Lenguaje Java Avanzado
 

Serialización de datos

Introducción

Los programas muy a menudo necesitan enviar datos a un determinado destino, o bien leerlos de una determinada fuente externa, como por ejemplo puede ser un fichero para almacenar datos de forma permanente, o bien enviar datos a través de la red, a memoria, o a otros programas. Esta entrada/salida de datos en Java la realizaremos por medio de flujos (streams) de datos, a través de los cuales un programa podrá recibir o enviar datos en serie. Si queremos transferir estructuras de datos complejas, deberemos convertir estas estructuras en secuencias de bytes que puedan ser enviadas a través de un flujo. Esto es lo que se conoce como serialización. Comenzaremos viendo los fundamentos de los flujos de entrada y salida en Java, para a continuación pasar a estudiar los flujos que nos permitirán serializar diferentes tipos de datos Java de forma sencilla.

Flujos de datos de entrada/salida

Existen varios objetos que hacen de flujos de datos, y que se distinguen por la finalidad del flujo de datos y por el tipo de datos que viajen a través de ellos. Según el tipo de datos  que transporten podemos distinguir:

  • Flujos de caracteres
  • Flujos de bytes

Dentro de cada uno de estos grupos tenemos varios pares de objetos, de los cuales uno nos servirá para leer del flujo y el otro para escribir en él. Cada par de objetos será utilizado para comunicarse con distintos elementos (memoria, ficheros, red u otros programas). Estas clases, según sean de entrada o salida y según sean de caracteres o de bytes llevarán distintos sufijos, según se muestra en la siguiente tabla:

  Flujo de entrada / lector Flujo de salida / escritor
Caractéres _Reader _Writer
Bytes _InputStream _OutputStream

Donde el prefijo se referirá a la fuente o sumidero de los datos que puede tomar valores como los que se muestran a continuación:

File_ Acceso a ficheros
Piped_ Comunicación entre programas mediante tuberías (pipes)
String_ Acceso a una cadena en memoria (solo caracteres)
CharArray_ Acceso a un array de caracteres en memoria (solo caracteres)
ByteArray_ Acceso a un array de bytes en memoria (solo bytes)

Además podemos distinguir los flujos de datos según su propósito, pudiendo ser:

  • Canales de datos, simplemente para leer o escribir datos directamente en una fuente o sumidero externo.
  • Flujos de procesamiento, que además de enviar o recibir datos realizan algún procesamiento con ellos. Tenemos por ejemplo flujos que realizan un filtrado de los datos que viajan a través de ellos (con prefijo Filter), conversores datos (con prefijo Data), bufferes de datos (con prefijo Buffered), preparados para la impresión de elementos (con prefijo Print), etc.

Un tipo de filtros de procesamiento a destacar son aquellos que nos permiten convertir un flujo de bytes a flujo de caracteres. Estos objetos son InputStreamReader y OutputStreamWriter. Como podemos ver en su sufijo, son flujos de caracteres, pero se construyen a partir de flujos de bytes, permitiendo de esta manera acceder a nuestro flujo de bytes como si fuese un flujo de caracteres.

Para cada uno de los tipos básicos de flujo que hemos visto existe una superclase, de la que heredaran todos sus subtipos, y que contienen una serie de métodos que serán comunes a todos ellos. Entre estos métodos encontramos los métodos básicos para leer o escribir caracteres o bytes en el flujo a bajo nivel. En la siguiente tabla se muestran los métodos más importantes de cada objeto:

InputStream read(), reset(), available(), close()
OutputStream write(int b), flush(), close()
Reader read(), reset(), close()
Writer write(int c), flush(), close()

A parte de estos métodos podemos encontrar variantes de los métodos de lectura y escritura, otros métodos, y además cada tipo específico de flujo contendrá sus propios métodos. Todas estas clases se encuentran en el paquete java.io. Para más detalles sobre ellas se puede consultar la especificación de la API de Java.

Entrada, salida y salida de error estándar

Al igual que en C, en Java también existen los conceptos de entrada, salida, y salida de error estándar. La entrada estándar normalmente se refiere a lo que el usuario escribe en la consola, aunque el sistema operativo puede hacer que se tome de otra fuente. De la misma forma la salida y la salida de error estándar lo que hacen normalmente es mostrar los mensajes y los errores del programa respectivamente en la consola, aunque el sistema operativo también podrá redirigirlas a otro destino.

