死磕Java面試系列：深拷貝與淺拷貝的實現原理

深拷貝與淺拷貝的問題，也是面試中的常客。雖然大家都知道兩者表現形式不同點在哪裡，但是很少去深究其底層原理，也不知道怎麼才能優雅的實現一個深拷貝。其實工作中也常常需要實現深拷貝，今天一燈就帶大家一塊深入剖析一下深拷貝與淺拷貝的實現原理，並手把手教你怎麼優雅的實現深拷貝。

1. 什麼是深拷貝與淺拷貝

淺拷貝： 只拷貝棧記憶體中的數據，不拷貝堆記憶體中數據。

深拷貝： 既拷貝棧記憶體中的數據，又拷貝堆記憶體中的數據。

2. 淺拷貝的實現原理

由於淺拷貝只拷貝了棧記憶體中數據，棧記憶體中存儲的都是基本數據類型，堆記憶體中存儲了數組、引用數據類型等。

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使用程式碼驗證一下：

想要實現clone功能，需要實現 Cloneable 介面，並重寫 clone 方法。

  1. 先創建一個用戶類
// 用戶的實體類，用作驗證
public class User implements Cloneable {
    private String name;
    
    // 每個用戶都有一個工作
    private Job job;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Job getJob() {
        return job;
    }

    public void setJob(Job job) {
        this.job = job;
    }


    @Override
    public User clone() throws CloneNotSupportedException {
        User user = (User) super.clone();
        return user;
    }
}
  1. 再創建一個工作類
// 工作的實體類，並沒有實現Cloneable介面
public class Job {
    private String content;

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }
}
  1. 測試淺拷貝
/**
 * @author 一燈架構
 * @apiNote Java淺拷貝示例
 **/
public class Demo {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        // 1. 創建用戶對象，{"name":"一燈架構","job":{"content":"開發"}}
        User user1 = new User();
        user1.setName("一燈架構");
        Job job1 = new Job();
        job1.setContent("開發");
        user1.setJob(job1);

        // 2. 拷貝用戶對象，name修改為"張三"，工作內容修改"測試"
        User user2 = user1.clone();
        user2.setName("張三");
        Job job2 = user2.getJob();
        job2.setContent("測試");
        
        // 3. 輸出結果
        System.out.println("user原對象= " + user1);
        System.out.println("user拷貝對象= " + user2);
    }

}

輸出結果：

user原對象= {"name":"一燈架構","job":{"content":"測試"}}
user拷貝對象= {"name":"張三","job":{"content":"測試"}}

從結果中可以看出，對象拷貝把name修改為」張三「，原對象並沒有變，name是String類型，是基本數據類型，存儲在棧記憶體中。對象拷貝了一份新的棧記憶體數據，修改並不會影響原對象。

然後對象拷貝把Job中content修改為」測試「，原對象也跟著變了，原因是Job是引用類型，存儲在堆記憶體中。對象拷貝和原對象指向的同一個堆記憶體的地址，所以修改會影響到原對象。

3. 深拷貝的實現原理

深拷貝是既拷貝棧記憶體中的數據，又拷貝堆記憶體中的數據。

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實現深拷貝有很多種方法，下面就詳細講解一下，看使用哪種方式更方便快捷。

3.1 實現Cloneable介面

通過實現Cloneable介面來實現深拷貝是最常見的。

想要實現clone功能，需要實現Cloneable介面，並重寫clone方法。

  1. 先創建一個用戶類
// 用戶的實體類，用作驗證
public class User implements Cloneable {
    private String name;
    
    // 每個用戶都有一個工作
    private Job job;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Job getJob() {
        return job;
    }

    public void setJob(Job job) {
        this.job = job;
    }


    @Override
    public User clone() throws CloneNotSupportedException {
        User user = (User) super.clone();
        // User對象中所有引用類型屬性都要執行clone方法
        user.setJob(user.getJob().clone());
        return user;
    }
}
  1. 再創建一個工作類
// 工作的實體類，需要實現Cloneable介面
public class Job implements Cloneable {
    private String content;

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    @Override
    protected Job clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Job) super.clone();
    }
}
  1. 測試淺拷貝
/**
 * @author 一燈架構
 * @apiNote Java深拷貝示例
 **/
public class Demo {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        // 1. 創建用戶對象，{"name":"一燈架構","job":{"content":"開發"}}
        User user1 = new User();
        user1.setName("一燈架構");
        Job job1 = new Job();
        job1.setContent("開發");
        user1.setJob(job1);

        // 2. 拷貝用戶對象，name修改為"張三"，工作內容修改"測試"
        User user2 = user1.clone();
        user2.setName("張三");
        Job job2 = user2.getJob();
        job2.setContent("測試");
        
        // 3. 輸出結果
        System.out.println("user原對象= " + user1);
        System.out.println("user拷貝對象= " + user2);
    }

}

輸出結果：

user原對象= {"name":"一燈架構","job":{"content":"開發"}}
user拷貝對象= {"name":"張三","job":{"content":"測試"}}

從結果中可以看出，user拷貝對象修改了name屬性和Job對象中內容，都沒有影響到原對象，實現了深拷貝。

通過實現Cloneable介面的方式來實現深拷貝，是Java中最常見的實現方式。

缺點是： 比較麻煩，需要所有實體類都實現Cloneable介面，並重寫clone方法。如果實體類中新增了一個引用對象類型的屬性，還需要添加到clone方法中。如果繼任者忘了修改clone方法，相當於挖了一個坑。

3.2 使用JSON字元串轉換

實現方式就是：

  1. 先把user對象轉換成json字元串
  2. 再把json字元串轉換成user對象

這是個偏方，但是偏方治大病，使用起來非常方便，一行程式碼即可實現。

下面使用fastjson實現，使用Gson、Jackson也是一樣的：

import com.alibaba.fastjson.JSON;


/**
 * @author 一燈架構
 * @apiNote Java深拷貝示例
 **/
public class Demo {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        // 1. 創建用戶對象，{"name":"一燈架構","job":{"content":"開發"}}
        User user1 = new User();
        user1.setName("一燈架構");
        Job job1 = new Job();
        job1.setContent("開發");
        user1.setJob(job1);

        //// 2. 拷貝用戶對象，name修改為"張三"，工作內容修改"測試"
        User user2 = JSON.parseObject(JSON.toJSONString(user1), User.class);
        user2.setName("張三");
        Job job2 = user2.getJob();
        job2.setContent("測試");

        // 3. 輸出結果
        System.out.println("user原對象= " + JSON.toJSONString(user1));
        System.out.println("user拷貝對象= " + JSON.toJSONString(user2));
    }

}

輸出結果：

user原對象= {"name":"一燈架構","job":{"content":"開發"}}
user拷貝對象= {"name":"張三","job":{"content":"測試"}}

從結果中可以看出，user拷貝對象修改了name屬性和Job對象中內容，並沒有影響到原對象，實現了深拷貝。

3.3 集合實現深拷貝

再說一下Java集合怎麼實現深拷貝？

其實非常簡單，只需要初始化新對象的時候，把原對象傳入到新對象的構造方法中即可。

以最常用的ArrayList為例：

/**
 * @author 一燈架構
 * @apiNote Java深拷貝示例
 **/
public class Demo {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        // 1. 創建原對象
        List<User> userList = new ArrayList<>();

        // 2. 創建深拷貝對象
        List<User> userCopyList = new ArrayList<>(userList);
    }

}

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