此系列文章为我在2015年发布于博客园的.NET基础拾遗系列，它十分适合初中级.NET开发工程师在面试前进行一个系统的复习，因此我将其搬到头条号分享与你。
本文为第七篇，我们会对.NET的流与序列化相关考点进行基础复习，全文会以Q/A的形式展现，即以面试题的形式来描述。
1 能说说流的概念吗？.NET中有哪些流？
流是一种针对字节流的操作，它类似于内存与文件之间的一个管道。在对一个文件进行处理时，本质上需要经过借助OS提供的API来进行打开文件，读取文件中的字节流，再关闭文件等操作，其中读取文件的过程就可以看作是字节流的一个过程。
常见的流类型包括：文件流、终端操作流以及网络Socket等，在.NET中，System.IO.Stream类型被设计为作为所有流类型的虚基类，所有的常见流类型都继承自System.IO.Stream类型，当我们需要自定义一种流类型时，也应该直接或者间接地继承自Stream类型。下图展示了在.NET中常见的流类型以及它们的类型结构：
从上图中可以发现，Stream类型继承自MarshalByRefObject类型，这保证了流类型可以跨越应用程序域进行交互。所有常用的流类型都继承自System.IO.Stream类型，这保证了流类型的统一性，并且屏蔽了底层的一些复杂操作，使用起来非常方便。
下面的代码中展示了如何在.NET中使用FileStream文件流进行简单的文件读写操作：
public class Program
{
private const int bufferlength = 1024;
public static void Main(string[] args)
{
//创建一个文件，并写入内容
string filename = @"C:\TestStream.txt";
string filecontent = GetTestString();
try
{
if (File.Exists(filename))
{
File.Delete(filename);
}
// 创建文件并写入内容
using (FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Create))
{
Byte[] bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(filecontent);
fs.Write(bytes, 0, bytes.Length);
}
// 读取文件并打印出来
using (FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open))
{
Byte[] bytes = new Byte[bufferlength];
UTF8Encoding encoding = new UTF8Encoding(true);
while (fs.Read(bytes, 0, bytes.Length) > 0)
{
Console.WriteLine(encoding.GetString(bytes));
}
}
// 循环分批读取打印
//using (FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open, FileAccess.Read))
//{
// Byte[] bytes = new Byte[bufferlength];
// int bytesRead;
// do
// {
// bytesRead = fs.Read(bytes, 0, bufferlength);
// Console.WriteLine(Encoding.UTF8.GetString(bytes, 0, bytesRead));
// } while (bytesRead > 0);
//}
}
catch (IOException ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
Console.ReadKey();
}
// 01.取得测试数据
static string GetTestString()
{
StringBuilder builder = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
builder.Append("我是测试数据\r\n");
builder.Append("我是长江" + (i + 1) + "号\r\n");
}
return builder.ToString();
}
}上述代码的执行结果如下图所示：
在实际开发中，我们经常会遇到需要传递一个比较大的文件，或者事先无法得知文件大小（Length属性抛出异常），因此也就不能创建一个尺寸正好合适的Byte[]数组，此时只能分批读取和写入，每次只读取部分字节，直到文件尾。例如我们需要复制G盘中一个大小为4.4MB的mp3文件到C盘中去，假设我们对大小超过2MB的文件都采用分批读取写入机制，可以通过如下代码实现：
public class Program
{
private const int BufferSize = 10240; // 10 KB
public static void Main(string[] args)
{
string fileName = @"G:\My Musics\BlueMoves.mp3"; // Source 4.4 MB
string copyName = @"C:\BlueMoves-Copy.mp3"; // Destination 4.4 MB
using (Stream source = new FileStream(fileName, FileMode.Open, FileAccess.Read))
{
using (Stream target = new FileStream(copyName, FileMode.Create, FileAccess.Write))
{
byte[] buffer = new byte[BufferSize];
int bytesRead;
do
{
// 从源文件中读取指定的10K长度到缓存中
bytesRead = source.Read(buffer, 0, BufferSize);
// 从缓存中写入已读取到的长度到目标文件中
target.Write(buffer, 0, bytesRead);
} while (bytesRead > 0);
}
}
Console.ReadKey();
}
}上述代码中，设置了缓存buffer大小为10K，即每次只读取10K的内容长度到buffer中，通过循环的多次读写和写入完成整个复制操作。
2 你知道如何使用压缩流吗？
