Gson序列化LinkedHashMap.Entry失败的探索

2024-02-11 08:30:46

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问题重现

示例代码如下：

Map<String, Object> map = new LinkedHashMap<>();
        map.put("name", "xujian");
        map.put("age", 25);
        Gson gson = new Gson();
        for (Map.Entry<String, Object> entry : map.entrySet()) {
   System.out.println(gson.toJson(entry));
        }

打印结果如下：
Gson序列化LinkedHashMap.Entry失败的探索

最初看到这个问题是一个同学问我，问题是这样的：
为什么用LinkedHashMap就会报*Error，但是使用普通的HashMap就没问题？

因为我前不久刚好写了一篇关于Bean Copy的博客（感兴趣可以看Bean Copy也就这么点事了！）。
里面讲到了Bean Copy的原理和方案，里面提到了使用json序列化和反序列化来做“深拷贝”，而“深拷贝”往往就是通过递归处理对象之间的引用来实现。

所以看到这个问题，第一反应就是Gson在序列化的时候是不是因为有“循环引用”的存在，导致在递归处理对象引用的时候出现了“死递归”导致堆栈溢出。

原因探究

带着上面的猜测去网上搜寻答案，搜到的基本都是说Gson本身不解决“循环引用”，而FastJson、Jackson默认会处理“循环引用”。虽然没有完全证实我的猜测，但至少证明LinkedHashMap.Entry应该是存在着循环引用。

为了验证这个结论，通过源码（基于JDK1.8）分别来看看HashMap和LinkedHashMap的Entry有啥不同。

HashMap:

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    ...
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;
        ...
    }
    transient Node<K,V>[] table;
    ...
}

从上面代码中可以看到，Node对象持有一个指向下一个Node节点的指针。

LinkedHashMap:

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    ...
    static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
        Entry<K,V> before, after;
        Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, value, next);
        }
    }
    transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;
    transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
    ...
}

从上面代码可以看出Entry里面持有两个指针，一个指向前面的Entry，一个指向后面的Entry。

LinkedHashMap比HashMap多一个指针，而恰恰就是这个指向前一个Entry的指针，让其形成了“循环”结构。

依据这个结论是不是可以大胆猜测使用Gson对TreeMap.Entry序列化也会报“堆栈溢出”错误。

示例如下：

Map<String, Object> map = new TreeMap<>();
        map.put("name", "xujian");
        map.put("age", 25);
        Gson gson = new Gson();
        for (Map.Entry<String, Object> entry : map.entrySet()) {
            System.out.println(gson.toJson(entry));
        }

结果如下：
Gson序列化LinkedHashMap.Entry失败的探索

证明我的猜测是对的。因为TreeMap和LinkedHashMap一样的，他的Entry里面除了指向左右子节点的两个指针，还有一个指向父节点的指针，也正是因为这个指向父节点的指针，使其形成了”循环“结构。
TreeMap：

public class TreeMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    ...
    static final class Entry<K,V>   implements Map.Entry<K,V> {
        K key;
        V value;
        Entry<K,V> left;
        Entry<K,V> right;
        Entry<K,V> parent;
        boolean color = BLACK;
        ...
    }
    ...
}

根据以上探索过程，可以得出下面的结论：

  1. LinkedHashMap.Entry因为持有对前一个Entry的指针，造成“循环引用”；TreeMap.Entry因为持有对父节点的指针，造成“循环引用”；
  2. Gson本身不支持对象“循环引用”的情况；
  3. Gson递归序列化时出现“死递归”，从而“堆栈溢出”；

验证结论

上面的主要内容是根据现象探究原理得出结论。
现在用上面得出的结论来套到一个自己的实例里面，看能否正确解释。
仿照LinkedHashMap.Entry定义一个自己的双向链表结构：

public class MyOneWayEntry {
    int value;
    MyOneWayEntry next;
    MyOneWayEntry prev;

    public MyOneWayEntry(int value) {
        this.value = value;
    }

    public void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }

    public void setNext(MyOneWayEntry next) {
        this.next = next;
    }

    public void setPrev(MyOneWayEntry prev) {
        this.prev = prev;
    }
}

这里出现了前后两个指针。

测试代码如下：

MyOneWayEntry myOneWayEntry2 = new MyOneWayEntry(2);
        MyOneWayEntry myOneWayEntry1 = new MyOneWayEntry(1);
        //让myOneWayEntry2的prev指针指向myOneWayEntry1
        myOneWayEntry2.setPrev(myOneWayEntry1);
        //让myOneWayEntry1的next指针指向myOneWayEntry2
        myOneWayEntry1.setNext(myOneWayEntry2);
        Gson gson = new Gson();
        System.out.println(gson.toJson(myOneWayEntry1));