En Java esta entrada, salida y salida de error estándar se tratan de la misma forma que cualquier otro flujo de datos, estando estos tres elementos encapsulados en tres objetos de flujo de datos que se encuentran como propiedades estáticas de la clase System:

  Tipo Objeto
Entrada estándar InputStream System.in
Salida estándar PrintStream System.out
Salida de error estándar PrintStream System.err

Para la entrada estándar vemos que se utiliza un objeto InputStream básico, sin embargo para la salida se utilizan objetos PrintWriter que facilitan la impresión de texto ofreciendo a parte del método común de bajo nivel write para escribir bytes, dos métodos más: print y println. Estas funciones nos permitirán escribir cualquier cadena, tipo básico, o bien cualquier objeto que defina el método toString que devuelva una representación del objeto en forma de cadena. La única diferencia entre los dos métodos es que el segundo añade automáticamente un salto de línea al final del texto impreso, mientras que en el primero deberemos especificar explícitamente este salto.

Para escribir texto en la consola normalmente utilizaremos:

System.out.println("Hola mundo");

En el caso de la impresión de errores por la salida de error de estándar, deberemos utilizar: 

System.err.println("Error: Se ha producido un error");

Además la clase System nos permite sustituir estos flujos por defecto por otros flujos, cambiando de esta forma la entrada, salida y salida de error estándar.

Truco
Podemos ahorrar tiempo si en Eclipse en lugar de escribir System.out.println escribimos simplemente sysout y tras esto pulsamos Ctrl + Espacio.

Acceso a ficheros

Podremos acceder a ficheros bien por caracteres, o bien de forma binaria (por bytes). Las clases que utilizaremos en cada caso son:

  Lectura Escritura
Caracteres FileReader FileWriter
Binarios FileInputStream FileOutputStream

Para crear un lector o escritor de ficheros deberemos proporcionar al constructor el fichero del que queremos leer o en el que queramos escribir. Podremos proporcionar esta información bien como una cadena de texto con el nombre del fichero, o bien construyendo un objeto File representando al fichero al que queremos acceder. Este objeto nos permitirá obtener información adicional sobre el fichero, a parte de permitirnos realizar operaciones sobre el sistema de ficheros.

A continuación vemos un ejemplo simple de la copia de un fichero carácter a carácter:

public void copia_fichero() {
  int c;
  try {
    FileReader in = new FileReader("fuente.txt");
    FileWriter out = new FileWriter("destino.txt");
	
    while( (c = in.read()) != -1) {
      out.write(c);
    }
		
    in.close();
    out.close();
	
  } catch(FileNotFoundException e1) {
    System.err.println("Error: No se encuentra el fichero");
  } catch(IOException e2) {
    System.err.println("Error leyendo/escribiendo fichero");
  }
}

En el ejemplo podemos ver que para el acceso a un fichero es necesario capturar dos excepciones, para el caso de que no exista el fichero al que queramos acceder y por si se produce un error en la E/S.

Para la escritura podemos utilizar el método anterior, aunque muchas veces nos resultará mucho más cómodo utilizar un objeto PrintWriter con el que podamos escribir directamente líneas de texto:

public void escribe_fichero() {
  FileWriter out = null;
  PrintWriter p_out = null;

  try {
    out = new FileWriter("result.txt");
    p_out = new PrintWriter(out);
    p_out.println(
      "Este texto será escrito en el fichero de salida");

  } catch(IOException e) {
    System.err.println("Error al escribir en el fichero");
  } finally {
    p_out.close();
  }
}

Acceso a los recursos

Hemos visto como leer y escribir ficheros, pero cuando ejecutamos una aplicación contenida en un fichero JAR, puede que necesitemos leer recursos contenidos dentro de este JAR.

Para acceder a estos recursos deberemos abrir un flujo de entrada que se encargue de leer su contenido. Para ello utilizaremos el método getResourceAsStream de la clase Class:

InputStream in = getClass().getResourceAsStream("/datos.txt");

De esta forma podremos utilizar el flujo de entrada obtenido para leer el contenido del fichero que hayamos indicado. Este fichero deberá estar contenido en el JAR de la aplicación.

Especificamos el carácter '/' delante del nombre del recurso para referenciarlo de forma relativa al directorio raíz del JAR. Si no lo especificásemos de esta forma se buscaría de forma relativa al directorio correspondiente al paquete de la clase actual.

Acceso a la red

Podemos también obtener flujos para leer datos a través de la red a partir de una URL. De esta forma podremos obtener por ejemplo información ofrecida por una aplicación web. Lo primero que debemos hacer es crear un objeto URL especificando la dirección a la que queremos acceder:

URL url = new URL("http://www.ua.es/es/index.html");

A partir de esta URL podemos obtener directamente un flujo de entrada mediante el método openStream:

InputStream in = url.openStream();

Una vez obtenido este flujo de entrada podremos leer de él o bien transformarlo a otro tipo de flujo como por ejemplo a un flujo de caracteres o de procesamiento. La lectura se hará de la misma forma que cualquier otro tipo de flujo.

