深入淺出Java中的clone克隆方法，寫得太棒了！

2019 年 10 月 6 日
筆記

Java中對象的創建

clone 顧名思義就是複製，在Java語言中， clone方法被對象調用，所以會複製對象。所謂的複製對象，首先要分配一個和源對象同樣大小的空間，在這個空間中創建一個新的對象。

我們回顧一下：在java語言中，有幾種方式可以創建對象呢？

使用new操作符創建一個對象
使用clone方法複製一個對象

那麼這兩種方式有什麼相同和不同呢？

new操作符的本意是分配記憶體。程式執行到new操作符時，首先去看new操作符後面的類型，因為知道了類型，才能知道要分配多大的記憶體空間。分配完記憶體之後，再調用構造函數，填充對象的各個域，這一步叫做對象的初始化，構造方法返回後，一個對象創建完畢，可以把他的引用（地址）發布到外部，在外部就可以使用這個引用操縱這個對象。

而clone在第一步是和new相似的，都是分配記憶體，調用clone方法時，分配的記憶體和源對象（即調用clone方法的對象）相同，然後再使用原對象中對應的各個域，填充新對象的域，填充完成之後，clone方法返回，一個新的相同的對象被創建，同樣可以把這個新對象的引用發布到外部。

複製對象 or 複製引用

在Java中，以下類似的程式碼非常常見：

Person p = new Person(23, "zhang");  Person p1 = p;    System.out.println(p);  System.out.println(p1);

列印結果：

com.pansoft.zhangjg.testclone.Person@2f9ee1ac  com.pansoft.zhangjg.testclone.Person@2f9ee1ac

可以看出，列印的地址值是相同的，既然地址都是相同的，那麼肯定是同一個對象。p和p1隻是引用而已，他們都指向了一個相同的對象Person(23, "zhang") 。可以把這種現象叫做 引用的複製 。

上面程式碼執行完成之後，記憶體中的情景如下圖所示：

而下面的程式碼是真真正正的克隆了一個對象：

Person p = new Person(23, "zhang");  Person p1 = (Person) p.clone();    System.out.println(p);  System.out.println(p1);

列印結果:

com.pansoft.zhangjg.testclone.Person@2f9ee1ac  com.pansoft.zhangjg.testclone.Person@67f1fba0

以上程式碼執行完成後，記憶體中的情景如下圖所示：

深拷貝 or 淺拷貝

上面的示例程式碼中，Person中有兩個成員變數，分別是name和age， name是String類型， age是int類型。程式碼非常簡單，如下所示：

public class Person implements Cloneable{        private int age ;      private String name;        public Person(int age, String name) {          this.age = age;          this.name = name;      }        public Person() {}        public int getAge() {          return age;      }        public String getName() {          return name;      }        @Override      protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {          return (Person)super.clone();      }  }

由於age是基本數據類型，那麼對它的拷貝沒有什麼疑議，直接將一個4位元組的整數值拷貝過來就行。但是name是String類型的，它只是一個引用，指向一個真正的String對象，那麼對它的拷貝有兩種方式：

①直接將源對象中的name的引用值拷貝給新對象的name欄位；

②根據原Person對象中的name指向的字元串對象創建一個新的相同的字元串對象，將這個新字元串對象的引用賦給新拷貝的Person對象的name欄位。

這兩種拷貝方式分別叫做 淺拷貝 和 深拷貝 。

深拷貝和淺拷貝的原理如下圖所示：

下面通過程式碼進行驗證。推薦閱讀：Java 中的 String 真的是不可變的嗎？

如果兩個Person對象的name的地址值相同，說明兩個對象的name都指向同一個String對象，也就是淺拷貝，而如果兩個對象的name的地址值不同，那麼就說明指向不同的String對象，也就是在拷貝Person對象的時候，同時拷貝了name引用的String對象，也就是深拷貝。驗證程式碼如下：

Person p = new Person(23, "zhang");  Person p1 = (Person) p.clone();    String result = p.getName() == p1.getName()          ? "clone是淺拷貝的" : "clone是深拷貝的";    System.out.println(result);

列印結果:

clone是淺拷貝的

所以，clone方法執行的是淺拷貝，在編寫程式時要注意這個細節。

如果想要實現深拷貝，可以通過覆蓋Object中的clone方法的方式。

現在為了要在clone對象時進行深拷貝，那麼就要Clonable介面，覆蓋並實現clone方法，除了調用父類中的clone方法得到新的對象，還要將該類中的引用變數也clone出來。如果只是用Object中默認的clone方法，是淺拷貝的，再次以下面的程式碼驗證：

