Сериализация графа объектов

Лекция 20. Сериализация объектов. Способы сериализации в .NET Framework

Рассматривается понятие графа объектов и проблема его передачи между двумя компьютерами. Описывается проблема сериализация графа объектов, приводится классификация методов сериализации. Приводятся описание различных методов сериализации, которые используются в .NET Framework, и их особенностей.

Сериализация графа объектов

В отличие от приложений на неуправляемом коде, приложения .NET Framework не обязательно выполняются в виде отдельных процессов, а могут существовать в пределах одного процесса операционной системы в своих собственных областях, называемых доменами приложения. Такие области можно рассматривать как некоторые логические процессы виртуальной машины CLR. Использование управляемого кода позволяет при этом гарантировать изоляцию приложений в пределах своих областей. При передаче между доменами приложений некоторого объекта для его класса должна быть определена процедура сериализации, которая позволяет сохранить состояние объекта в некотором внешнем хранилище (например, в файле, или в сообщении транспортного протокола) при помощи потоков ввода‑вывода, и процедура десериализации, создающая копию объекта по сохраненному состоянию (рис 4.1). Следует отметить, что в общем случае это могут быть объекты разных классов, и даже созданные в разных системах разработки приложений.

Рисунок 4.1. Сериализация и десериализация объекта

Задача сериализации объекта, включающего только поля из элементарных типов‑значений (наследников класса System.ValueType) и строк, не представляет принципиальных трудностей. Для такого объекта в ходе сериализации в поток записываются сами значения всех полей объекта. Однако в общем случае объект содержит ссылки на другие объекты, которые, в свою очередь, могут ссылаться друг на друга, образуя так называемый граф объектов (object graph). Сами ссылки не могут быть сохранены в потоке ввода-вывода, поэтому основной вопрос сериализации – это способ замены ссылок.

Граф объектов – ориентированный граф G = < V, E > , в котором вершины – это объекты (множество V), а ребра направлены от объектов, содержащие ссылки, на ссылаемые объекты (рис 4.2).

public class SampleClass

{

public SampleClass fieldA = null;

public SampleClass fieldB = null;

}

...

SampleClass root = new SampleClass();

SampleClass child1 = new SampleClass();

SampleClass child2 = new SampleClass();

root.fieldA = child1;

root.fieldB = child2;

child1.fieldA = child2;

...

Рисунок 4.2. Граф объектов

Наличие ссылки на объект B в объекте A есть принадлежность пары < A, B > множеству E. При рассмотрении графа все поля объектов, относящиеся к простым типам‑значениям и строкам, можно исключить из рассмотрения в силу тривиальности их сериализации. Хотя формально строки являются ссылочными типами, особенность реализации строк в CLI не дает возможность изменить уже созданную строку. Эта особенность позволяет тривиально обрабатывать строки при сериализации, сохраняя в потоке их содержимое.

Существует частный случай, когда сериализация выполняется тривиально. Для этого граф должен иметь вид так называемого ориентированного дерева. В каждую вершину дерева, отличную от корня, направлено единственное ребро, и существует единственная вершина, в которую не ведет ни одного ребра, называемая корнем. В таком случае сериализация может вестись от корня методом в глубину, а сериализация полей-ссылок выполняется аналогично сериализации полей‑значений – при обнаружении ссылки на объект вместо нее в хранилище помещаются значения полей ссылаемого объекта и некоторая дополнительная информация о типе объекта. Например, если существуют ребра < A, B₁>, ... < A, B_n >, функция сериализации S для объекта A может быть определена как S(A) = < V(A), <S(B₁), ... S(B_n)>>, где функция V – значение полей‑значений и строк указанного объекта.

Проблема сериализации графа объектов связана с тем, что ссылка на один и тот же объект может быть значением поля у разных объектов (существуют ребра < A₁, B> и < A₂, B >). Возможно также наличие циклов вида A → ... → A.

В этом случае в ходе сериализации объектам должны быть поставлены в соответствие некоторые идентификаторы, и в хранилище отдельно сохраняется список объектов, отмеченный идентификаторами, а при сериализации вместо ссылок записываются идентификаторы ссылаемых объектов. Если A₁, ... A_n – все вершины графа, то его образом после сериализации будет множество {< id_A1, S(A₁) >, ... <id_An, S(A_n) >}, где S(A) определена как S(A) = < V(A), <id_B1, ... id_Bn> >, где B₁, ... B_n – объекты, ссылки на которые непосредственно содержатся в объекте A. В программе роль идентификатора объекта выполняет его адрес, но вместо него обычно удобнее назначить некоторые идентификаторы в процедуре сериализации для более легкого чтения человеком полученного образа. В ходе сериализации нужно ввести список адресов уже записанных объектов, как для ведения списка идентификаторов, так и для обнаружения возможных циклов при обходе графа методом в глубину.

Следует отметить, что результат сериализации дерева легко представим в виде XML, когда содержимое каждого объекта представлено одним элементом с некоторым набором атрибутов и вложенных элементов. Поэтому при рассмотрения проблемы сериализации можно сформулировать рекомендацию, что классы, передаваемые между удаленными компонентами, должны являться корнем дерева объектов. В частном случае это дерево может быть вырожденным, то есть класс не содержит полей-ссылок вообще.