C# 序列化技术全面解析：原理、实现与应用场景

在软件开发中，数据持久化和网络通信是两个至关重要的环节。想象一下，当我们需要将一个复杂的对象保存到文件中，或者通过网络发送到另一台计算机时，如何有效地表示这个对象？这就是序列化技术要解决的问题。序列化（Serialization）是将对象转换为可存储或传输的格式的过程，而反序列化（Deserialization）则是将这些数据重新转换为对象的过程。

C# 作为一门成熟的面向对象编程语言，提供了丰富多样的序列化解决方案。本文将全面探讨 C# 中的各种序列化技术，包括二进制序列化、XML 序列化、JSON 序列化以及数据契约序列化，分析它们的原理、实现方式、优缺点以及适用场景，并通过实际代码示例展示如何在项目中应用这些技术。

一、序列化基础概念

1.1 什么是序列化

序列化是指将对象的状态信息转换为可以存储或传输的形式的过程。在序列化过程中，对象将其当前状态（通常是其成员变量的值）写入到临时或持久性存储区。之后，可以通过从存储区中读取或反序列化对象的状态，重新创建该对象。

1.2 为什么需要序列化

序列化技术主要解决以下几个问题：

1. 数据持久化：将对象状态保存到文件或数据库中，以便后续重新加载

2. 远程通信：在不同应用程序域或网络中的计算机之间传输对象

3. 进程间通信：在不同进程之间传递复杂数据结构

4. 缓存机制：将对象缓存到内存或分布式缓存中

1.3 C# 中的序列化分类

C# 提供了多种序列化方式，主要可以分为以下几类：

1. 二进制序列化

2. XML 序列化

3. JSON 序列化

4. 数据契约序列化

5. 自定义序列化

每种方式都有其特点和适用场景，开发者需要根据具体需求选择合适的序列化方式。

二、二进制序列化

2.1 二进制序列化概述

二进制序列化是将对象转换为二进制格式的过程，这种格式通常非常紧凑且处理速度快。在 .NET Framework 中，可以使用 BinaryFormatter 类来实现二进制序列化。

2.2 实现二进制序列化

下面是一个完整的二进制序列化示例：

using System;
using System.IO;
using System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary;[Serializable]
public class Person
{public string Name { get; set; }public int Age { get; set; }[NonSerialized]public string TemporaryData; // 这个字段不会被序列化
}public class BinarySerializationDemo
{public static void Demo(){Person person = new Person { Name = "张三", Age = 30, TemporaryData = "临时数据" };// 序列化byte[] serializedData;using (MemoryStream stream = new MemoryStream()){BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter();formatter.Serialize(stream, person);serializedData = stream.ToArray();}Console.WriteLine($"序列化后的字节数: {serializedData.Length}");// 反序列化using (MemoryStream stream = new MemoryStream(serializedData)){BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter();Person deserializedPerson = (Person)formatter.Deserialize(stream);Console.WriteLine($"姓名: {deserializedPerson.Name}");Console.WriteLine($"年龄: {deserializedPerson.Age}");Console.WriteLine($"临时数据: {deserializedPerson.TemporaryData ?? "null"}");}}
}

2.3 二进制序列化的特点

优点：

1. 序列化后的数据非常紧凑，占用空间小

2. 序列化和反序列化速度快

3. 可以完整保留对象图和类型信息

缺点：

1. 数据不可读，难以调试

2. 平台依赖性较强

3. 在 .NET Core/.NET 5+ 中被认为不安全，已不建议使用

2.4 安全注意事项

由于 BinaryFormatter 存在严重的安全风险，微软已从 .NET Core 开始不推荐使用它。攻击者可能利用它执行任意代码。如果确实需要使用二进制序列化，可以考虑以下替代方案：

1. 使用 System.Text.Json 或 Newtonsoft.Json 进行 JSON 序列化

2. 使用 XmlSerializer 进行 XML 序列化

3. 实现自定义的二进制序列化

三、XML 序列化

3.1 XML 序列化概述

XML 序列化将对象的公共属性和字段转换为 XML 格式。与二进制序列化不同，XML 序列化不包含类型信息，只序列化公共属性和字段。

3.2 实现 XML 序列化

using System;
using System.IO;
using System.Xml.Serialization;[Serializable]
public class Product
{public int Id { get; set; }public string Name { get; set; }public decimal Price { get; set; }[XmlIgnore]public DateTime CreatedAt { get; set; } // 这个属性不会被序列化
}public class XmlSerializationDemo
{public static void Demo(){Product product = new Product { Id = 1001, Name = "笔记本电脑", Price = 5999.99m,CreatedAt = DateTime.Now};// 序列化XmlSerializer serializer = new XmlSerializer(typeof(Product));string xmlString;using (StringWriter writer = new StringWriter()){serializer.Serialize(writer, product);xmlString = writer.ToString();}Console.WriteLine("序列化的XML:");Console.WriteLine(xmlString);// 反序列化using (StringReader reader = new StringReader(xmlString)){Product deserializedProduct = (Product)serializer.Deserialize(reader);Console.WriteLine($"\n反序列化结果:");Console.WriteLine($"ID: {deserializedProduct.Id}");Console.WriteLine($"名称: {deserializedProduct.Name}");Console.WriteLine($"价格: {deserializedProduct.Price}");Console.WriteLine($"创建时间: {deserializedProduct.CreatedAt}");}}
}

3.3 XML 序列化的特点

优点：

1. 生成的 XML 可读性强

2. 跨平台兼容性好

3. 可以通过 XSD 验证数据格式

4. 支持通过属性精细控制序列化过程

缺点：

1. 数据冗余多，文件体积较大

2. 序列化和反序列化性能较低

3. 只能序列化公共成员

3.4 XML 序列化高级控制

通过使用各种 XML 特性，可以精细控制序列化过程：

[XmlRoot("ProductItem")]
public class AdvancedProduct
{[XmlAttribute("productId")]public int Id { get; set; }[XmlElement("productName")]public string Name { get; set; }[XmlElement("productPrice")]public decimal Price { get; set; }[XmlElement("isAvailable")]public bool IsAvailable { get; set; }[XmlArray("Categories")][XmlArrayItem("Category")]public List<string> Categories { get; set; }
}

四、JSON 序列化

4.1 JSON 序列化概述

JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级的数据交换格式，易于人阅读和编写，也易于机器解析和生成。在 Web 开发和 API 设计中，JSON 已成为事实上的标准。

C# 中有两种主要的 JSON 序列化实现：

1. System.Text.Json (.NET Core 3.0 及以后版本内置)

2. Newtonsoft.Json (流行的第三方库)

4.2 使用 System.Text.Json 实现 JSON 序列化

using System;
using System.Text.Json;
using System.Text.Json.Serialization;public class Order
{public int OrderId { get; set; }public string CustomerName { get; set; }[JsonPropertyName("items")]public List<OrderItem> OrderItems { get; set; }[JsonIgnore]public string InternalNote { get; set; }
}public class OrderItem
{public string ProductName { get; set; }public int Quantity { get; set; }public decimal UnitPrice { get; set; }
}public class SystemTextJsonDemo
{public static void Demo(){Order order = new Order{OrderId = 1001,CustomerName = "李四",InternalNote = "重要客户",OrderItems = new List<OrderItem>{new OrderItem { ProductName = "鼠标", Quantity = 2, UnitPrice = 89.50m },new OrderItem { ProductName = "键盘", Quantity = 1, UnitPrice = 199.00m }}};// 序列化选项var options = new JsonSerializerOptions{WriteIndented = true, // 美化输出PropertyNamingPolicy = JsonNamingPolicy.CamelCase // 驼峰命名};// 序列化string jsonString = JsonSerializer.Serialize(order, options);Console.WriteLine("序列化的JSON:");Console.WriteLine(jsonString);// 反序列化Order deserializedOrder = JsonSerializer.Deserialize<Order>(jsonString, options);Console.WriteLine($"\n反序列化结果 - 订单ID: {deserializedOrder.OrderId}");Console.WriteLine($"客户名称: {deserializedOrder.CustomerName}");Console.WriteLine($"订单项数: {deserializedOrder.OrderItems?.Count ?? 0}");}
}

4.3 使用 Newtonsoft.Json 实现 JSON 序列化

using System;
using Newtonsoft.Json;public class NewtonsoftJsonDemo
{public static void Demo(){var data = new{Name = "王五",Age = 35,IsActive = true,LastLogin = DateTime.Now,Scores = new[] { 90, 85, 95 }};// 序列化设置var settings = new JsonSerializerSettings{Formatting = Formatting.Indented,NullValueHandling = NullValueHandling.Ignore,DateFormatString = "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"};// 序列化string json = JsonConvert.SerializeObject(data, settings);Console.WriteLine("使用Newtonsoft.Json序列化的JSON:");Console.WriteLine(json);// 反序列化var deserializedData = JsonConvert.DeserializeAnonymousType(json, data, settings);Console.WriteLine($"\n反序列化结果 - 姓名: {deserializedData.Name}");Console.WriteLine($"年龄: {deserializedData.Age}");}
}

4.4 JSON 序列化的特点

优点：

1. 数据格式轻量，文件体积小

2. 可读性较好

3. 广泛支持于各种编程语言和平台

4. 在 Web 开发中已成为标准

缺点：

1. 相比二进制格式，仍然有一定冗余

2. 处理某些复杂类型（如循环引用）需要额外配置

4.5 System.Text.Json vs Newtonsoft.Json

特性	System.Text.Json	Newtonsoft.Json
性能	更高	较低
内存分配	更少	较多
功能丰富度	基本功能	非常丰富
内置支持	.NET Core 3.0+	需要安装NuGet包
异步序列化	支持	不支持
处理循环引用	有限支持	完善支持

对于新项目，建议优先使用 System.Text.Json，除非需要 Newtonsoft.Json 的某些特有功能。

五、数据契约序列化

5.1 数据契约序列化概述

数据契约序列化是 WCF (Windows Communication Foundation) 中使用的一种序列化机制，通过 DataContractSerializer 类实现。它比 XML 序列化更灵活，但需要显式标记要序列化的成员。

5.2 实现数据契约序列化

using System;
using System.IO;
using System.Runtime.Serialization;[DataContract]
public class Employee
{[DataMember(Name = "id")]public int EmployeeId { get; set; }[DataMember]public string Name { get; set; }[DataMember(Order = 3)]public string Department { get; set; }public string SecretCode { get; set; } // 不会被序列化
}public class DataContractSerializationDemo
{public static void Demo(){Employee emp = new Employee{EmployeeId = 1001,Name = "赵六",Department = "研发部",SecretCode = "ABC123"};// 序列化DataContractSerializer serializer = new DataContractSerializer(typeof(Employee));string xmlString;using (var stream = new MemoryStream()){serializer.WriteObject(stream, emp);stream.Position = 0;using (var reader = new StreamReader(stream)){xmlString = reader.ReadToEnd();}}Console.WriteLine("数据契约序列化的XML:");Console.WriteLine(xmlString);// 反序列化using (var stream = new MemoryStream(System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(xmlString))){Employee deserializedEmp = (Employee)serializer.ReadObject(stream);Console.WriteLine($"\n反序列化结果 - ID: {deserializedEmp.EmployeeId}");Console.WriteLine($"姓名: {deserializedEmp.Name}");Console.WriteLine($"部门: {deserializedEmp.Department}");Console.WriteLine($"密码: {deserializedEmp.SecretCode ?? "null"}");}}
}

