1. 写在前面

我们应该都用过各种序列化（serialization）的方法（如Python中的pickle.dumps），甚至自己也写过一些序列化的小工具。
维基百科对于序列化的解释比较冗长；相比之下，百度百科的解释更为简单：

序列化 (Serialization)是将对象的状态信息转换为可以存储或传输的形式的过程

这里面重点强调了两个概念：格式的转变和转变的目的

• [格式的转变] 转变前的格式是对象状态信息，转变后的格式是“可以存储或传输的形式”
• [转变的目的] 转变成字节流后的目的主要有两个：1. 存储到磁盘； 2. 通过网络进行传输

存储和传输的本质是一样的，都是I/O。我们后面就以磁盘存储为例进行说明。
转变后的格式（即：可存储或传输的形式）比较抽象。因为我们以磁盘存储为例进行说明，为方便表述，我们后面就以“存储格式”简称该转变后的格式。
序列化的作用又可以简单理解为：把内存中的数据存储到磁盘中的过程。
那么，一个随之而来的问题便是：

• 对象状态格式和存储格式的本质区别是什么？
• 或者：内存数据和磁盘数据的本质区别是什么？

2. 问题阐述

我们知道，内存和磁盘本质上都是存储二进制数据的。
那么，

1. 为什么不直接把内存中的数据复制一份到磁盘中呢？
2. 为什么要进行序列化？
3. 如果只是为了数据持久化，直接进行数据的拷贝可以吗？
4. 内存中数据格式和磁盘中数据格式的本质区别是什么？
5. 既然内存和磁盘的存储本质是一样的，不考虑内存和磁盘的数据存取速度差异，使用磁盘直接和cache、CPU进行数据交互可以吗（即跳过内存这一级别）？这个想法似乎和NVM有些不谋而合了。

这些问题其实说的是同一个问题。

3. 解释

3.1 一些不够完整的解释

以上一系列问题中，“为什么要进行序列化”这个问题可能是最直接的。在网上也能搜索到一些答案，包括：

• 跨语言：某种编程语言（Java）在磁盘上存储的数据，有可能被别的编程语言（C++）读取
• 跨平台：这个问题在网络传输时更为突出，在A机器上可能为小端序，在B机器上则为大端序

这些答案虽然也有道理，但我觉得还不够完整。
假设我们使用同一门编程语言，在同一个机器上，还需要进行序列化吗？
答案是：可能需要。

3.2 一种完整的解释

我们知道，序列化其实主要是进行了数据格式的转换，即从内存格式转换为磁盘格式。
进行该转换还有两个很重要的原因：去地址和节省空间。

3.2.1 去地址

对于一些包含地址或引用的数据结构（如二叉树），对象第一次在内存中的地址，和数据落盘后重新加载到内存中的地址，极有可能是不同的。
因此，需要对这种数据结构的对象，进行一些“去地址”的操作。该操作往往便是通过“序列化”来完成。

可能有人会想到在将对象落盘时，同时记录下对象中的内存地址。第二次加载对象时，按照之前记录的地址进行内存分配。
但内存一般是由多个应用共享的，第二次加载对象时，之前地址对应的内存空间可能已经被占用了。

3.2.2 节省空间

前面提到一个问题：为什么不直接把内存中的数据复制一份到磁盘中呢？
复制操作对于一些简单的数据结构（尤其是内存连续的数据结构）是可行的，比如说一个byte。在不考虑字节顺序（大/小端序）的前提下，一个int也是可行的。实际上，序列化操作对于这些简单数据结构也是这么复制处理的。
但对于二叉树这种复杂的数据结构，复制操作便不可行了。

现代操作系统的内存管理往往了采用了“内存分页”、“逻辑空间”的机制。逻辑空间连续的页面在物理空间中往往是分散的。
对于二叉树这种复杂的数据结构，树中不同的节点可能存储在不同的内存页面中，这些页面分散在内存的不同地方。
如下图所示，一棵二叉树的三个节点分别对应内存中编号为1，10，15的三块内存空间。如果进行简单复制，需要将1~15编号的整块内存数据复制到磁盘中，即使2，3，4等编号的内存空间跟当前二叉树无关。这便造成了严重的磁盘空间浪费。

这里引申出另外一个问题：既然物理内存是共享使用的（如，编号为2的内存空间可以由其他对象甚至应用使用），那么磁盘空间可以共享使用吗？如将红色框中的磁盘空间也提供给别的应用使用。这似乎可以解决“磁盘空间浪费”的问题。
理论上这是可以的，但这要求在磁盘管理层面对这些“可共享”的空间进行记录、管理和再分配。相当于在磁盘层面实现一套类似于“内存分页”和“逻辑空间”映射的机制，这大大增加了磁盘管理的复杂度。

采用“序列化”的方法的目的之一，也是为了解决“磁盘空间浪费”的问题。与磁盘层面的管理不同，“序列化”相当于在应用层面进行了管理，将数据更紧密地存储在一起，如下图所示：

4. 小节

序列化操作的本质是将对象中的字节组织成(顺序的)字节流的过程。
序列化的主要目的包括四点：

• 实现数据的跨语言使用
• 实现数据的跨平台使用
• 数据去内存地址
• 降低磁盘存储空间

实现后两者目的的根本原因是：对象对内存地址的操作。

参考链接

1. Understanding serialization
2. 维基百科 - 序列化
3. 百度百科 - 序列化
4. Why do we use serialization?
5. Why do we serialize data?
6. 实体类为啥要序列化