我的WCF之旅（4）：WCF中的序列化[上篇]

SOA 和Message

Windows Communication Foundation (WCF) 是基于面向服务架构（Service Orientation Architecture——SOA）的一种理想的分布式技术（Distributed Technology）, 相信在今后在建立基于SOA企业级别的解决方案和进行系统集成方面将会大有作为。一个基于SOA结构的互联系统（Connected System）通常由若干相互独立的子系统（Sub-System）组成，这些子系统可能一个独立的Application，也可能是由若干Application相互集成共同完成一组相关的任务的小系统。这些子系统以一种有效的方式组合、集成为我们听过一种具有综合功能的解决方案。

在一个基于SOA的分布式系统中，各个子系统相互独立又相互关联。说它们的相互独立是因为他们各个都是一个个自治的系统（Autonomous System），可以实行各自的版本策略和部署策略，而这种版本的部署上的变动通常不应该引起系统中其他部分的变动。说它们又彼此关联，则是因为一个子系统所需要的功能往往由其他某个子系统来实现，我们把实现功能的一方称为Service 的提供者（Provider），把使用Service的一方称为客户（Client）。Client依赖于Service的调用，而不失依赖于Service的实现，只要Service的调用方式没有发生改变，Service的实现变动对于Service的使用者来说是完全透明的。在WCF中，我们把Service的调用相关的提取出来即为我们经常说的Contract，Service的提供者和Client之间共享的是Service Contract——而不传统OO概念下的Type。把相对稳定的Service Contract和经常变动的Service Implementation相互分布早就了我们互联系统的松耦合性（Loosely Couple）。

前面我们简单介绍了SOA系统的基本特征——子系统之间的松耦合性（Loosely Couple）；各个子系统的自治性（Autonomous）；共享Contract。此外SOA还有其他的一些特征，最重要的一个特征就它是一个基于Message（Message-Based）的系统。子系统之间的相互交互由Message来实现。Client向Service的提供者发送一个Soap Message来访为他所需要的Service，Service的提供者监听到来自Client的请求，创建相应的Service对象，执行相关的操作，把执行的结果（Result）以Message 的形式发回给对应的Client。所以我们可以说子系统之间的相互交互本质上是一种消息的交互过程（Message Exchange）。不同的交互方式对应不同的Message Exchange Pattern——MEP。

理解了SO的基本原理，我们来看看WCF，从WCF的全称来分析——Windows Communication Foundation，顾名思义，他就是解决分布式互联系统中各相互独立的子系统如何交互的问题，换句话说，它实际上就是提供 一个基础构架（Infrastructure）实现Application的通信问题。我们前边已经提到，各个子系统之间是通过XML Message进行交互的，所以我们可以 把WCF看成是一个完全处理XML Message的构架，WCF的所有的功能都是围绕着Message来展开的——如何把一个Service的调用转或称一个Message Exchange（Service Contract）;如何实现一般的.NET对象和能够容纳于XML Message中的XML Infoset之间的转化（Serialization和Deserialization）；如何实现承载数据的XML Infoset和能够用于网络传递的字节流（Byte Stream）之间的相互转化（Encoding和Deconding）；如何保证置于Message中数据的一致性和防止被恶意用户窃取以及验证调用Service和通过Service的合法性（Security：Confidentiality，Integrity，Authentication——CIA）；如何保证Message被可靠地被传达到所需的地方（Reliable Messaging）；以及如何把若干次Service调用——本质上是若干次Message Exchange纳入到一个单独的Conversation（Session Support 和Transaction Support……

在分布式系统中，一个Application与另一个Application之间进行交互，必然需要携带数据。前面我们说了，系统交互完全是应Message的方式进行的，Message是XML，当然置于Message中的数据也应该是XML（XML Infoset）。如何处理这些交互的数据，我们可能首先想到的就是直接处理XML，我们可以在XML级别通过相关的XML技术——XSD，XPath，XSLT来操作数据。但是要使我们处理后的XML需要和要求的完全一致，这样的工作无疑是非常枯燥乏味而且费时费力的。而我们最擅长的就是使用.NET对象来封装我们的数据。如何使我们创造的对象能够有效地转化成结构化的XML Infoset，就是今天我们要讲的内容——Serialization。

Serialization V.S. Encoding

Serialization可以看成是把包含相同内容的数据从一种结构 (.NET Object) 转换成另一种结构 (XML) 。要实现在两种不同结构之间的转化，这两种结构之间必须存在一种Mapping。Serialization的是实现由序列化器（Serializer）来负责。而Serializer则利用某种算法（Arithmetic）来提供这种Mapping。我们知道对于一个Managed Type的结构信息——比如它的所有成员的列表，每个成员的Type、访问限制，以及定在每个成员上的属性，作为原数据被存贮在Assembly的原数据表中，这些原数据可以通过反射的机制获得。而XML的结构一般利用XSD来定义。所以 在WCF中的Serialization可以看成是Serializer通过反射的机制分析对象所对应的Type的原数据，从而提供一种算法实现Managed Type的XSD的转化。

很多刚刚接触WCF的人往往不能很好地区分Serialization和Encoding。我们的.NET Object通过Serialization转化成XML Infoset。但是要使我们的数据能够通过网络协议在网络上传递，必须把生成的XML Infoset转化成字节流（Byte Stream）。所以Encoding关注的是XML Infoset到字节流（Byte Stream）这一段转化的过程。在WCF中，有3中不同的方式可供选择：Binary；Text和MTOM（Message Transmit Optimized Mechanism）。Binary具有最好的Performance，Text具有最好的互操作性，MTOM则有利于大量数据的传送。

我们可以这样来理解Serialization和Encoding，Sterilization是基于Service Contract的——而实际上它也是定义在Service Contract中，是放在我们的Code中；而Encoding一般由Binding提供，它是和Service无关的，我们一般在Configuration中根据实际的需要选择我们合适的Encoding。WCF把Serialization和Encoding相互分离是有好处的，Serialization手部署环境的影响相对不大，具有相对的通用性，而Encoding则关系到访问Service的性能以及互操作性等方面，和部署环境紧密相关。比如对于一个在一个Intranet内部使用的系统，往往处于提高Performance考虑，我们一般是使用TCP Transport结合Binary，可能在某一天出现的来自于Internet的潜在的调用，我们不得不改用Http作为Transport，并使用Text Encoding。由于Encoding是可配置的，所以在这种情况下，我们只需要改变Configuration文件就可以了。

DataContractSerializer

Serialization 是通过Serializer来完成的，在WCF中，我们有3种不同的Serializer——DataContractSerializer（定义在System.RunTime.Serializtion namespace中）、XMLSerializer（定义在System.XML.Serialization namespace）和NetDataContractSerializer (定义在System.XML.Serialization namespace) 。他们不同的方式实现.NET Object的Serialization。由于DataContractSerializer和NetDataContractSerializer基本上没有太大的区别，我们只讨论DataContractSerializer和XMLSerializer。其中DataContractSerializer为WCF默认的Serializer，如果没有显式定采用另外一种Serializer，WCF会创建一个DataContractSerializer 序列化NET Object。首先我们来讨论DataContractSerializer采用怎样的一种Mapping方式来把.NET Object转化成XML。我们照例用实验来说明问题。

我们创建两个类DataContractProduct和DataContractOrder用于表示产品和订单两个实体，读者完全可以命知道描述的内容，这里不作特别的介绍。 

 

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Runtime.Serialization;

namespace Artech.WCFSerialization
{
    [DataContract]
    public class DataContractProduct
    {
        Private Fields#region Private Fields
        private Guid _productID;
        private string _productName;
        private string _producingArea;
        private double _unitPrice;
        #endregion

        Constructors#region Constructors
        public DataContractProduct()
        {
            Console.WriteLine("The constructor of DataContractProduct has been invocated!");
        }

        public DataContractProduct(Guid id, string name, string producingArea, double price)
        {
            this._productID = id;
            this._productName = name;
            this._producingArea = producingArea;
            this._unitPrice = price;
        }

        #endregion

        Properties#region Properties
        [DataMember]
        public Guid ProductID
        {
            get { return _productID; }
            set { _productID = value; }
        }

        [DataMember]
        public string ProductName
        {
            get { return _productName; }
            set { _productName = value; }
        }

        [DataMember]
        private string ProducingArea
        {
            get { return _producingArea; }
            set { _producingArea = value; }
        }

