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深入浅出序列化—Kryo序列化

java water 137℃ 0评论

前一篇文章我们介绍了 Java 中的两个常见的序列化方式,JDK 序列化和 Hessian2 序列化,本文我们接着来讲述一个后起之秀——Kryo 序列化,它号称 Java 中最快的序列化框架。那么话不多说,就让我们来看看这个后起之秀到底有什么能耐吧。

Kryo 序列化

Kryo 是一个快速序列化/反序列化工具,依赖于字节码生成机制(底层使用了 ASM 库),因此在序列化速度上有一定的优势,但正因如此,其使用也只能限制在基于 JVM 的语言上。

网上有很多资料说 Kryo 只能在 Java 上使用,这点是不对的,事实上除 Java 外,Scala 和 Kotlin 这些基于 JVM 的语言同样可以使用 Kryo 实现序列化。

和 Hessian 类似,Kryo 序列化出的结果,是其自定义的、独有的一种格式。由于其序列化出的结果是二进制的,也即 byte[],因此像 Redis 这样可以存储二进制数据的存储引擎是可以直接将 Kryo 序列化出来的数据存进去。当然你也可以选择转换成 String 的形式存储在其他存储引擎中(性能有损耗)。

由于其优秀的性能,目前 Kryo 已经成为多个知名 Java 框架的底层序列化协议,包括但不限于 👇

官网地址在:github.com/EsotericSof…

基础用法

介绍了这么多,接下来我们就来看看 Kryo 的基础用法吧。其实对于序列化框架来说,API 基本都差不多,毕竟入参和出参通常都是确定的(需要序列化的对象/序列化的结果)。在使用 Kryo 之前,我们需要引入相应的依赖

<dependency>
  <groupId>com.esotericsoftware</groupId>
  <artifactId>kryo</artifactId>
  <version>5.2.0</version>
</dependency>
复制代码

基本使用如下所示 👇

import com.esotericsoftware.kryo.Kryo;
import com.esotericsoftware.kryo.io.Input;
import com.esotericsoftware.kryo.io.Output;
import java.io.*;
​
public class HelloKryo {
   static public void main(String[] args) throws Exception {
       Kryo kryo = new Kryo();
       kryo.register(SomeClass.class);
​
       SomeClass object = new SomeClass();
       object.value = "Hello Kryo!";
​
       Output output = new Output(new FileOutputStream("file.bin"));
       kryo.writeObject(output, object);
       output.close();
​
       Input input = new Input(new FileInputStream("file.bin"));
       SomeClass object2 = kryo.readObject(input, SomeClass.class);
       input.close();
       System.out.println(object2.value);
  }
​
   static public class SomeClass {
       String value;
  }
}
​
复制代码

Kryo 类会自动执行序列化。Output 类和 Input 类负责处理缓冲字节,并写入到流中。

Kryo 的序列化

作为一个灵活的序列化框架,Kryo 并不关心读写的数据,作为开发者,你可以随意使用 Kryo 提供的那些开箱即用的序列化器。

Kryo 的注册

和很多其他的序列化框架一样,Kryo 为了提供性能和减小序列化结果体积,提供注册的序列化对象类的方式。在注册时,会为该序列化类生成 int ID,后续在序列化时使用 int ID 唯一标识该类型。注册的方式如下:

kryo.register(SomeClass.class);
复制代码

或者

kryo.register(SomeClass.class, 1);
复制代码

可以明确指定注册类的 int ID,但是该 ID 必须大于等于 0。如果不提供,内部将会使用 int++的方式维护一个有序的 int ID 生成。

Kryo 的序列化器

Kryo 支持多种序列化器,通过源码我们可窥知一二 👇

具体可参考 👉「Kryo 支持的序列化类型」

虽然 Kryo 提供的序列化器可以读写大多数对象,但开发者也可以轻松的制定自己的序列化器。篇幅限制,这里就不展开说明了,仅以默认的序列化器为例。

对象引用

在新版本的 Kryo 中,默认情况下是不启用对象引用的。这意味着如果一个对象多次出现在一个对象图中,它将被多次写入,并将被反序列化为多个不同的对象。

举个例子,当开启了引用属性,每个对象第一次出现在对象图中,会在记录时写入一个 varint,用于标记。当此后有同一对象出现时,只会记录一个 varint,以此达到节省空间的目标。此举虽然会节省序列化空间,但是是一种用时间换空间的做法,会影响序列化的性能,这是因为在写入/读取对象时都需要进行追踪。