结果也出现了和打印LinkedHashMap.Entry同样的错误:
Gson序列化LinkedHashMap.Entry失败的探索

但是如果把上面的prev和next去掉其中一个，则会正常打印json序列化字符串，感兴趣的可以自己试试。

类似的，如果把prev和next指针其中一个用transient修饰，如下所示：

MyOneWayEntry next;
transient MyOneWayEntry prev;

也会正常序列化，只不过序列化的结果里面没有了prev字段：

{"value":1,"next":{"value":2}}

这样的结果完全可以用上面的结论来解释了。

使用Gson序列化LinkedHashMap本身为什么没问题

事情到上面还没有结束：既然Gson序列化LinkedHashMap.Entry会因为循环引用报错堆栈溢出，那LinkedHashMap本身也是持有LinkedHashMap.Entry的引用，为什么Gson序列化的时候不会报错呢？

如果你仔细看看LinkedHashMap的源码，你会发现LinkedHashMap对LinkedHashMap.Entry的引用使用transient修饰了，而transient会告诉Gson，它修饰字段不参与序列化。

可以自己定义一个简单的LinkedHashMap结构，但是将其对Entry的引用不用transient修饰：

public class MyLinkedHashMap {
    MyLinkedHashMap.MyDoubleLinkEntry head;

    public void setHead(MyDoubleLinkEntry head) {
        this.head = head;
    }

    static class MyDoubleLinkEntry {
        MyDoubleLinkEntry before;
        MyDoubleLinkEntry after;
        int value;

        public MyDoubleLinkEntry(int value) {
            this.value = value;
        }

        public void setBefore(MyDoubleLinkEntry before) {
            this.before = before;
        }

        public void setAfter(MyDoubleLinkEntry after) {
            this.after = after;
        }

        public void setValue(int value) {
            this.value = value;
        }
    }
}

测试代码如下：

MyLinkedHashMap myLinkedHashMap = new MyLinkedHashMap();
        MyLinkedHashMap.MyDoubleLinkEntry first = new MyLinkedHashMap.MyDoubleLinkEntry(1);
        MyLinkedHashMap.MyDoubleLinkEntry second = new MyLinkedHashMap.MyDoubleLinkEntry(2);
        first.setAfter(second);
        second.setBefore(first);
        myLinkedHashMap.setHead(first);
        Gson gson = new Gson();
        System.out.println(gson.toJson(myLinkedHashMap));

结果是序列化的时候也报错“*Error”。
如果加上transient修饰MyLinkedHashMap.MyDoubleLinkEntry head字段，则会正常序列化。

其他拓展

每种json序列化框架都有自己的忽略某个字段的方式，如用transient修饰，FastJson的@JSONField(serialize = false,deserialize = false)，Jackson的@JsonIgnore,Gson的@Expose(serialize = false, deserialize = false)配合

GsonBuilder builder = new GsonBuilder();  
builder.excludeFieldsWithoutExposeAnnotation();  
Gson gson = builder.create();

当然还有其他各种方式，感兴趣可以自己查找整理一下。

总结

  1. Gson默认不支持存在“循环引用”的对象的序列化；
  2. LinkedHashMap.Entry中存在before, after双指针，形成了“循环引用”结构，Gson序列化会报错“*Error”；
  3. LinkedHashMap对LinkedHashMap.Entry的引用使用了transient修饰，所以序列化才不会报错；
  4. 这里顺便提一下，对于Map.Entry的序列化，FastJson是用Entry.getKey()和Entry.getValue()获取数据的；而Gson是用反射Field.get()来获取数据的；

你可以在这里获取相关代码：https://github.com/xujian01/blogcode/tree/master/src/main/java/gson

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