Codificación de datos

Si queremos guardar datos en un fichero binario, enviarlos a través de la red, o en general transferirlos mediante cualquier flujo de E/S, deberemos codificar estos datos en forma de array de bytes. Los flujos de procesamiento DataInputStream y DataOutputStream nos permitirán codificar y descodificar respectivamente los tipos de datos simples en forma de array de bytes para ser enviados a través de un flujo de datos.

Por ejemplo, podemos codificar datos en un array en memoria (ByteArrayOutputStream) de la siguiente forma:

String nombre = "Jose";
String edad = 25;
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
DataOutputStream dos = new DataOutputStream(baos);

dos.writeUTF(nombre);
dos.writeInt(edad);
dos.close();
baos.close();

byte [] datos = baos.toByteArray();

Podremos descodificar este array de bytes realizando el procedimiento inverso, con un flujo que lea un array de bytes de memoria (ByteArrayInputStream):

ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(datos);
DataInputStream dis = new DataInputStream(bais);
String nombre = dis.readUTF();
int edad = dis.readInt();

Si en lugar de almacenar estos datos codificados en una array en memoria queremos guardarlos codificados en un fichero, haremos lo mismo simplemente sustituyendo el flujo canal de datos ByteArrayOutputStream por un FileOutputStream. De esta forma podremos utilizar cualquier canal de datos para enviar estos datos codificados a través de él.

Serialización de objetos

Si queremos enviar un objeto a través de un flujo de datos, deberemos convertirlo en una serie de bytes. Esto es lo que se conoce como serialización de objetos, que nos permitirá leer y escribir objetos directamente.

Para leer o escribir objetos podemos utilizar los objetos ObjectInputStream y ObjectOutputStream que incorporan los métodos readObject y writeObject respectivamente. Los objetos que escribamos en dicho flujo deben tener la capacidad de ser serializables.

Serán serializables aquellos objetos que implementan la interfaz Serializable. Cuando queramos hacer que una clase definida por nosotros sea serializable deberemos implementar dicho interfaz, que no define ninguna función, sólo se utiliza para identificar las clases que son serializables. Para que nuestra clase pueda ser serializable, todas sus propiedades deberán ser de tipos de datos básicos o bien objetos que también sean serializables.

Un uso común de la serialización se realiza en los Transfer Objetcs. Este tipo de objetos deben ser serializables para así poderse intercambiar entre todas las capas de la aplicación, aunque se encuentren en máquinas diferentes.

Por ejemplo, si tenemos un objeto como el siguiente:

public class Punto2D implements Serializable {
	private int x;
	private int y;

	public int getX() {
		return x;
	}
	public void setX(int x) {
		this.x = x;
	}
	public int getY() {
		return y;
	}
	public void setY(int y) {
		this.y = y;
	}
}

Podríamos enviarlo a través de un flujo, independientemente de su destino, de la siguiente forma:

Punto2D p = crearPunto();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(FICHERO_DATOS);
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(p);
oos.close();

En este caso hemos utilizado como canal de datos un flujo con destino a un fichero, pero se podría haber utilizado cualquier otro tipo de canal (por ejemplo para enviar un objeto Java desde un servidor web hasta una máquina cliente). En aplicaciones distribuidas los objetos serializables nos permitirán mover estructuras de datos entre diferentes máquinas sin que el desarrollador tenga que preocuparse de la codificación y transmisión de los datos.

Muchas clases de la API de Java son serializables, como por ejemplo las colecciones. Si tenemos una serie de elementos en una lista, podríamos serializar la lista completa, y de esa forma guardar todos nuestros objetos, con una única llamada a writeObject.

Cuando una clase implemente la interfaz Serializable veremos que Eclipse nos da un warning si no añadimos un campo serialVersionUID. Este es un código numérico que se utiliza para asegurarnos de que al recuperar un objeto serializado éste se asocie a la misma clase con la que se creó. Así evitamos el problema que puede surgir al tener dos clases que puedan tener el mismo nombre, pero que no sean iguales (podría darse el caso que una de ellas esté en una máquina cliente, y la otra en el servidor). Si no tuviésemos ningún código para identificarlas, se podría intentar recuperar un objeto en una clase incorrecta.

Eclipse nos ofrece dos formas de generar este código pulsando sobre el icono del warning: con un valor por defecto, o con un valor generado automáticamente. Será recomendable utiliar esta segunda forma, que nos asegura que dos clases distintas tendrán códigos distintos.