详解Java中的clone方法 -- 原型模式

参考链接： Java 对象clone

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。