深入理解Java中的Clone与深拷贝和浅拷贝

 

1.Java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？ 

• 使用new操作符创建一个对象。
• 使用clone方法复制一个对象。

使用new和clone的区别：

• new操作符的本意是分配内存。程序执行到new操作符时， 首先去看new操作符后面的类型，因为知道了类型，才能知道要分配多大的内存空间。分配完内存之后，再调用构造函数，填充对象的各个域，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纵这个对象。
• 而clone在第一步是和new操作符相似的，都是进行内存空间的分配，调用clone方法时分配的内存和源对象(即调用clone方法的对象)相同。然后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。

2.复制对象or引用对象

在Java中，以下类似的代码非常常见:

public class Student implements Cloneable{

    private int StuId;
    private String StuName;
    private int StuAge;

    public Student(int stuId, String stuName, int stuAge) {
        super();
        StuId = stuId;
        StuName = stuName;
        StuAge = stuAge;
    }

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

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public class CloneTest {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Student stu1 = new Student(0,"zhangsan",20);        
        Student stu2 = stu1;

        System.out.println("stu1 = " + stu1);
        System.out.println("stu2 = " + stu2);
    }
}

运行结果:
stu1 = Student@3c635421
stu2 = Student@3c635421

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从运行的结果可以看出：打印的地址值是一样的，既然地址都是一样的，那么肯定是同一个对象。stu1和stu2只是引用而已，它们都指向了一个相同的对象Student(0,”zhangsan”,20);可以把这种现象叫做引用的复制。执行完上面的代码之后，内存中的情况如下图：

public class CloneTest {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {

        Student stu3 = new Student(1,"lisi",20);

        Student stu4 = (Student) stu3.clone();

        System.out.println("stu3 = " + stu3);

        System.out.println("stu4 = " + stu4);

    }

}

运行结果:

stu3 = Student@7bc2f501

stu4 = Student@3c635421

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

执行完以上代码后，内存中的情况如下图：

3.深拷贝or浅拷贝

在上面的示例代码中,Student中有三个成员变量，分别是StuId、StuName、StuAge,其中StuName是String类型，StuId和StuAge是int类型。由于StuId和StuAge是基本数据类型，那么对它们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可以了。但是StuName是String类型，它只是一个引用，指向一个真正的String对象，那么对它的拷贝分为两种方式：

• 浅拷贝：直接将源对象中的StuName的引用值拷贝给新对象的StuName字段。
• 深拷贝 ：根据原Student对象中的StuName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值给新拷贝的Student对象的StuName字段。

深拷贝和浅拷贝的原理如下图所示：

下面通过代码进行验证，如果两个Student对象的StuName的地址值相同,说明两个对象的StuName都指向了同一个String对象，也就是浅拷贝;而如果两个对象的StuName的地址值不同,那么就说明指向不同的String对象,也就是在拷贝Student对象的时候，同时拷贝了StuName引用的对象，也就是深拷贝，代码如下：

public class CloneTest {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Student stu1 = new Student(0,"zhangsan",20);        
        Student stu2 = (Student) stu1.clone();

        System.out.println("stu1 = " + stu1);
        System.out.println("stu2 = " + stu2);

        System.out.println("stu1.StuName == stu2.StuName : " + (stu1.getStuName()==stu2.getStuName()));
    }
}

运行结果:
stu1 = Student@1df0a2a0
stu2 = Student@2144c5bb
stu1.StuName == stu2.StuName : true

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从运行结果可以看出，Object中默认的的clone方法执行的是浅拷贝。

4.覆盖Object中的clone方法， 实现深拷贝

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： 

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 /*implements Cloneable*/{  
    public  Face face;  

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

}   
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {  

    Body body = new Body(new Head());  

    Body body1 = (Body) body.clone();  

    System.out.println("body == body1 : " + (body == body1) );  

    System.out.println("body.head == body1.head : " +  (body.head == body1.head));  


}  

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在以上代码中， 有两个主要的类， 分别为Body和Face， 在Body类中， 组合了一个Face对象。当对Body对象进行clone时， 它组合的Face对象只进行浅拷贝。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对象也clone一份。

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  
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
        return super.clone();  
    }  
}   
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {  

    Body body = new Body(new Head());  

    Body body1 = (Body) body.clone();  

    System.out.println("body == body1 : " + (body == body1) );  

    System.out.println("body.head == body1.head : " +  (body.head == body1.head));  


}  

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打印结果为：

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。

5.真的为深拷贝吗？

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：

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  
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
        return super.clone();  
    }  
}   

static class Face{}  

public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {  

    Body body = new Body(new Head(new Face()));  

    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));  


}  

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打印结果为：

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

内存结构图如下：

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。

6.如何彻底的深拷贝

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Mouth对象。同理， 如果要让Body在引用链上完全独立， 只能显式的让Mouth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：

7.参考博文

详解Java中的clone方法 – 原型模式

Java中的深拷贝与浅拷贝

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