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));      }

在以上程式碼中，有兩個主要的類，分別為Body和Face，在Body類中，組合了一個Face對象。當對Body對象進行clone時，它組合的Face對象只進行淺拷貝。列印結果可以驗證該結論：

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

如果要使Body對象在clone時進行深拷貝，那麼就要在Body的clone方法中，將源對象引用的Head對象也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));      }

列印結果:

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

由此可見， body和body1內的head引用指向了不同的Head對象，也就是說在clone Body對象的同時，也拷貝了它所引用的Head對象，進行了深拷貝。

真的是深拷貝嗎

通過上面的講解我們已經知道：如果想要深拷貝一個對象，這個對象必須要實現Cloneable介面，實現clone方法，並且在clone方法內部，把該對象引用的其他對象也要clone一份，這就要求這個被引用的對象必須也要實現Cloneable介面並且實現clone方法。

那麼，按照上面的結論， Body類組合了Head類，而Head類組合了Face類，要想深拷貝Body類，必須在Body類的clone方法中將Head類也要拷貝一份，但是在拷貝Head類時，默認執行的是淺拷貝，也就是說Head中組合的Face對象並不會被拷貝。

驗證程式碼如下：（這裡本來只給出Face類的程式碼就可以了，但是為了閱讀起來具有連貫性，避免丟失上下文資訊，還是給出整個程式，整個程式也非常簡短）

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));      }

列印結果:

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

記憶體結構圖如下圖所示：

那麼，對Body對象來說，算是這算是深拷貝嗎？其實應該算是深拷貝，因為對Body對象內所引用的其他對象（目前只有Head）都進行了拷貝，也就是說兩個獨立的Body對象內的head引用已經指向了獨立的兩個Head對象。

但是，這對於兩個Head對象來說，他們指向了同一個Face對象，這就說明，兩個Body對象還是有一定的聯繫，並沒有完全的獨立。這應該說是一種 不徹底的深拷貝 。

如何進行徹底的深拷貝

對於上面的例子來說，怎樣才能保證兩個Body對象完全獨立呢？只要在拷貝Head對象的時候，也將Face對象拷貝一份就可以了。這需要讓Face類也實現Cloneable介面，實現clone方法，並且在在Head對象的clone方法中，拷貝它所引用的Face對象。修改的部分程式碼如下：

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();          Head newHead = (Head) super.clone();          newHead.face = (Face) this.face.clone();          return newHead;      }  }    static class Face implements Cloneable{      @Override      protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {          return super.clone();      }  }

再次運行上面的示例，得到的運行結果如下：

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

這說名兩個Body已經完全獨立了，他們間接引用的face對象已經被拷貝，也就是引用了獨立的Face對象。記憶體結構圖如下：

依此類推，如果Face對象還引用了其他的對象，比如說Mouth，如果不經過處理，Body對象拷貝之後還是會通過一級一級的引用，引用到同一個Mouth對象。同理，如果要讓Body在引用鏈上完全獨立，只能顯式的讓Mouth對象也被拷貝。

到此，可以得到如下結論：如果在拷貝一個對象時，要想讓這個拷貝的對象和源對象完全彼此獨立，那麼在引用鏈上的每一級對象都要被顯式的拷貝。所以創建徹底的深拷貝是非常麻煩的，尤其是在引用關係非常複雜的情況下，或者在引用鏈的某一級上引用了一個第三方的對象，而這個對象沒有實現clone方法，那麼在它之後的所有引用的對象都是被共享的。

舉例來說，如果被Head引用的Face類是第三方庫中的類，並且沒有實現Cloneable介面，那麼在Face之後的所有對象都會被拷貝前後的兩個Body對象共同引用。假設Face對象內部組合了Mouth對象，並且Mouth對象內部組合了Tooth對象，記憶體結構如下圖：

寫在最後

clone在平時項目的開發中可能用的不是很頻繁，但是區分深拷貝和淺拷貝會讓我們對java記憶體結構和運行方式有更深的了解。至於徹底深拷貝，幾乎是不可能實現的，原因已經在上一節中進行了說明。

深拷貝和徹底深拷貝，在創建不可變對象時，可能對程式有著微妙的影響，可能會決定我們創建的不可變對象是不是真的不可變。clone的一個重要的應用也是用於不可變對象的創建。關於創建不可變對象，我會在後續的文章中進行闡述，敬請期待。

Tags: