深克隆和淺克隆的實現原理
使用克隆可以爲我們快速地構建出一個已有對象的副本，它屬於 Java 基礎的一部分，什麼是淺克隆和深克隆？如何實現克隆？
1）深克隆和淺克隆的區別
淺克隆（Shadow Clone）是把原型對象中成員變量爲值類型的屬性都複製給克隆對象，把原型對象中成員變量爲引用類型的引用地址也複製給克隆對象，也就是原型對象中如果有成員變量爲引用對象，則此引用對象的地址是共享給原型對象和克隆對象的。簡單來說就是淺克隆只會複製原型對象，但不會複製它所引用的對象，如下圖所示：
深克隆（Deep Clone）是將原型對象中的所有類型，無論是值類型還是引用類型，都複製一份給克隆對象，也就是說深克隆會把原型對象和原型對象所引用的對象，都複製一份給克隆對象，如下圖所示：
在 Java 語言中要實現克隆則需要實現 Cloneable 接口，並重寫 Object 類中的 clone() 方法，實現代碼如下：
public class CloneExample {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
// 創建被賦值對象
People p1 = new People();
p1.setId(1);
p1.setName("Java");
// 克隆 p1 對象
People p2 = (People) p1.clone();
// 打印名稱
System.out.println("p2:" + p2.getName());
}
static class People implements Cloneable {
// 屬性
private Integer id;
private String name;
/**
* 重寫 clone 方法
* @throws CloneNotSupportedException
*/
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
public Integer getId() {
return id;
}
public void setId(Integer id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
}
以上程序執行的結果爲：
p2:Java
2）知識擴展
2.1）clone() 源碼分析
要想真正的瞭解克隆，首先要從它的源碼入手，代碼如下：
/**
* Creates and returns a copy of this object. The precise meaning
* of "copy" may depend on the class of the object. The general
* intent is that, for any object {@code x}, the expression:
* <blockquote>
* <pre>
* x.clone() != x</pre></blockquote>
* will be true, and that the expression:
* <blockquote>
* <pre>
* x.clone().getClass() == x.getClass()</pre></blockquote>
* will be {@code true}, but these are not absolute requirements.
* While it is typically the case that:
* <blockquote>
* <pre>
* x.clone().equals(x)</pre></blockquote>
* will be {@code true}, this is not an absolute requirement.
* <p>
* By convention, the returned object should be obtained by calling
* {@code super.clone}. If a class and all of its superclasses (except
* {@code Object}) obey this convention, it will be the case that
* {@code x.clone().getClass() == x.getClass()}.
* <p>
* By convention, the object returned by this method should be independent
* of this object (which is being cloned). To achieve this independence,
* it may be necessary to modify one or more fields of the object returned
* by {@code super.clone} before returning it. Typically, this means
* copying any mutable objects that comprise the internal "deep structure"
* of the object being cloned and replacing the references to these
* objects with references to the copies. If a class contains only
* primitive fields or references to immutable objects, then it is usually
* the case that no fields in the object returned by {@code super.clone}
* need to be modified.
* <p>
* ......
*/
protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
從以上源碼的註釋信息中我們可以看出，Object 對 clone() 方法的約定有三條：
- 對於所有對象來說，x.clone() !=x 應當返回 true，因爲克隆對象與原對象不是同一個對象；
- 對於所有對象來說，x.clone().getClass() == x.getClass() 應當返回true，因爲克隆對象與原對象的類型是一樣的；
- 對於所有對象來說，x.clone().equals(x) 應當返回 true，因爲使用 equals 比較時，它們的值都是相同的。
除了註釋信息外，我們看 clone() 的實現方法，發現 clone() 是使用 native 修飾的本地方法，因此執行的性能會很高，並且它返回的類型爲 Object，因此在調用克隆之後要把對象強轉爲目標類型纔行。
2.2）Arrays.copyOf()
如果是數組類型，我們可以直接使用 Arrays.copyOf() 來實現克隆，實現代碼如下：
People[] o1 = {new People(1, "Java")};
People[] o2 = Arrays.copyOf(o1, o1.length);
// 修改原型對象的第一個元素的值
o1[0].setName("Jdk");
System.out.println("o1:" + o1[0].getName());
System.out.println("o2:" + o2[0].getName());
以上程序的執行結果爲：
o1:Jdk
o2:Jdk
從結果可以看出，我們在修改克隆對象的第一個元素之後，原型對象的第一個元素也跟着被修改了，這說明 Arrays.copyOf() 其實是一個淺克隆。
因爲數組比較特殊數組本身就是引用類型，因此在使用 Arrays.copyOf() 其實只是把引用地址複製了一份給克隆對象，如果修改了它的引用對象，那麼指向它的（引用地址）所有對象都會發生改變，因此看到的結果是，修改了克隆對象的第一個元素，原型對象也跟着被修改了。
2.3）深克隆實現方式彙總
深克隆的實現方式有很多種，大體可以分爲以下幾類：
- 所有對象都實現克隆方法；
