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详解Java中的clone方法 -- 原型模式

分类: 文章 • 2024-03-15 10:51:11

Java中对象的创建

clone顾名思义就是复制， 在Java语言中， clone方法被对象调用，所以会复制对象。所谓的复制对象，首先要分配一个和源对象同样大小的空间，在这个空间中创建一个新的对象。那么在java语言中，有几种方式可以创建对象呢？

  1. 使用new操作符创建一个对象

  2. 使用clone方法复制一个对象

那么这两种方式有什么相同和不同呢？ new操作符的本意是分配内存。程序在执行new操作符时，首先会去查看new操作符后面的类型，知道了类型之后才知道需要为该new操作分配多大的内存。分配内存后，再调用构造函数，填充对象到各个域，这一步叫做对象的初始化，构造方法返回后，一个对象创建完毕，可以把他的引用(地址)发布到外部，在外部就可以使用这个引用操作这个对象了。而clone在第一步是和new相似的，都是分配内存，调用clone方法时，分配的内存对象(即调用clone方法的对象)相同，然后在再使用原对象中对应的各个域，填充新对象的域，填充完成之后，clone方法返回，一个新的相同的对象被创建，同样可以把这个新对象的引用发布到外部。

复制对象 or 复制引用

在Java中，以下类似的代码非常常见：

Person person = new Person(23,"zhunode");
Person p1 = person;
System.out.println(person);
System.out.println(p1);

当Person p1 = person在执行时候，是创建了一个新的对象吗？首先看看打印的结果：

[email protected]
[email protected]

可以看出，打印的地址是相同的，表明 person 和 p1 引用的是同一个对象(该对象是Person(23,"zhunode")，可以把这种现象叫做引用的复制。（关于引用和对象的区分，可以参考我之前的文章Java中的String为什么是不可变的？ -- String源码分析 ， 其中有一节讲到了引用和对象的区分）。上面代码执行完成之后， 内存中的情景如下图所示：

详解Java中的clone方法 -- 原型模式

而下面的代码是真真正正的克隆了一个对象。

public static void main(String[] args) {
    Person person = new Person(23,"zhunode");
    try {
        Person p1 = (Person)person.clone();
        System.out.println(person);
        System.out.println(p1);
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

从打印结果可以看出，两个对象的地址是不同的，也就是说创建了新的对象， 而不是把原对象的地址赋给了一个新的引用变量：

[email protected]
[email protected]

内存代码执行完成后，内存中的情况如下所示：

详解Java中的clone方法 -- 原型模式

深拷贝 or 浅拷贝

上面的示例代码中，Person中有两个成员变量，分别是name和age，name是String类型，age是int类型。代码非常简单，如下所示：

public class Person implements Cloneable{

    public int age;
    public String name;

    public int getAge() { return age; }
    public void setAge(int age) { this.age = age; }
    public String getName() { return name; }
    public void setName(String name) { this.name = name; }
    public Person(){}
    public Person(int age, String name){
        this.age = age;
        this.name = name;
    }
    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

由于age是基本数据类型， 那么对它的拷贝没有什么疑议，直接将一个4字节的整数值拷贝过来就行。但是name是String类型的， 它只是一个引用， 指向一个真正的String对象，那么对它的拷贝有两种方式： 直接将源对象中的name的引用值拷贝给新对象的name字段， 或者是根据原Person对象中的name指向的字符串对象创建一个新的相同的字符串对象，将这个新字符串对象的引用赋给新拷贝的Person对象的name字段。这两种拷贝方式分别叫做浅拷贝和深拷贝。深拷贝和浅拷贝的原理如下图所示：
详解Java中的clone方法 -- 原型模式

下面进行验证。如果两个Person对象的name的地址相同，表明两个对象都指向同一个String对象，也就是浅拷贝，而如果两个对象的name的地址值不同，纳闷就说明指向不同的String对象，也就是拷贝Person对象的时候，同时拷贝了name引用的String对象，也就是深拷贝。验证代码如下：

public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person(23,"zhunode");
        try {
            Person p1 = (Person)person.clone();
            System.out.println(person);
            System.out.println(p1);
            String result = p1.getName() == person.getName() ? "clone是浅拷贝":"clone是深拷贝的";
            System.out.println(result);
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