由于网络带宽的限制、硬盘内存空间的限制等原因，文件和数据的压缩是我们经常会遇到的一个需求。因此，.NET中提供了对于压缩和解压的支持：GZipStream类型和DeflateStream类型，它们位于System.IO.Compression命名空间下，且都继承于Stream类型（对文件压缩的本质其实是针对字节的操作，也属于一种流的操作），实现了基本一致的功能。
下面的代码展示了GZipStream的使用方法，DeflateStream和GZipStream的使用方法几乎完全一致：
public class Program
{
// 缓存数组的长度
private const int bufferSize = 1024;
public static void Main(string[] args)
{
string test = GetTestString();
byte[] original = Encoding.UTF8.GetBytes(test);
byte[] compressed = null;
byte[] decompressed = null;
Console.WriteLine("数据的原始长度是:{0}", original.LongLength);
// 1.进行压缩
// 1.1 压缩进入内存流
using (MemoryStream target = new MemoryStream())
{
using (GZipStream gzs = new GZipStream(target, CompressionMode.Compress, true))
{
// 1.2 将数据写入压缩流
WriteAllBytes(gzs, original, bufferSize);
}
compressed = target.ToArray();
Console.WriteLine("压缩后的数据长度:{0}", compressed.LongLength);
}
// 2.进行解压缩
// 2.1 将解压后的数据写入内存流
using (MemoryStream source = new MemoryStream(compressed))
{
using (GZipStream gzs = new GZipStream(source, CompressionMode.Decompress, true))
{
// 2.2 从压缩流中读取所有数据
decompressed = ReadAllBytes(gzs, bufferSize);
}
Console.WriteLine("解压后的数据长度:{0}", decompressed.LongLength);
Console.WriteLine("解压前后是否相等:{0}", test.Equals(Encoding.UTF8.GetString(decompressed)));
}
Console.ReadKey();
}
// 01.取得测试数据
static string GetTestString()
{
StringBuilder builder = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
builder.Append("我是测试数据\r\n");
builder.Append("我是长江" + (i + 1) + "号\r\n");
}
return builder.ToString();
}
// 02.从一个流总读取所有字节
static Byte[] ReadAllBytes(Stream stream, int bufferlength)
{
Byte[] buffer = new Byte[bufferlength];
List<Byte> result = new List<Byte>();
int read;
while ((read = stream.Read(buffer, 0, bufferlength)) > 0)
{
if (read < bufferlength)
{
Byte[] temp = new Byte[read];
Array.Copy(buffer, temp, read);
result.AddRange(temp);
}
else
{
result.AddRange(buffer);
}
}
return result.ToArray();
}
// 03.把字节写入一个流中
static void WriteAllBytes(Stream stream, Byte[] data, int bufferlength)
{
Byte[] buffer = new Byte[bufferlength];
for (long i = 0; i < data.LongLength; i += bufferlength)
{
int length = bufferlength;
if (i + bufferlength > data.LongLength)
{
length = (int)(data.LongLength - i);
}
Array.Copy(data, i, buffer, 0, length);
stream.Write(buffer, 0, length);
}
}
}上述代码的运行结果如下图所示：
需要注意的是：使用 GZipStream 类压缩大于 4 GB 的文件时将会引发异常。
通过GZipStream的构造方法可以看出，它是一个典型的Decorator装饰者模式的应用，所谓装饰者模式，就是动态地给一个对象添加一些额外的职责。对于增加新功能这个方面，装饰者模式比新增一个之类更为灵活。就拿上面代码中的GZipStream来说，它扩展的是MemoryStream，为Write方法增加了压缩的功能，从而实现了压缩的应用。
扩展：许多资料表明.NET提供的GZipStream和DeflateStream类型的压缩算法并不出色，也不能调整压缩率，有些第三方的组件例如SharpZipLib实现了更高效的压缩和解压算法，我们可以在nuget中为项目添加该组件。
3 能说说Serializable特性的作用吗？
通过上面的流类型可以方便地操作各种字节流，但是如何把现有的实例对象转换为方便传输的字节流，就需要使用序列化技术。对象实例的序列化，是指将实例对象转换为可方便存储、传输和交互的流。在.NET中，通过Serializable特性提供了序列化对象实例的机制，当一个类型被申明为Serializable后，它就能被诸如BinaryFormatter等实现了IFormatter接口的类型进行序列化和反序列化。
[Serializable]
public class Person
{
......