开发者可以使用 kryo 自带的 setReferences 方法来决定是否启用 Kryo 的引用功能。

线程不安全

Kryo 不是线程安全的。每个线程都应该有自己的 Kryo 对象、输入和输出实例。

因此在多线程环境中,可以考虑使用 ThreadLocal 或者对象池来保证线程安全性。

ThreadLocal + Kryo 解决线程不安全

ThreadLocal 是一种典型的牺牲空间来换取并发安全的方式,它会为每个线程都单独创建本线程专用的 kryo 对象。对于每条线程的每个 kryo 对象来说,都是顺序执行的,因此天然避免了并发安全问题。创建方法如下:

static private final ThreadLocal<Kryo> kryos = new ThreadLocal<Kryo>() {
  protected Kryo initialValue() {
     Kryo kryo = new Kryo();
     // 在此处配置kryo对象的使用示例,如循环引用等
     return kryo;
  };
};
​
Kryo kryo = kryos.get();
复制代码

之后,仅需要通过 kryos.get() 方法从线程上下文中取出对象即可使用。

对象池 + Kryo 解决线程不安全

**「池」是一种非常重要的编程思想,连接池、线程池、对象池等都是「复用」**思想的体现,通过将创建的“对象”保存在某一个“容器”中,以便后续反复使用,避免创建、销毁的产生的性能损耗,以此达到提升整体性能的作用。

Kryo 对象池原理也是如此。Kryo 框架自带了对象池的实现,整个使用过程不外乎创建池、从池中获取对象、归还对象三步,以下为代码实例。

// Pool constructor arguments: thread safe, soft references, maximum capacity
Pool<Kryo> kryoPool = new Pool<Kryo>(true, false, 8) {
  protected Kryo create () {
     Kryo kryo = new Kryo();
     // Kryo 配置
     return kryo;
  }
};
​
// 获取池中的Kryo对象
Kryo kryo = kryoPool.obtain();
// 将kryo对象归还到池中
kryoPool.free(kryo);
复制代码

创建 Kryo 池时需要传入三个参数,其中第一个参数用于指定是否在 Pool 内部使用同步,如果指定为 true,则允许被多个线程并发访问。第三个参数适用于指定对象池的大小的,这两个参数较容易理解,因此重点来说一下第二个参数。

如果将第二个参数设置为 true,Kryo 池将会使用 java.lang.ref.SoftReference 来存储对象。这允许池中的对象在 JVM 的内存压力大时被垃圾回收。Pool clean 会删除所有对象已经被垃圾回收的软引用。当没有设置最大容量时,这可以减少池的大小。当池子有最大容量时,没有必要调用 clean,因为如果达到了最大容量,Pool free 会尝试删除一个空引用。

创建玩 Kryo 池后,使用 kryo 就变得异常简单了,只需调用 kryoPool.obtain() 方法即可,使用完毕后再调用 kryoPool.free(kryo) 归还对象,就完成了一次完整的租赁使用。

理论上,只要对象池大小评估得当,就能在占用极小内存空间的情况下完美解决并发安全问题。如果想要封装一个 Kryo 的序列化方法,可以参考如下的代码 👇

public static byte[] serialize(Object obj) {
   Kryo kryo = kryoPool.obtain();
   // 使用 Output 对象池会导致序列化重复的错误(getBuffer返回了Output对象的buffer引用)
   try (Output opt = new Output(1024, -1)) {
       kryo.writeClassAndObject(opt, obj);
       opt.flush();
       return opt.getBuffer();
  }finally {
       kryoPool.free(kryo);
  }
}
复制代码

小结

相较于 JDK 自带的序列化方式,Kryo 的性能更快,并且由于 Kryo 允许多引用和循环引用,在存储开销上也更小。

只不过,虽然 Kryo 拥有非常好的性能,但其自身却舍去了很多特性,例如线程安全、对序列化对象的字段修改等。虽然这些弊端可以通过 Kryo 良好的扩展性得到一定的满足,但是对于开发者来说仍然具有一定的上手难度,不过这并不能影响其在 Java 中的地位。

Kryo 还有很多优秀的特性,详情可参考 👉EsotericSoftware/kryo

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