打印结果为：

[email protected]
[email protected]
clone是浅拷贝

现在为了要在clone对象时进行深拷贝， 那么就要Clonable接口，覆盖并实现clone方法，除了调用父类中的clone方法得到新的对象， 还要将该类中的引用变量也clone出来。如果只是用Object中默认的clone方法，是浅拷贝的，再次以下面的代码验证：

 public static void main(String[] args) {
        Body body = new Body(new Head());
        try {
            Body body1 = (Body) body.clone();
            System.out.println("body == body1:"+(body == body1));
            System.out.println("body.head == body1.head :" + (body.head == body1.head));
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    static class Body implements Cloneable{
        public Head head;
        public Body(){}

        public Body(Head head){this.head = head;}
        @Override
        protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            return super.clone();
        }
    }

    static class Head {
        public Face face;
        public Head(){}
        public Head(Face face){this.face = face;}
    }

    static class Face{}

在以上代码中，有两个主要的类，分别为Body和Face，在Body类中，组合一个Face对象。当对Body对象进行clone时，它组合的Face对象只进行了浅拷贝。打印结果可以验证该结论：

body == body1:false
body.head == body1.head :true

如果要使用Body对象在clone时进行深拷贝，那么就要在Body的clone方法中，将源对象引用的Head对象cone一份。

public static void main(String[] args) {
        Body body = new Body(new Head());
        try {
            Body body1 = (Body) body.clone();
            System.out.println("body == body1:"+(body == body1));
            System.out.println("body.head == body1.head :" + (body.head == body1.head));
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    static class Body implements Cloneable{
        public Head head;
        public Body(){}

        public Body(Head head){this.head = head;}
        @Override
        protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            Body newBody = (Body) super.clone();
            newBody.head = (Head) head.clone();
            return newBody;
        }
    }

    static class Head implements Cloneable{
        public Face face;
        public Head(){}
        public Head(Face face){this.face = face;}

        @Override
        public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            return super.clone();
        }
    }

    static class Face{}

打印结果如下：

body == body1:false
body.head == body1.head :false

由此可见， body和body1内的head引用指向了不同的Head对象， 也就是说在clone Body对象的同时， 也拷贝了它所引用的Head对象， 进行了深拷贝。


真的是深拷贝吗

由上一节的内容可以得出如下结论：如果想要深拷贝一个对象， 这个对象必须要实现Cloneable接口，实现clone方法，并且在clone方法内部，把该对象引用的其他对象也要clone一份 ， 这就要求这个被引用的对象必须也要实现Cloneable接口并且实现clone方法。

那么，按照上面的结论， Body类组合了Head类， 而Head类组合了Face类，要想深拷贝Body类，必须在Body类的clone方法中将Head类也要拷贝一份，但是在拷贝Head类时，默认执行的是浅拷贝，也就是说Head中组合的Face对象并不会被拷贝。验证代码如下：（这里本来只给出Face类的代码就可以了， 但是为了阅读起来具有连贯性，避免丢失上下文信息， 还是给出整个程序，整个程序也非常简短）

 public static void main(String[] args) {
        Body body = new Body(new Head(new Face));
        try {
            Body body1 = (Body) body.clone();
            System.out.println("body == body1:"+(body == body1));
            System.out.println("body.head == body1.head :" + (body.head == body1.head));
            System.out.println("body.head.face == body1.head.face:"+ (body.head.face == body1.head.face));
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    static class Body implements Cloneable{
        public Head head;
        public Body(){}

        public Body(Head head){this.head = head;}
        @Override
        protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            Body newBody = (Body) super.clone();
            newBody.head = (Head) head.clone();
            return newBody;
        }
    }

    static class Head implements Cloneable{
        public Face face;
        public Head(){}
        public Head(Face face){this.face = face;}

        @Override
        public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            return super.clone();
        }
    }

    static class Face{}

打印结果如下：

body == body1:false
body.head == body1.head :false
body.head.face == body1.head.face:true

内存结构如下图所示：

详解Java中的clone方法 -- 原型模式

那么，对Body对象来说，算是这算是深拷贝吗？其实应该算是深拷贝，因为对Body对象内所引用的其他对象（目前只有Head）都进行了拷贝，也就是说两个独立的Body对象内的head引用已经指向了独立的两个Head对象。但是，这对于两个Head对象来说，他们指向了同一个Face对象，这就说明，两个Body对象还是有一定的联系，并没有完全的独立。这应该说是一种不彻底的深拷贝。

如何进行彻底的深拷贝

对于上面的例子来说，怎样才能保证两个Body对象完全独立呢？只要拷贝Head对象的时候，也将Face对象拷贝一份就可以了。这需要让Face类也实现Cloneable接口，实现clone方法，并且在Head对象的clone方法中，拷贝它所引用的Face对象修改部分代码如下：

public static void main(String[] args) {
        Body body = new Body(new Head(new Face()));
        try {
            Body body1 = (Body) body.clone();
            System.out.println("body == body1:"+(body == body1));
            System.out.println("body.head == body1.head :" + (body.head == body1.head));
            System.out.println("body.head.face == body1.head.face:"+ (body.head.face == body1.head.face));
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    static class Body implements Cloneable{
        public Head head;
        public Body(){}

        public Body(Head head){this.head = head;}
        @Override
        protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            Body newBody = (Body) super.clone();
            newBody.head = (Head) head.clone();
            return newBody;
        }
    }

    static class Head implements Cloneable{
        public Face face;
        public Head(){}
        public Head(Face face){this.face = face;}

        @Override
        public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            Head newHead = (Head)super.clone();
            newHead.face = (Face)this.face.clone();
            return newHead;
        }
    }

    static class Face implements Cloneable{
        @Override
        public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            return super.clone();
        }
    }

输出结果如下：

body == body1:false
body.head == body1.head :false
body.head.face == body1.head.face:false

这说明两个Body已经完全独立，他们简介引用face对象已经被拷贝，也就是引用了独立的Face对象。内存结构如下：

详解Java中的clone方法 -- 原型模式

依此类推，如果Face对象还引用了其他的对象，比如说Mouth，如果不经过处理，Body对象拷贝之后还是会通过一级一级的引用，引用到同一个Mount对象。同理，如果要让Body在引用链上完全独立，只能显示的让Mount对象也被拷贝。

到此，可以得到如下结论：如果在拷贝一个对象时，要想让这个拷贝的对象和源对象完全彼此独立，那么在引用链上的每一级对象都要被显式的拷贝。所以创建彻底的深拷贝是非常麻烦的，尤其是在引用关系非常复杂的情况下， 或者在引用链的某一级上引用了一个第三方的对象， 而这个对象没有实现clone方法， 那么在它之后的所有引用的对象都是被共享的。 举例来说，如果被Head引用的Face类是第三方库中的类，并且没有实现Cloneable接口，那么在Face之后的所有对象都会被拷贝前后的两个Body对象共同引用。假设Face对象内部组合了Mouth对象，并且Mouth对象内部组合了Tooth对象， 内存结构如下图：
详解Java中的clone方法 -- 原型模式

写在最后

clone在平时项目的开发中可能用的不是很频繁，但是区分深拷贝和浅拷贝会让我们对java内存结构和运行方式有更深的了解。至于彻底深拷贝，几乎是不可能实现的，原因已经在上一节中进行了说明。深拷贝和彻底深拷贝，在创建不可变对象时，可能对程序有着微妙的影响，可能会决定我们创建的不可变对象是不是真的不可变。clone的一个重要的应用也是用于不可变对象的创建。关于创建不可变对象，我会在后续的文章中进行阐述，敬请期待。

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作者：张纪刚 
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