}但是，在实际开发中我们会遇到对于一些特殊的不希望被序列化的成员，这时我们可以为某些成员添加NonSerialized特性。例如，有如下代码所示的一个Person类，其中number代表学号，name代表姓名，我们不希望name被序列化，于是可以为name添加NonSerialized特性：
public class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
Person obj = new Person(26, "Edison Chou");
Console.WriteLine("初始状态：");
Console.WriteLine(obj);
// 序列化对象
byte[] data = Serialize(obj);
// 反序列化对象
Person newObj = DeSerialize(data);
Console.WriteLine("经过序列化和反序列化后：");
Console.WriteLine(newObj);
Console.ReadKey();
}
// 序列化对象
static byte[] Serialize(Person p)
{
// 使用二进制序列化
IFormatter formatter = new BinaryFormatter();
using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
{
formatter.Serialize(ms, p);
return ms.ToArray();
}
}
// 反序列化对象
static Person DeSerialize(byte[] data)
{
// 使用二进制反序列化
IFormatter formatter = new BinaryFormatter();
using (MemoryStream ms = new MemoryStream(data))
{
Person p = formatter.Deserialize(ms) as Person;
return p;
}
}
}上述代码的运行结果如下图所示：
注意：当一个基类使用了Serializable特性后，并不意味着其所有子类都能被序列化。事实上，我们必须为每个子类都添加Serializable特性才能保证其能被正确地序列化。
4 .NET中提供了哪些可进行序列化操作的类型？
我们已经理解了如何把一个类型声明为可序列化的类型，但是万里长征只走了第一步，具体完成序列化和反序列化的操作还需要一个执行这些操作的类型。为了序列化具体实例到某种专用的格式，.NET中提供了三种对象序列格式化类型：BinaryFormatter、SoapFormatter和XmlSerializer。
（1）BinaryFormatter
顾名思义，BinaryFormatter可用于将可序列化的对象序列化成二进制的字节流，在前面Serializable特性的代码示例中已经展示过，这里不再重复展示。
（2）SoapFormatter
SoapFormatter致力于将可序列化的类型序列化成符合SOAP规范的XML文档以供使用。在.NET中，要使用SoapFormatter需要先添加对于SoapFormatter的引用：
using System.Runtime.Serialization.Formatters.Soap;Note：SOAP是一种位于应用层的网络协议，它基于XML，并且是Web Service的基本协议。
（3）XmlSerializer
XmlSerializer并不仅仅针对那些标记了Serializable特性的类型，更为需要注意的是，Serializable和NonSerialized特性在XmlSerializer类型对象的操作中完全不起作用，取而代之的是XmlIgnore属性。XmlSerializer可以对没有标记Serializable特性的类型对象进行序列化，但是它仍然有一定的限制：
① 使用XmlSerializer序列化的对象必须显示地拥有一个无参数的公共构造方法；
因此，我们需要修改前面代码示例中的Person类，添加一个无参数的公共构造方法：
[Serializable]
public class Person
{
......
public Person()
{
}
......
