C 语言序列化和反序列化

一、核心概念：什么是序列化与反序列化？

在计算机科学中，序列化（Serialization） 和 反序列化（Deserialization） 是数据持久化与传输的核心技术。

  • 序列化：将内存中的数据结构（如结构体、数组等）转换为二进制字节流的过程。这个字节流可以存储到文件、数据库，或通过网络传输到其他设备。
  • 反序列化：将二进制字节流还原为内存中可用数据结构的过程，是序列化的逆操作。

典型应用场景

  • 数据持久化：将程序运行时的临时数据（如用户信息、配置参数）保存到文件，下次启动时恢复。
  • 网络通信：不同进程/设备间通过网络传输数据时，需将数据转换为无格式的二进制流（避免文本协议的解析开销）。
  • 跨平台协作：确保不同系统（如Windows/Linux）间数据格式兼容（需注意字节序问题）。

二、C 语言实现序列化与反序列化

C 语言作为面向过程的语言，没有内置的序列化库，但可以通过文件操作函数（如 fwrite/fread）直接操作二进制数据，实现轻量级序列化。以下是完整实现与详细解析。

1. 数据结构定义

首先定义需要序列化的目标结构体。本例以学生信息为例：

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typedef struct {
    char name[50];   // 姓名（固定长度字符串）
    int age;         // 年龄（整型）
    float score;     // 分数（浮点型）
} Student;

选择固定长度的字符数组存储字符串，避免动态内存（如 char* name）带来的序列化复杂度（需额外记录指针地址和内存长度）。

2. 序列化函数实现

序列化函数的核心是将结构体内存块整体写入二进制文件。

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void serialize(Student *student, const char *filename) {
    FILE *file = fopen(filename, "wb");  // "wb"：二进制写模式（覆盖模式）
    if (file == NULL) {                  // 检查文件是否成功打开
        perror("无法打开文件");           // 打印错误信息（如权限不足、路径错误）
        return;
    }
    // 写入操作：参数依次为 数据指针、单元素大小、元素数量、文件指针
    fwrite(student, sizeof(Student), 1, file); 
    fclose(file);  // 关闭文件释放资源
}
  • 关键函数：fwrite的作用是将内存中的一段连续字节写入文件。
    • 第一个参数 student：指向待写入数据的指针（结构体内存块的起始地址）。
    • 第二个参数 sizeof(Student)：单次写入的元素大小（整个结构体的字节长度）。
    • 第三个参数 1：仅写入1个这样的元素（即整个结构体）。
    • 第四个参数 file：目标文件指针。

3. 反序列化函数实现

反序列化函数从二进制文件中读取字节流，并还原为结构体实例。

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void deserialize(Student *student, const char *filename) {
    FILE *file = fopen(filename, "rb");  // "rb"：二进制读模式
    if (file == NULL) {
        perror("无法打开文件");
        return;
    }
    // 读取操作：参数含义与 fwrite 一致
    fread(student, sizeof(Student), 1, file); 
    fclose(file);
}
  • 关键函数：fread 与 fwrite 是一对“镜像”函数，负责从文件读取字节流到内存。

4. 主函数验证

主函数演示完整的序列化-反序列化流程：

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int main() {
    // 初始化原始数据
    Student original_student;
    strncpy(original_student.name, "Alice", sizeof(original_student.name)-1);  // 避免字符串溢出
    original_student.name[sizeof(original_student.name)-1] = '\0';             // 手动添加终止符
    original_student.age = 20;
    original_student.score = 95.5;

    // 序列化：写入文件
    const char *filename = "student_data.bin";
    serialize(&original_student, filename);
    printf("序列化完成，数据已写入 %s
", filename);  // 输出提示（无空行）

    // 反序列化：读取文件
    Student deserialized_student;
    deserialize(&deserialized_student, filename);
    printf("反序列化完成，读取的数据如下：
");
    printf("姓名: %s
", deserialized_student.name);   // 输出：Alice
    printf("年龄: %d
", deserialized_student.age);       // 输出：20
    printf("分数: %.1f
", deserialized_student.score);   // 输出：95.5

    return 0;
}
  • 注意事项 ：
  • 字符串赋值使用 strncpy 而非 strcpy，避免目标数组溢出（name 数组长度为50，需预留终止符空间）。
  • 手动设置字符串终止符 \0，确保 printf 正确输出（strncpy 不会自动添加）。

三、方案局限性与优化方向

本例的实现适用于固定内存布局的结构体，但存在以下限制：

  1. 动态内存不友好：若结构体包含指针（如 char* name），fwrite 会仅保存指针地址而非实际字符串内容，反序列化后指针失效。
  2. 跨平台兼容性：不同系统的字节序（大端/小端）可能导致浮点数或整型数据解析错误（需手动处理字节序）。
  3. 可读性差：二进制文件无法直接查看内容（需借助工具如 hexdump）。

四、完整代码

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 定义学生结构体
typedef struct {
    char name[50];   // 姓名（固定长度）
    int age;         // 年龄
    float score;     // 分数
} Student;

// 序列化：将结构体写入二进制文件
void serialize(Student *student, const char *filename) {
    FILE *file = fopen(filename, "wb");
    if (!file) {
        perror("无法打开文件");
        return;
    }
    fwrite(student, sizeof(Student), 1, file);  // 写入整个结构体内存块
    fclose(file);
}

// 反序列化：从二进制文件读取结构体
void deserialize(Student *student, const char *filename) {
    FILE *file = fopen(filename, "rb");
    if (!file) {
        perror("无法打开文件");
        return;
    }
    fread(student, sizeof(Student), 1, file);   // 读取整个结构体内存块
    fclose(file);
}

int main() {
    // 初始化原始数据
    Student original = {.name = "Alice", .age = 20, .score = 95.5};  // C99指定初始化

    // 序列化
    const char *filename = "student_data.bin";
    serialize(&original, filename);
    printf("序列化完成，数据已写入 %s
", filename);

    // 反序列化
    Student restored;
    deserialize(&restored, filename);
    printf("反序列化结果：
");
    printf("姓名: %s
年龄: %d
分数: %.1f
", restored.name, restored.age, restored.score);

    return 0;
}