 文件路径* @param t 指定的java对象* @param <T>* @return 指定的java对象*/public static <T> T unSerializeFile(String path,Class<T> t) {if(null != path && null !=t ){Input input=null;try {Kryo kryo = kryos.get();input = new Input(new FileInputStream(path));return kryo.readObject(input,t);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {close(input);}}return null;}/*** 使用KryoPool SoftReferences创建Kryo* 把java对象序列化成byte[] ;* @param obj java对象* @return*/public static <T>  byte[] serializePoolSoftReferences (T obj) {if(null!=obj){Kryo kryo =pool.borrow();ByteArrayOutputStream os=null;Output output=null;try {os = new ByteArrayOutputStream();output = new Output(os);kryo.writeObject(output, obj);close(output);byte [] bytes = os.toByteArray();return bytes;} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {pool.release(kryo);close(os);}}return null;}/*** 使用KryoPool SoftReferences创建Kryo* 把byte[]反序列化成指定的java对象* @param bytes* @return*/public static <T> T unSerializePoolSoftReferences(byte[] bytes,Class<T> t) {if(null !=bytes && bytes.length>0 && null!=t){Kryo kryo =pool.borrow();ByteArrayInputStream is=null;Output output=null;try {is = new ByteArrayInputStream(bytes);Input input= new Input(is);return kryo.readObject(input, t);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {pool.release(kryo);close(is);close(output);}}return null;}/*** 使用KryoPool SoftReferences创建Kryo* 把java对象序列化成byte[] ;* @param obj java对象* @return*/public static <T>  byte[] serializePoolCallback (final T obj) {if(null != obj){try {return pool.run(new KryoCallback<byte[]>() {public byte[] execute(Kryo kryo) {ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();Output output = new Output(os);kryo.writeObject(output,obj);output.close();try {os.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}return os.toByteArray();}});} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}return null;}/*** 使用KryoPool SoftReferences创建Kryo* 把byte[]反序列化成指定的java对象* @param bytes* @return*/public static <T> T unSerializePoolCallback(final byte[] bytes, final Class<T> t) {if(null != bytes && bytes.length>0 && null != t){try {return pool.run(new KryoCallback<T>() {public T execute(Kryo kryo) {ByteArrayInputStream is = new ByteArrayInputStream(bytes);Input input = new Input(is);T result =kryo.readObject(input,t);input.close();try {is.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}return result;}});} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}return null;}/*** 关闭io流对象** @param closeable*/public static void close(Closeable closeable) {if (closeable != null) {try {closeable.close();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}

参考官方文档：https://github.com/EsotericSoftware/kryo

FST序列化机制（钻石级别）

FST（Fast-serialization-Tool），与kryo类似是apache组织的一个开源项目，完全兼容JDK序列化协议的系列化框架，序列化速度大概是JDK的4-10倍，体积更小，大小是JDK大小1/3左右，重新实现的 Java 快速对象序列化的开发包。
相对来说是一个很新的序列化工具，速度于kryo有一些差距，在生产环境上的场景上测试，效果几乎于kryo一致，都能瞬间反序列化出内容并渲染。

Java 快速序列化库 FST 已经发布了 2.0 版本，该版本的包名已经更改，无法平滑升级。另外官方建议为了稳定性考虑还是使用最新的 1.58 版本为好

Maven配置

<dependency> <groupId>de.ruedigermoeller</groupId> <artifactId>fst</artifactId> <version>1.58</version> 
</dependency>

案例代码

static FSTConfiguration configuration = FSTConfiguration.createDefaultConfiguration();public static byte[] serialize(Object obj){return configuration.asByteArray((Serializable)obj);
}
public static Object deserialize(byte[] sec){return configuration.asObject(sec);
}

官方文档： https://github.com/RuedigerMoeller/fast-serialization/wiki/Serialization

protostuff（王者级别）

Protocol buffers是一个用来序列化结构化数据的技术，支持多种语言诸如C++、Java以及Python语言，可以使用该技术来持久化数据或者序列化成网络传输的数据。相比较一些其他的XML技术而言，该技术的一个明显特点就是更加节省空间（以二进制流存储）、速度更快以及更加灵活。

protostuff，是google在原来的protobuffer是的优化产品。使用起来也比较简单易用，目前效率也是最好的一种序列化工具。

 <dependency> <groupId>io.protostuff</groupId> <artifactId>protostuff-core</artifactId> <version>1.4.0</version> </dependency> <dependency> <groupId>io.protostuff</groupId> <artifactId>protostuff-runtime</artifactId> <version>1.4.0</version> </dependency>

protostuff工具类

public class ProtostuffUtil {public static <T> byte[] serializer(T t){Schema schema = RuntimeSchema.getSchema(t.getClass());return ProtostuffIOUtil.toByteArray(t,schema,LinkedBuffer.allocate(LinkedBuffer.DEFAULT_BUFFER_SIZE));}public static <T> T deserializer(byte []bytes,Class<T> c) {T t = null;try {t = c.newInstance();Schema schema = RuntimeSchema.getSchema(t.getClass());ProtostuffIOUtil.mergeFrom(bytes,t,schema);} catch (InstantiationException e) {e.printStackTrace();} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();}return t;}
}

Fastjson（钻石）

一个JSON库涉及的最基本功能就是序列化和反序列化。Fastjson支持java bean的直接序列化。使用com.alibaba.fastjson.JSON这个类进行序列化和反序列化。

public static String serialize(Object obj){String json = JSON.toJSONString(obj);return json;
}
public static Object deserialize(String json, Class<?> clazz){Object obj = JSON.parseObject(json, clazz);return obj;
}

Maven配置

 <dependency> <groupId>com.alibaba</groupId> <artifactId>fastjson</artifactId> <version>1.2.47</version> </dependency>

Gson（钻石）

这里采用JSON格式同时使用采用Google的gson进行转义.

static Gson gson = new Gson();public static String serialize(Object obj){String json = gson.toJson(obj);return json;
}
public static Object deserialize(String json, Class<?> clazz){Object obj = gson.fromJson(json, clazz);return obj;
}

Jackson（铂金）

Jackson库（http://jackson.codehaus.org），是基于java语言的开源json格式解析工具，整个库（使用最新的2.2版本）包含3个jar包：

jackson-core.jar——核心包（必须），提供基于“流模式”解析的API。
jackson-databind——数据绑定包（可选），提供基于“对象绑定”和“树模型”相关API。
jackson-annotations——注解包（可选），提供注解功能。

性能较高，“流模式”的解析效率超过绝大多数类似的json包。
核心包：JsonParser（json流读取），JsonGenerator（json流输出）。
数据绑定包：ObjectMapper（构建树模式和对象绑定模式），JsonNode（树节点）

public static String serialize(Object obj){ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();String json = null;try {json = mapper.writeValueAsString(obj);} catch (Exception e) {// TODO Auto-generated catch blocke.printStackTrace();}return json;
}
public static Object deserialize(String json, Class<?> clazz){ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();Object obj = null;try {obj = mapper.readValue(json, clazz);} catch (Exception e) {// TODO Auto-generated catch blocke.printStackTrace();}return obj;
}