        [DataMember]
        public double UnitPrice
        {
            get { return _unitPrice; }
            set { _unitPrice = value; }
        }

        #endregion

    }
}

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Runtime.Serialization;

namespace Artech.WCFSerialization
{
    [DataContract]
    [KnownType(typeof(DataContractOrder))]
    public class DataContractOrder
    {
        private Guid _orderID;
        private DateTime _orderDate;
        private DataContractProduct _product;
        private int _quantity;

        Constructors#region Constructors
        public DataContractOrder()
        {
            this._orderID = new Guid();
            this._orderDate = DateTime.MinValue;
            this._quantity = int.MinValue;

            Console.WriteLine("The constructor of DataContractOrder has been invocated!");
        }

        public DataContractOrder(Guid id, DateTime date, DataContractProduct product, int quantity)
        {
            this._orderID = id;
            this._orderDate = date;
            this._product = product;
            this._quantity = quantity;
        }
        #endregion

        Properties#region Properties
        [DataMember]
        public Guid OrderID
        {
            get { return _orderID; }
            set { _orderID = value; }
        }
        [DataMember]
        public DateTime OrderDate
        {
            get { return _orderDate; }
            set { _orderDate = value; }
        }
        [DataMember]
        public DataContractProduct Product
        {
            get { return _product; }
            set { _product = value; }
        }
        [DataMember]
        public int Quantity
        {
            get { return _quantity; }
            set { _quantity = value; }
        }
        #endregion

        public override string ToString()
        {
            return string.Format("ID: {0}\nDate:{1}\nProduct:\n\tID:{2}\n\tName:{3}\n\tProducing Area:{4}\n\tPrice:{5}\nQuantity:{6}",
                this._orderID, this._orderDate, this._product.ProductID, this._product.ProductName, this._product.ProducingArea, this._product.UnitPrice, this._quantity);
        }
    }
}

使用DataContractSerializer序列化.NET Object。相关的Type必须运用System.Runtime.Serialization. DataContractAttribute, 需要序列化的成员必须运用System.Runtime.Serialization. DataMemberAttribute。为了使我们能够了解DataContract默认的Mapping机制，我们暂时不在DataContractAttribute和DataMemberAttribute设置任何参数。下面我们 来编写具体的Serialization的代码：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Runtime.Serialization;
using System.Xml.Serialization;
using System.IO;
using System.Xml;
using System.Diagnostics;

namespace Artech.WCFSerialization
{
    class Program
    {
        static string _basePath = @"E:\Projects\Artech.WCFSerialization\Artech.WCFSerialization\";

        static void Main(string[] args)
        {
            SerializeViaDataContractSerializer();
        }
        static void SerializeViaDataContractSerializer()
        {
            DataContractProduct product = new DataContractProduct(Guid.NewGuid(), "Dell PC", "Xiamen FuJian", 4500);
            DataContractOrder order = new DataContractOrder(Guid.NewGuid(), DateTime.Today, product, 300);
            string fileName = _basePath + "Order.DataContractSerializer.xml";
            using (FileStream fs = new FileStream(fileName, FileMode.Create))
            {
                DataContractSerializer serializer = new DataContractSerializer(typeof(DataContractOrder));
                using (XmlDictionaryWriter writer = XmlDictionaryWriter.CreateTextWriter(fs))
                {
                    serializer.WriteObject(writer, order);
                }
            }
            Process.Start(fileName);
        }
    }
}

代码很简单，这里不作特别介绍。我们现在只关心生成XML是怎样的结构： 

这里我们总结出以下的Mapping关系：

1．        Root Element为对象的Type Name——DataContractOrder

2．        Type的Namespace会被加到XML根节点的Namespace中http://schemas.datacontract.org/2004/07/Artech.WCFSerialization

3．        对象的所有成员以XML Element的形式而不是以XML Attribute的形式输出。

4．        所以对象在XML的输出顺序是按照字母排序。

5．        所有成员的Elelement 名称为成员名称。

6．        不论成员设置怎样的作用域（public,protected，internal，甚至市Private），

所有运用了DataMemberAttribute的成员均被序列化到XML中——private string ProducingArea。

7．        Type和成员必须运用DataContractAttribute和DataMemberAttribute才能被序列化。

 