}② XmlSerializer只能序列化公共成员变量；
因此，Person类中的私有成员_number便不能被XmlSerializer进行序列化：
[Serializable]
public class Person
{
// 私有成员无法被XmlSerializer序列化
private int _number;
}（4）综合演示SoapFormatter和XmlSerializer的使用方法：
① 重新改写Person类
[Serializable]
public class Person
{
// 私有成员无法被XmlSerializer序列化
private int _number;
// 使用NonSerialized特性标记此成员不可被BinaryFormatter和SoapFormatter序列化
[NonSerialized]
public string _name;
// 使用XmlIgnore特性标记此成员不可悲XmlSerializer序列化
[XmlIgnore]
public string _univeristy;
public Person()
{
}
public Person(int i, string s, string u)
{
this._number = i;
this._name = s;
this._univeristy = u;
}
public override string ToString()
{
string result = string.Format("学号是：{0}，姓名是：{1}，大学是：{2}", _number, _name, _univeristy);
return result;
}
}② 新增SoapFormatter和XmlSerializer的序列化和反序列化方法
#region 01.SoapFormatter
// 序列化对象-SoapFormatter
static byte[] SoapFormatterSerialize(Person p)
{
// 使用Soap协议序列化
IFormatter formatter = new SoapFormatter();
using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
{
formatter.Serialize(ms, p);
return ms.ToArray();
}
}
// 反序列化对象-SoapFormatter
static Person SoapFormatterDeSerialize(byte[] data)
{
// 使用Soap协议反序列化
IFormatter formatter = new SoapFormatter();
using (MemoryStream ms = new MemoryStream(data))
{
Person p = formatter.Deserialize(ms) as Person;
return p;
}
}
#endregion
#region 02.XmlSerializer
// 序列化对象-XmlSerializer
static byte[] XmlSerializerSerialize(Person p)
{
// 使用XML规范序列化
XmlSerializer serializer = new XmlSerializer(typeof(Person));
using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
{
serializer.Serialize(ms, p);
return ms.ToArray();
}
}
// 反序列化对象-XmlSerializer
static Person XmlSerializerDeSerialize(byte[] data)
{
// 使用XML规范反序列化
XmlSerializer serializer = new XmlSerializer(typeof(Person));
using (MemoryStream ms = new MemoryStream(data))
{
Person p = serializer.Deserialize(ms) as Person;
return p;
}
}
#endregion③ 改写Main方法进行测试
static void Main(string[] args)
{
Person obj = new Person(26, "Edison Chou", "CUIT");
Console.WriteLine("原始对象为：");
Console.WriteLine(obj.ToString());
// 使用SoapFormatter序列化对象
byte[] data1 = SoapFormatterSerialize(obj);
Console.WriteLine("SoapFormatter序列化后：");
Console.WriteLine(Encoding.UTF8.GetString(data1));
Console.WriteLine();
// 使用XmlSerializer序列化对象
byte[] data2 = XmlSerializerSerialize(obj);
Console.WriteLine("XmlSerializer序列化后：");
Console.WriteLine(Encoding.UTF8.GetString(data2));
Console.ReadKey();
}示例运行结果如下图所示：
5 如何自定义序列化和反序列化？
对于某些类型，序列化和反序列化往往有一些特殊的操作或逻辑检查需求，这时就需要我们能够主动地控制序列化和反序列化的过程。.NET中提供的Serializable特性帮助我们非常快捷地申明了一个可序列化的类型（因此也就缺乏了灵活性），但很多时候由于业务逻辑的要求，我们需要主动地控制序列化和反序列化的过程。因此，.NET提供了ISerializable接口来满足自定义序列化需求。
下面的代码展示了自定义序列化和反序列化的类型模板：
[Serializable]
public class MyObject : ISerializable
{
protected MyObject(SerializationInfo info, StreamingContext context)
{
// 在此构造方法中实现反序列化
}
public virtual void GetObjectData(SerializationInfo info, StreamingContext context)
{
// 在此方法中实现序列化
