Last modified: April 24, 2021

This article is written in: 🇵🇱

Serializacja

Serializacja to proces przekształcania obiektów lub struktur danych w format, który można łatwo przechowywać, przesyłać i odtwarzać. Dzięki serializacji możemy zapisać stan obiektu w pliku, przesłać go przez sieć lub przechowywać w bazie danych, a następnie w dowolnym momencie przywrócić go do pierwotnej postaci poprzez deserializację. Jest to kluczowy mechanizm w programowaniu, który umożliwia efektywną wymianę danych między różnymi systemami i komponentami.

+--------------------+       Serializacja        +-----------------+
|    Obiekt Pythona  | ------------------------> |     Bajty        |
+--------------------+                           +-----------------+
        ^                                                  |
        |                                                  |
        |                 Deserializacja                   |
        |                                                  |
        |                                                  v
+--------------------+       Deserializacja       +-----------------+
|       Bajty        | <------------------------  |   Obiekt Pythona |
+--------------------+                           +-----------------+

Zastosowania serializacji

Serializacja znajduje zastosowanie w wielu obszarach programowania:

• Umożliwia zapisanie aktualnego stanu obiektów do pliku lub bazy danych, co pozwala na późniejsze odtworzenie ich w identycznym stanie. Jest to szczególnie przydatne w aplikacjach wymagających zachowania sesji użytkownika czy danych pomiędzy uruchomieniami programu.
• Dzięki serializacji możemy przesyłać złożone struktury danych przez sieć, np. między klientem a serwerem, nawet jeśli są napisane w różnych językach programowania.
• Proces serializacji i deserializacji pozwala na utworzenie głębokiej kopii obiektu, w którym wszystkie zagnieżdżone obiekty są również kopiowane.
• Podczas migracji danych między różnymi wersjami aplikacji czy systemów, serializacja umożliwia zachowanie integralności i struktury danych.
• Serializacja binarna może zmniejszyć rozmiar danych, co jest istotne w systemach o ograniczonej przestrzeni dyskowej lub przepustowości sieci.
• Umożliwia szyfrowanie zserializowanych danych przed ich przesłaniem lub zapisaniem, co zwiększa poziom bezpieczeństwa aplikacji.
• Pozwala na wymianę danych między aplikacjami napisanymi w różnych językach programowania poprzez użycie uniwersalnych formatów, takich jak JSON czy XML.

Serializacja z użyciem modułu pickle

W Pythonie jednym z podstawowych narzędzi do serializacji jest moduł pickle. Pozwala on na konwersję niemal dowolnych obiektów Pythona do ciągu bajtów i odwrotnie. Poniżej przedstawiono przykład, jak można zserializować i deserializować obiekt klasy Czlowiek:

import pickle

class Czlowiek:
    def __init__(self, imie, numer):
        self.imie = imie
        self.numer = numer

    def __repr__(self):
        return f'Imię: {self.imie}, Numer: {self.numer}'

# Ścieżka do pliku, w którym zapiszemy dane
sciezka = 'przyklad.pickle'

# Serializacja obiektu
with open(sciezka, 'wb') as plik:
    obiekt = Czlowiek('James', 10)
    pickle.dump(obiekt, plik)

# Deserializacja obiektu
with open(sciezka, 'rb') as plik:
    obiekt = pickle.load(plik)
    print(obiekt)

Po uruchomieniu tego kodu, otrzymamy wynik:

Imię: James, Numer: 10

Ostrzeżenie dotyczące bezpieczeństwa

Korzystając z modułu pickle, należy zachować ostrożność. Deserializacja danych z niezaufanych źródeł może być niebezpieczna, ponieważ może prowadzić do wykonania złośliwego kodu. Dlatego zaleca się używanie pickle tylko z danymi pochodzącymi z zaufanych źródeł. W sytuacjach wymagających większego bezpieczeństwa warto rozważyć użycie innych formatów, takich jak JSON czy XML.

Serializacja z użyciem modułu json

Format JSON (JavaScript Object Notation) jest jednym z najpopularniejszych formatów do wymiany danych między aplikacjami, zwłaszcza w kontekście aplikacji webowych. Python oferuje moduł json, który pozwala na serializację i deserializację obiektów do formatu JSON.

import json

class Czlowiek:
    def __init__(self, imie, numer):
        self.imie = imie
        self.numer = numer

    def to_dict(self):
        return {'imie': self.imie, 'numer': self.numer}

    @classmethod
    def from_dict(cls, dane):
        return cls(dane['imie'], dane['numer'])

# Serializacja obiektu do JSON
obiekt = Czlowiek('James', 10)
json_str = json.dumps(obiekt.to_dict())
print(json_str)

Wynik:

{"imie": "James", "numer": 10}

Aby zdeserializować dane z formatu JSON:

# Deserializacja obiektu z JSON
dane = json.loads(json_str)
obiekt = Czlowiek.from_dict(dane)
print(obiekt)

Wynik:

Imię: James, Numer: 10

Serializacja z użyciem modułu xml.etree.ElementTree

Format XML (eXtensible Markup Language) jest kolejnym popularnym formatem do przechowywania i wymiany danych. W Pythonie możemy użyć modułu xml.etree.ElementTree do pracy z danymi XML.

import xml.etree.ElementTree as ET

class Czlowiek:
    def __init__(self, imie, numer):
        self.imie = imie
        self.numer = numer

    def to_xml(self):
        czlowiek = ET.Element('Czlowiek')
        imie_elem = ET.SubElement(czlowiek, 'Imie')
        imie_elem.text = self.imie
        numer_elem = ET.SubElement(czlowiek, 'Numer')
        numer_elem.text = str(self.numer)
        return ET.tostring(czlowiek, encoding='unicode')

    @classmethod
    def from_xml(cls, xml_data):
        root = ET.fromstring(xml_data)
        imie = root.find('Imie').text
        numer = int(root.find('Numer').text)
        return cls(imie, numer)

# Serializacja obiektu do XML
obiekt = Czlowiek('James', 10)
xml_str = obiekt.to_xml()
print(xml_str)

Wynik:

<czlowiek><imie>James</imie><numer>10</numer></czlowiek>

Deserializacja z XML:

# Deserializacja obiektu z XML
obiekt = Czlowiek.from_xml(xml_str)
print(obiekt)

Wynik:

Imię: James, Numer: 10

Diagram ilustrujący proces serializacji

Aby lepiej zrozumieć proces serializacji i deserializacji, spójrzmy na poniższy diagram:

+-----------------------+
|     Obiekt Pythona    |
+-----------+-----------+
            |
            |  Serializacja
            v
+-----------------------+
|     Format danych     |
|   (JSON, XML, bajty)  |
+-----------+-----------+
            |
            |  Deserializacja
            v
+-----------------------+
|     Obiekt Pythona    |
+-----------------------+

Proces ten polega na przekształceniu obiektu Pythona w format danych, który można łatwo przechowywać lub przesyłać, a następnie przywróceniu go do pierwotnej postaci.

Praktyczne zastosowanie serializacji

Wyobraźmy sobie aplikację, w której użytkownik tworzy złożone obiekty, takie jak profile użytkowników, konfiguracje czy stany gry. Chcemy umożliwić zapisanie tych obiektów do pliku, aby można było je później wczytać lub przesłać innym użytkownikom.

Zapis stanu gry do pliku JSON

import json

class Postac:
    def __init__(self, imie, poziom, ekwipunek):
        self.imie = imie
        self.poziom = poziom
        self.ekwipunek = ekwipunek

    def to_dict(self):
        return {
            'imie': self.imie,
            'poziom': self.poziom,
            'ekwipunek': self.ekwipunek
        }

    @classmethod
    def from_dict(cls, dane):
        return cls(dane['imie'], dane['poziom'], dane['ekwipunek'])

# Tworzenie obiektu postaci
postac = Postac('Aragorn', 20, ['Miecz', 'Tarcza', 'Pierścień'])

# Serializacja do JSON i zapis do pliku
with open('postac.json', 'w') as plik:
    json.dump(postac.to_dict(), plik)

# Deserializacja z pliku JSON
with open('postac.json', 'r') as plik:
    dane = json.load(plik)
    postac_wczytana = Postac.from_dict(dane)

print(f"Imię: {postac_wczytana.imie}, Poziom: {postac_wczytana.poziom}, Ekwipunek: {postac_wczytana.ekwipunek}")

Wynik:

Imię: Aragorn, Poziom: 20, Ekwipunek: ['Miecz', 'Tarcza', 'Pierścień']

Przesyłanie danych między aplikacjami

Jeśli chcemy przesłać dane między różnymi aplikacjami lub usługami sieciowymi, możemy użyć formatu JSON lub XML, który jest uniwersalny i obsługiwany przez wiele języków programowania.

Uwagi dotyczące bezpieczeństwa

Podczas korzystania z serializacji, szczególnie z modułem pickle, należy być świadomym potencjalnych zagrożeń. Deserializacja danych z nieznanych źródeł może prowadzić do wykonania złośliwego kodu. Zawsze upewnij się, że dane pochodzą z zaufanego źródła lub używaj bezpieczniejszych metod serializacji, takich jak JSON, które nie wykonują kodu podczas deserializacji.