- 通過構造方法實現深克隆；
- 使用 JDK 自帶的字節流實現深克隆；
- 使用第三方工具實現深克隆，比如 Apache Commons Lang；
- 使用 JSON 工具類實現深克隆，比如 Gson、FastJSON 等。
接下來我們分別來實現以上這些方式，在開始之前先定義一個公共的用戶類，代碼如下：
/**
* 用戶類
*/
public class People {
private Integer id;
private String name;
private Address address; // 包含 Address 引用對象
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
/**
* 地址類
*/
public class Address {
private Integer id;
private String city;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
可以看出在 People 對象中包含了一個引用對象 Address。
2.3.1）所有對象都實現克隆
這種方式我們需要修改 People 和 Address 類，讓它們都實現 Cloneable 的接口，讓所有的引用對象都實現克隆，從而實現 People 類的深克隆，代碼如下：
public class CloneExample {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
// 創建被賦值對象
Address address = new Address(110, "北京");
People p1 = new People(1, "Java", address);
// 克隆 p1 對象
People p2 = p1.clone();
// 修改原型對象
p1.getAddress().setCity("西安");
// 輸出 p1 和 p2 地址信息
System.out.println("p1:" + p1.getAddress().getCity() +
" p2:" + p2.getAddress().getCity());
}
/**
* 用戶類
*/
static class People implements Cloneable {
private Integer id;
private String name;
private Address address;
/**
* 重寫 clone 方法
* @throws CloneNotSupportedException
*/
@Override
protected People clone() throws CloneNotSupportedException {
People people = (People) super.clone();
people.setAddress(this.address.clone()); // 引用類型克隆賦值
return people;
}
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
/**
* 地址類
*/
static class Address implements Cloneable {
private Integer id;
private String city;
/**
* 重寫 clone 方法
* @throws CloneNotSupportedException
*/
@Override
protected Address clone() throws CloneNotSupportedException {
return (Address) super.clone();
}
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
}
以上程序的執行結果爲：
p1:西安 p2:北京
從結果可以看出，當我們修改了原型對象的引用屬性之後，並沒有影響克隆對象，這說明此對象已經實現了深克隆。
2.3.2）通過構造方法實現深克隆
《Effective Java》 中推薦使用構造器（Copy Constructor）來實現深克隆，如果構造器的參數爲基本數據類型或字符串類型則直接賦值，如果是對象類型，則需要重新 new 一個對象，實現代碼如下：
public class SecondExample {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
// 創建對象
Address address = new Address(110, "北京");
People p1 = new People(1, "Java", address);
// 調用構造函數克隆對象
People p2 = new People(p1.getId(), p1.getName(),
new Address(p1.getAddress().getId(), p1.getAddress().getCity()));
// 修改原型對象
p1.getAddress().setCity("西安");
// 輸出 p1 和 p2 地址信息
System.out.println("p1:" + p1.getAddress().getCity() +
" p2:" + p2.getAddress().getCity());
}
/**
* 用戶類
*/
static class People {
private Integer id;
private String name;
private Address address;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
/**
* 地址類
*/
static class Address {
private Integer id;
private String city;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
}
以上程序的執行結果爲：
p1:西安 p2:北京
從結果可以看出，當我們修改了原型對象的引用屬性之後，並沒有影響克隆對象，這說明此對象已經實現了深克隆。
2.3.3）通過字節流實現深克隆
通過 JDK 自帶的字節流實現深克隆的方式，是先將要原型對象寫入到內存中的字節流，然後再從這個字節流中讀出剛剛存儲的信息，來作爲一個新的對象返回，那麼這個新對象和原型對象就不存在任何地址上的共享，這樣就實現了深克隆，代碼如下：
import java.io.*;
public class ThirdExample {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
// 創建對象
Address address = new Address(110, "北京");
People p1 = new People(1, "Java", address);
// 通過字節流實現克隆
People p2 = (People) StreamClone.clone(p1);
// 修改原型對象
p1.getAddress().setCity("西安");
// 輸出 p1 和 p2 地址信息
System.out.println("p1:" + p1.getAddress().getCity() +
" p2:" + p2.getAddress().getCity());
}
/**
* 通過字節流實現克隆
*/
static class StreamClone {
public static <T extends Serializable> T clone(People obj) {
T cloneObj = null;
try {
// 寫入字節流
ByteArrayOutputStream bo = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bo);
oos.writeObject(obj);
oos.close();
// 分配內存,寫入原始對象,生成新對象
ByteArrayInputStream bi = new ByteArrayInputStream(bo.toByteArray());//獲取上面的輸出字節流