}
}如上代码所示，GetObjectData和特殊构造方法都接收两个参数：SerializationInfo 类型参数的作用类似于一个哈希表，通过key/value对来存储整个对象的内容，而StreamingContext 类型参数则包含了流的当前状态，我们可以根据此参数来判断是否需要序列化和反序列化类型独享。
如果基类实现了ISerializable接口，则派生类需要针对自己的成员实现反序列化构造方法，并且重写基类中的GetObjectData方法。
下面通过一个具体的代码示例，来了解如何在.NET程序中自定义序列化和反序列化的过程：
① 首先我们需要一个需要被序列化和反序列化的类型，该类型有可能被其他类型继承
[Serializable]
public class MyObject : ISerializable
{
private int _number;
[NonSerialized]
private string _name;
public MyObject(int num, string name)
{
this._number = num;
this._name = name;
}
public override string ToString()
{
return string.Format("整数是：{0}\r\n字符串是：{1}", _number, _name);
}
// 实现自定义的序列化
protected MyObject(SerializationInfo info, StreamingContext context)
{
// 从SerializationInfo对象（类似于一个HashTable）中读取内容
this._number = info.GetInt32("MyObjectInt");
this._name = info.GetString("MyObjectString");
}
// 实现自定义的反序列化
public void GetObjectData(SerializationInfo info, StreamingContext context)
{
// 将成员对象写入SerializationInfo对象中
info.AddValue("MyObjectInt", this._number);
info.AddValue("MyObjectString", this._name);
}
}② 随后编写一个继承自MyObject的子类，并添加一个私有的成员变量。需要注意的是：子类必须负责序列化和反序列化自己添加的成员变量。
[Serializable]
public class MyObjectSon : MyObject
{
// 自己添加的成员
private string _sonName;
public MyObjectSon(int num, string name)
: base(num, name)
{
this._sonName = name;
}
public override string ToString()
{
return string.Format("{0}\r\n之类字符串是：{1}", base.ToString(), this._sonName);
}
// 实现自定义反序列化，只负责子类添加的成员
protected MyObjectSon(SerializationInfo info, StreamingContext context)
: base(info, context)
{
this._sonName = info.GetString("MyObjectSonString");
}
// 实现自定义序列化，只负责子类添加的成员
public override void GetObjectData(SerializationInfo info, StreamingContext context)
{
base.GetObjectData(info, context);
info.AddValue("MyObjectSonString", this._sonName);
}
}③ 最后编写Main方法，测试自定义的序列化和反序列化
public class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
MyObjectSon obj = new MyObjectSon(10086, "Edison Chou");
Console.WriteLine("初始对象为：");
Console.WriteLine(obj.ToString());
// 序列化
byte[] data = Serialize(obj);
Console.WriteLine("经过序列化与反序列化之后：");
Console.WriteLine(DeSerialize(data));
Console.ReadKey();
}
// 序列化对象-BinaryFormatter
static byte[] Serialize(MyObject p)
{
// 使用二进制序列化
IFormatter formatter = new BinaryFormatter();
using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
{
formatter.Serialize(ms, p);
return ms.ToArray();
}
}
// 反序列化对象-BinaryFormatter
static MyObject DeSerialize(byte[] data)
{
// 使用二进制反序列化
IFormatter formatter = new BinaryFormatter();
using (MemoryStream ms = new MemoryStream(data))
{
MyObject p = formatter.Deserialize(ms) as MyObject;
return p;
}
}
}上述代码的运行结果如下图所示：
从结果图中可以看出，由于实现了自定义的序列化和反序列化，从而原先使用Serializable特性的默认序列化和反序列化算法没有起作用，MyObject类型的所有成员经过序列化和反序列化之后均被完整地还原了，包括申明了NonSerialized特性的成员。
总结
本文总结复习了.NET的流与序列化处理相关的重要知识点，下一篇会总结.NET中委托相关的重要知识点，欢迎继续关注！
参考资料（全是经典）
朱毅，《进入IT企业必读的200个.NET面试题》
张子阳，《.NET之美：.NET关键技术深入解析》
王涛，《你必须知道的.NET（第二版）》
