用C++优雅的实现对象到文件的序列化/反序列化

需求

.　　在写代码的过程中，经常会需要把代码层面的对象数据保存到文件，而这些数据会以各种格式存储．例如：json，xml，二进制等等．最近恰好就需要把对象以二进制存储到硬盘．这是一个很简单的需求，相比json，xml格式，二进制是直接把字节copy到硬盘，没有中间商赚差价，所以这实现起来相对容易．

实现

struct Vec3 {
    float x;
    float y;
    float z;
}

.　　上面是一个简单的三维向量结构体，如何把它序列化到文件呢？

Vec3 v;
v.x = 1.0f;
v.y = 2.0f;
v.z = 3.0f;
os.write((const char *)&v, sizeof(Vec3));

.　　上述是序列化Vec3对象数据到文件的代码，非常直接．它的内存布局是3个浮点型变量紧凑排列，要把它存储到硬盘，只要从头到尾按字节拷贝即可．但是，在实际开发中，要序列化的对象不可能全部都是内存紧凑排列的，例如STL容器．

std::vector<Vec3> vec;

.　　如果将容器变量从头到尾拷贝到文件，必然会出现错误．因为容器内部通过一个指针来访问存储的对象，而直接拷贝这个容器，只会把指针拷贝，指针指向的数据却丢失了．但是，容器提供了一个可以直接访问指针指向数据的接口，我们可以通过这个接口得到数据然后直接拷贝．

os.write((const char *)&vec, vec.size() * sizeof(Vec3));        //  错误, 仅拷贝指针
os.write((const char *)vec.data(), vec.size() * sizeof(Vec3));  //  正确, 数据被完全拷贝

.　　通过这个方法就可以得到正确的拷贝结果了．通常，好的做法是将序列化和反序列化封装成接口，以便于使用，如何封装接口，就是这篇文章的主题．

.　　从上述两个例子可以发现，对于单体对象和数组对象，编写的代码是不一样的，单体对象直接拷贝，数组对象需要通过 .data() 取得数据地址再进行拷贝．而考虑到还有嵌套数组对象 std::vector<std::vector<Vec3>>．对于嵌套数组序列化的代码可能如下：

std::vector<std::vector<Vec3>> vec2;
for (auto & vec: vec2)
{
    os.write((const char *)vec.data(), vec.size() * sizeof(Vec3));
}

.　　可以发现，对嵌套数组对象的序列化代码跟上述2种对象又不一样，考虑到还有N层嵌套的数组对象．此外，在C++中有一个可平凡复制的概念，通俗的说，就是可以直接按字节拷贝的结构称之为可平凡复制，上述的Vec3则是一个可平凡复制结构，而STL容器则不是可平凡复制结构，除此之外还有更多不可平凡复制且非容器的结构，故此，如果要封装接口，除了区分单体对象和数组对象，还要区分可平凡复制和不可平凡复制．

void Serialize(std::ostream & os,   const Type & val);  //  序列化
void Deserialize(std::istream & is,       Type & val);  //  反序列化

.　　上面是比较理想的接口原型，序列化/反序列化各一个接口，脑补一下，这两个接口的实现应该是怎样的？最直接的实现是对每一种类型重载一个定义，例如：

//  string
void Serialize(std::ostream & os, const std::string & val)
{
    os.write(str.data(), str.size());
}
//  vector<int>
void Serialize(std::ostream & os, const std::vector<int> & val)
{
    os.write(str.data(), str.size() * sizeof(int));
}
//  vector<string>
void Serialize(std::ostream & os, const std::vector<std::string> & val)
{
    for (auto & str: val)
    {
        Serialize(os, str);
    }
}

//  接口调用
std::string str;
std::vector<int> vecint;
std::vector<std::string> vecstr;
Serialize(os, str);
Serialize(os, vecint);
Serialize(os, vecstr);

.　　从上面可以看出，接口统一，使用方便．但是对每一种类型都重载，要写的代码实在太多了，万一要序列化一个多层嵌套数组，会写的怀疑人生．借助C++强大的语言特性，这一切都可以一步到位．

//  POD
template <class T, typename std::enable_if_t<std::is_trivially_copyable_v<T>, int> N = 0>
void Serialize(std::ostream & os, const T & val)
{
    os.write((const char *)&val, sizeof(T));
}

//  容器
template <class T, typename std::enable_if_t<
    std::is_same_v<typename T::iterator, decltype(std::declval<T>().begin())> &&
    std::is_same_v<typename T::iterator, decltype(std::declval<T>().end())>, int> N = 0>
    void Serialize(std::ostream & os, const T & val)
{
    unsigned int size = val.size();
    os.write((const char *)&size, sizeof(size));
    for (auto & v : val) { Serialize(os, v); }
}

//  POD
template <class T, typename std::enable_if_t<std::is_trivially_copyable_v<T>, int> N = 0>
void Deserialize(std::istream & is, T & val)
{
    is.read((char *)&val, sizeof(T));
}

//  容器
template <class T, typename std::enable_if_t<
    std::is_same_v<typename T::iterator, decltype(std::declval<T>().begin())> &&
    std::is_same_v<typename T::iterator, decltype(std::declval<T>().end())>, int> N = 0>
    void Deserialize(std::istream & is, T & val)
{
    unsigned int size = 0;
    is.read((char *)&size, sizeof(unsigned int));
    val.resize(size);
    for (auto & v : val) { Deserialize(is, v); }
}

.　　以上实现可序列化任意可平凡拷贝结构，并且也可序列化任意嵌套层数的STL风格数组．而对于不可平凡复制结构，只需要针对该结构重载即可．借助C++强大的类型推导机制和SFINEA机制，可保证类型安全又具备可扩展性．

落单的毛毛虫

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