詳解Java中的clone方法

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。那麼在java語言中，有幾種方式可以創建對象呢？ 
1 使用new操作符創建一個對象 2 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內存。程序執行到new操作符時， 首先去看new操作符後面的類型，因爲知道了類型，才能知道要分配多大的內存空間。分配完內存之後，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）發佈到外部，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， 都是分配內存，調用clone方法時，分配的內存和源對象（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佈到外部。 

複製對象 or 複製引用

在Java中，以下類似的代碼非常常見：

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

當Person p1 = p;執行之後， 是創建了一個新的對象嗎？ 首先看打印結果： 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，那麼肯定是同一個對象。p和p1只是引用而已，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。 （關於引用和對象的區分，可以參考我之前的文章Java中的String爲什麼是不可變的？ -- String源碼分析 ， 其中有一節講到了引用和對象的區分）。上面代碼執行完成之後， 內存中的情景如下圖所示： 

而下面的代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);

從打印結果可以看出，兩個對象的地址是不同的，也就是說創建了新的對象， 而不是把原對象的地址賦給了一個新的引用變量： com.pansoft.zhangjg.testclone.Person@2f9ee1ac
com.pansoft.zhangjg.testclone.Person@67f1fba0

以上代碼執行完成後， 內存中的情景如下圖所示： 

深拷貝 or 淺拷貝

上面的示例代碼中，Person中有兩個成員變量，分別是name和age， name是String類型， age是int類型。代碼非常簡單，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字節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： 直接將源對象中的name的引用值拷貝給新對象的name字段， 或者是根據原Person對象中的name指向的字符串對象創建一個新的相同的字符串對象，將這個新字符串對象的引用賦給新拷貝的Person對象的name字段。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： 

下面通過代碼進行驗證。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。驗證代碼如下：

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

打印結果爲： p.getName().hashCode() : 115864556
p1.getName().hashCode() : 115864556
clone是淺拷貝的

所以，clone方法執行的是淺拷貝， 在編寫程序時要注意這個細節。 

覆蓋Object中的clone方法， 實現深拷貝

現在爲了要在clone對象時進行深拷貝， 那麼就要Clonable接口，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量也clone出來。如果只是用Object中默認的clone方法，是淺拷貝的，再次以下面的代碼驗證： 

	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));
		
		
	}

在以上代碼中， 有兩個主要的類， 分別爲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。打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));
		
		
	}

打印結果爲： 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

由上一節的內容可以得出如下結論：如果想要深拷貝一個對象， 這個對象必須要實現Cloneable接口，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接口並且實現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。驗證代碼如下：（這裏本來只給出Face類的代碼就可以了， 但是爲了閱讀起來具有連貫性，避免丟失上下文信息， 還是給出整個程序，整個程序也非常簡短）

	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));
		
		
	}

打印結果爲： body == body1 : false
body.head == body1.head : false
body.head.face == body1.head.face : true

內存結構圖如下圖所示： 

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，因爲對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接口，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。修改的部分代碼如下：

	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。內存結構圖如下： 



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接口，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， 內存結構如下圖： 

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內存結構和運行方式有更深的瞭解。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，可能對程序有着微妙的影響，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。