ObjectInputStream oi = new ObjectInputStream(bi);
// 返回生成的新對象
cloneObj = (T) oi.readObject();
oi.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return cloneObj;
}
}
/**
* 用戶類
*/
static class People implements Serializable {
private Integer id;
private String name;
private Address address;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
/**
* 地址類
*/
static class Address implements Serializable {
private Integer id;
private String city;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
}
以上程序的執行結果爲：
p1:西安 p2:北京
此方式需要注意的是，由於是通過字節流序列化實現的深克隆，因此每個對象必須能被序列化，必須實現 Serializable 接口，標識自己可以被序列化，否則會拋出異常 (java.io.NotSerializableException)。
2.3.4）通過第三方工具實現深克隆
本課時使用 Apache Commons Lang 來實現深克隆，實現代碼如下：
import org.apache.commons.lang3.SerializationUtils;
import java.io.Serializable;
/**
* 深克隆實現方式四：通過 apache.commons.lang 實現
*/
public class FourthExample {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
// 創建對象
Address address = new Address(110, "北京");
People p1 = new People(1, "Java", address);
// 調用 apache.commons.lang 克隆對象
People p2 = (People) SerializationUtils.clone(p1);
// 修改原型對象
p1.getAddress().setCity("西安");
// 輸出 p1 和 p2 地址信息
System.out.println("p1:" + p1.getAddress().getCity() +
" p2:" + p2.getAddress().getCity());
}
/**
* 用戶類
*/
static class People implements Serializable {
private Integer id;
private String name;
private Address address;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
/**
* 地址類
*/
static class Address implements Serializable {
private Integer id;
private String city;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
}
以上程序的執行結果爲：
p1:西安 p2:北京
可以看出此方法和第三種實現方式類似，都需要實現 Serializable 接口，都是通過字節流的方式實現的，只不過這種實現方式是第三方提供了現成的方法，讓我們可以直接調用。
2.3.5）通過 JSON 工具類實現深克隆
本課時我們使用 Google 提供的 JSON 轉化工具 Gson 來實現，其他 JSON 轉化工具類也是類似的，實現代碼如下：
import com.google.gson.Gson;
/**
* 深克隆實現方式五：通過 JSON 工具實現
*/
public class FifthExample {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
// 創建對象
Address address = new Address(110, "北京");
People p1 = new People(1, "Java", address);
// 調用 Gson 克隆對象
Gson gson = new Gson();
People p2 = gson.fromJson(gson.toJson(p1), People.class);
// 修改原型對象
p1.getAddress().setCity("西安");
// 輸出 p1 和 p2 地址信息
System.out.println("p1:" + p1.getAddress().getCity() +
" p2:" + p2.getAddress().getCity());
}
/**
* 用戶類
*/
static class People {
private Integer id;
private String name;
private Address address;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
/**
* 地址類
*/
static class Address {
private Integer id;
private String city;
// 忽略構造方法、set、get 方法
}
}
以上程序的執行結果爲：
p1:西安 p2:北京
使用 JSON 工具類會先把對象轉化成字符串，再從字符串轉化成新的對象，因爲新對象是從字符串轉化而來的，因此不會和原型對象有任何的關聯，這樣就實現了深克隆，其他類似的 JSON 工具類實現方式也是一樣的。
3）克隆設計理念猜想
對於克隆爲什麼要這樣設計，官方沒有直接給出答案，只能憑藉一些經驗和源碼文檔來試着回答一下這個問題。Java 中實現克隆需要兩個主要的步驟，一是 實現 Cloneable 空接口，二是重寫 Object 的 clone() 方法再調用父類的克隆方法 (super.clone()，那爲什麼要這麼做？
從源碼中可以看出 Cloneable 接口誕生的比較早，JDK 1.0 就已經存在了，因此從那個時候就已經有克隆方法了，那我們怎麼來標識一個類級別對象擁有克隆方法呢？克隆雖然重要，但我們不能給每個類都默認加上克隆，這顯然是不合適的，那我們能使用的手段就只有這幾個了：
在類上新增標識，此標識用於聲明某個類擁有克隆的功能，像 final 關鍵字一樣；
- 使用 Java 中的註解；
- 實現某個接口；
- 繼承某個類。
先說第一個，爲了一個重要但不常用的克隆功能， 單獨新增一個類標識，這顯然不合適；再說第二個，因爲克隆功能出現的比較早，那時候還沒有註解功能，因此也不能使用；第三點基本滿足我們的需求，第四點和第一點比較類似，爲了一個克隆功能需要犧牲一個基類，並且 Java 只能單繼承，因此這個方案也不合適。採用排除法，無疑使用實現接口的方式是那時最合理的方案了，而且在 Java 語言中一個類可以實現多個接口。
爲什麼要在 Object 中添加一個 clone() 方法呢？
因爲 clone() 方法語義的特殊性，因此最好能有 JVM 的直接支持，既然要 JVM 直接支持，就要找一個 API 來把這個方法暴露出來纔行，最直接的做法就是把它放入到一個所有類的基類 Object 中，這樣所有類就可以很方便地調用到了。
4）小結
本文講解了淺克隆和深克隆的概念，以及 Object 對 clone() 方法的約定；還演示了數組的 copyOf() 方法其實爲淺克隆，以及深克隆的 5 種實現方式；最後講了 Java 語言中克隆的設計思路猜想。
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