详解Java中的clone方法:原型模式

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 相似的, 都是分配内存,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。

复制对象 or 复制引用

在Java中,以下类似的代码非常常见:

Person p = new Person(23, "zhang");
Person p1 = p;

System.out.println(p);
System.out.println(p1);

当Person p1 = p;执行之后, 是创建了一个新的对象吗? 首先看打印结果:

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

可已看出,打印的地址值是相同的,既然地址都是相同的,那么肯定是同一个对象。p和p1只是引用而已,他们都指向了一个相同的对象Person(23, “zhang”) 。 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:

而下面的代码是真真正正的克隆了一个对象。

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

System.out.println(p);  
System.out.println(p1);

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:

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

以上代码执行完成后, 内存中的情景如下图所示:

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{

	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:

下面通过代码进行验证。如果两个Person对象的name的地址值相同, 说明两个对象的name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, 那么就说明指向不同的String对象, 也就是在拷贝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:

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

String result = p.getName() == p1.getName()   
        ? "clone是浅拷贝的" : "clone是深拷贝的";  

System.out.println(result);

打印结果为:

clone是浅拷贝的

所以,clone方法执行的是浅拷贝, 在编写程序时要注意这个细节。

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));  

}

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));  

}

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。

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)

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));  

}

打印结果为:

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

内存结构图如下图所示:

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?只要在拷贝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,并且在在Head对象的clone方法中,拷贝它所引用的Face对象。修改的部分代码如 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();  
    }  
}

再次运行上面的示例,得到的运行结果如下:

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

这说名两个Body已经完全独立了,他们间接引用的face对象已经被拷贝,也就是引用了独立的Face对象。内存结构图如下:

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:

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。

原文发布于微信公众号 - java一日一条(mjx_java)

原文发表时间:2015-06-11

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