5.3 数据契约序列化的特点

优点：

1. 对序列化过程有更精细的控制

2. 支持版本控制，对数据变更更友好

3. 可以处理复杂对象图和继承层次结构

4. 性能优于 XML 序列化

缺点：

1. 需要显式标记要序列化的成员

2. 生成的 XML 不如 XmlSerializer 生成的那么简洁

3. 主要用于 WCF 服务

六、序列化技术选型指南

在选择序列化技术时，应考虑以下因素：

1. 性能需求：二进制 > JSON ≈ 数据契约 > XML

2. 数据大小：二进制 < JSON < 数据契约 < XML

3. 可读性：XML ≈ JSON > 数据契约 > 二进制

4. 跨平台支持：JSON > XML > 数据契约 > 二进制

5. 类型安全：二进制 > 数据契约 > XML ≈ JSON

6. 安全考虑：JSON ≈ XML > 数据契约 > 二进制

推荐场景：

• Web API/前后端通信：JSON (System.Text.Json 或 Newtonsoft.Json)

• 配置文件：JSON 或 XML

• 高性能本地存储：考虑自定义二进制格式或 Protocol Buffers

• WCF 服务：数据契约序列化

• 临时对象存储：二进制序列化（仅限可信环境）

七、高级主题与最佳实践

7.1 处理循环引用

循环引用是指对象之间相互引用形成的环。默认情况下，许多序列化器无法处理这种情况。

在 Newtonsoft.Json 中处理循环引用：

var settings = new JsonSerializerSettings
{PreserveReferencesHandling = PreserveReferencesHandling.Objects,ReferenceLoopHandling = ReferenceLoopHandling.Serialize
};
string json = JsonConvert.SerializeObject(obj, settings);

在 System.Text.Json 中处理循环引用：

var options = new JsonSerializerOptions
{ReferenceHandler = ReferenceHandler.Preserve
};
string json = JsonSerializer.Serialize(obj, options);

 

7.2 自定义序列化

对于需要特殊处理的类型，可以实现自定义序列化逻辑：

public class CustomObject : IJsonOnSerializing, IJsonOnSerialized, IJsonOnDeserializing, IJsonOnDeserialized
{public string Data { get; set; }void IJsonOnSerializing.OnSerializing(){Console.WriteLine("序列化前调用");}void IJsonOnSerialized.OnSerialized(){Console.WriteLine("序列化后调用");}void IJsonOnDeserializing.OnDeserializing(){Console.WriteLine("反序列化前调用");}void IJsonOnDeserialized.OnDeserialized(){Console.WriteLine("反序列化后调用");}
}

7.3 版本兼容性考虑

在设计可序列化类型时，应考虑未来可能的变更：

1. 避免删除已序列化的字段，可以标记为废弃

2. 新添加的字段应提供合理的默认值

3. 考虑使用 [OptionalField] 特性标记可能不存在的字段

4. 实现 ISerializable 接口进行自定义版本控制

7.4 性能优化建议

1. 对于频繁序列化的类型，缓存序列化器实例

2. 对于大型对象，考虑流式序列化

3. 使用 ArrayPool<byte> 减少内存分配

4. 在 ASP.NET Core 中，使用 System.Text.Json 源生成器

八、结论

C# 提供了丰富多样的序列化技术，每种技术都有其适用场景。在现代应用开发中，JSON 序列化已成为最常用的方式，特别是对于 Web API 和前后端通信。System.Text.Json 作为 .NET 平台的新标准，提供了高性能和低内存占用的优势，而 Newtonsoft.Json 则因其丰富的功能仍然在许多项目中使用。

对于需要更高性能的场景，可以考虑二进制序列化，但应注意其安全风险。XML 序列化在需要严格模式验证或与旧系统集成的场景中仍然有价值。数据契约序列化则是 WCF 服务开发的首选。

选择序列化技术时，开发者应综合考虑性能需求、数据大小、可读性要求、跨平台需求和安全性等因素。理解各种序列化技术的原理和特点，能够帮助我们在实际项目中做出更合理的技术选型，构建更健壮、高效的应用程序。