上面这些都是默认的Mapping关系，在通常情况下我们用默认的这种Mapping往往不能满足我们的需求，为了把.NET序列化成我们需要的XML 结构（比如我们的XmL必须于我们预先定义的XSD一致），我们可以在这两个Attribute（DataContractAttribute和DataMemberAttribute）制定相关的参数来实现。具体做法如下。

 

1．        Root Element可以通过DataContractAttribute中的Name参数定义。

2．        Namespace可以通过DataContractAttribute中的NameSpace参数定义。

3．        对象的成员只能以XML Element的形式被序列化。

4．        对象成员对应的XML Element在XML出现的位置可以通过DataMemberAttribute的Order参数来定义。

5．        对象成员对应的Element的名称可以通过DataMemberAttribute中的Name定义。

6．        如果不希望某个成员输出到XML中，可以去掉成员对应的DataMemberAttribute Attribute。

此外DataMemberAttribute还有连个额外的参数：

1．         IsRequired：制定该成员为必须的，如果通过工具生成XSD的话，对应的Element的minOccur=“1”

2．        EmitDefaultValue：制定是否输入没有赋值的成员（值为默认值）是否出现在XML中。

基于上面这些，现在我们修改我们的DataContractOrder和DataContractProduct。

 

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Runtime.Serialization;

namespace Artech.WCFSerialization
{
    [DataContract(Name = "product", Namespace = "http://Artech.WCFSerialization/Samples/Product")]
    public class DataContractProduct
    {
        Private Fields#region Private Fields
        private Guid _productID;
        private string _productName;
        private string _producingArea;
        private double _unitPrice;
        #endregion

        Constructors#region Constructors
        public DataContractProduct()
        {
            Console.WriteLine("The constructor of DataContractProduct has been invocated!");
        }

        public DataContractProduct(Guid id, string name, string producingArea, double price)
        {
            this._productID = id;
            this._productName = name;
            this._producingArea = producingArea;
            this._unitPrice = price;
        }

        #endregion

        Properties#region Properties
        [DataMember(Name ="id",Order = 1)]
        public Guid ProductID
        {
            get { return _productID; }
            set { _productID = value; }
        }

        [DataMember(Name = "name", Order = 2)]
        public string ProductName
        {
            get { return _productName; }
            set { _productName = value; }
        }

        [DataMember(Name = "producingArea", Order = 3)]
        internal string ProducingArea
        {
            get { return _producingArea; }
            set { _producingArea = value; }
        }

        [DataMember(Name = "price", Order = 4)]
        public double UnitPrice
        {
            get { return _unitPrice; }
            set { _unitPrice = value; }
        }

        #endregion

    }
}

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Runtime.Serialization;

namespace Artech.WCFSerialization
{
    [DataContract(Name ="order",Namespace="http://Artech.WCFSerialization/Samples/Order")]
    public class DataContractOrder
    {
        private Guid _orderID;
        private DateTime _orderDate;
        private DataContractProduct _product;
        private int _quantity;

        Constructors#region Constructors
        public DataContractOrder()
        {
            this._orderID = new Guid();
            this._orderDate = DateTime.MinValue;
            this._quantity = int.MinValue;

            Console.WriteLine("The constructor of DataContractOrder has been invocated!");
        }    [KnownType(typeof(DataContractOrder))]


        public DataContractOrder(Guid id, DateTime date, DataContractProduct product, int quantity)
        {
            this._orderID = id;
            this._orderDate = date;
            this._product = product;
            this._quantity = quantity;
        }
        #endregion

        Properties#region Properties
        [DataMember(Name ="id",Order =1)]
        public Guid OrderID
        {
            get { return _orderID; }
            set { _orderID = value; }
        }
        [DataMember(Name = "date", Order = 2)]
        public DateTime OrderDate
        {
            get { return _orderDate; }
            set { _orderDate = value; }
        }
        [DataMember(Name = "product", Order = 3)]
        public DataContractProduct Product
        {
            get { return _product; }
            set { _product = value; }
        }
        [DataMember(Name = "quantity", Order = 4)]
        public int Quantity
        {
            get { return _quantity; }
            set { _quantity = value; }
        }
        #endregion

        public override string ToString()
        {
            return string.Format("ID: {0}\nDate:{1}\nProduct:\n\tID:{2}\n\tName:{3}\n\tProducing Area:{4}\n\tPrice:{5}\nQuantity:{6}",
                this._orderID, this._orderDate, this._product.ProductID, this._product.ProductName, this._product.ProducingArea, this._product.UnitPrice, this._quantity);
        }
    }
}

再次进行序列化，看看得到的XML是什么样子？

<order xmlns="http://Artech.WCFSerialization/Samples/Order" xmlns:i="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance">
  <id>994b42c4-7767-4ed4-bdf8-033e99c00a64</id>
  <date>2007-03-09T00:00:00+08:00</date>
  <product xmlns:a="http://Artech.WCFSerialization/Samples/Product">
    <a:id>137e6c34-3758-413e-8f8a-83f26f78a174</a:id>
    <a:name>Dell PC</a:name>
    <a:producingArea>Xiamen FuJian</a:producingArea>
    <a:price>4500</a:price>
  </product>
  <quantity>300</quantity>
</order>

注：对于DataContract Serializer，这里有两点需要我们注意的：

1．         由于Serialization是对数据的不同结构或形态的转化，在转化过程中必须预先知道两种数据相关的原数据（Metadata）。而对于每个.NET对象来说，它的数据结果存放在他所对应的Assembly的原数据表中（Metadata Table），这些原数据表定义的每个定义在该Assembly中的Type的成员定义——包括成员的Type，访问作用域，成员名称，以及运用在成员上的所有Attribute。原则上，只要知道.NET对象对应的Type,我们就可以通过反射（Reflection）的机制分析出该对象的结构。在该例子中，Serializer要序列化DataContractOrder的对象，必须首先知道该对象所属的Type——这个Type通过构造函数传递给Serializer。但是DataContractOrder定义了一个特殊的成员Product，他属于我们的自定义Type：DataContractProduct（这里需要特别指出的是对于.NET的基元类型——Primary Type和一半的常用Type——比如DateTime，Guid等等，Serializer可以自动识别，所以不用特别指定），Serializer是不会识别这个对象的，所以我们需要在定义DataContractOrder的时候运用KnownType Attribute来这个Type。

2．         因为在传统的分布式应用中，我们广泛地采用Serializable Attribute来表明该对象是可以序列化的，DataContract Serializer对这种机制也是支持的。

上面我们讲了Serialization，它的本质就是把.NETObject转化具有一定结构的XML Infoset。被序列化的成的XML Infoset记过Encoding被进一步转化成适合在网络上传递的字节流。当这些字节流从一个Application传递到另一个Application，由于我们的程序的业务逻辑处理的是一个个的.NET对象，所以在目标Application, 会以一个相反的过程把接收到的字节流重构成为和原来一样的.NET Object——目标Application对接收到的字节流记过Decoding转化成XML Infoset，然后通过创建和用于序列化过程一致的Serializer通过Deserialization重建一个.NET Object。所以这就对Serializer提出了要求——它必须为Managed Type的结构和XML的结构提供可逆性的保证——我们把一个.NET Object序列化成一组XML，然后对这组XML进行反序列化重建的对象必须和原来一致。

现在我们在验证这种一致性。在上面的Sample中，我们创建了一个DataContractOrder对象，对它进行序列化并把生成的XML保存的一个文件里面（Order.DataContractSerializer.xml），现在我们都读取这个文件的内容，把它反序列化成DataContractOrder 对象，看它的内容是否和原来一样。下面是Deserialization的逻辑。

static void DeserializeViaDataContractSerializer()
        {
            string fileName = _basePath + "Order.DataContractSerializer.xml";
            DataContractOrder order;
            using (FileStream fs = new FileStream(fileName, FileMode.Open))
            {
                DataContractSerializer serializer = new DataContractSerializer(typeof(DataContractOrder));
                using (XmlDictionaryReader reader = XmlDictionaryReader.CreateTextReader(fs, new XmlDictionaryReaderQuotas()))
                {
                    order = serializer.ReadObject(reader) as DataContractOrder;
                }
            }

            Console.WriteLine(order);
            Console.Read();
        }

调用这个方法，通过在控制台输出DataContractOrder的内容，我们可以确定，通过Deserialization生成的DataContractOrder 对象和原来的对象具有一样的内容。

 通过这里进入Part II。


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