Java中的clone方法-理解浅拷贝和深拷贝

最近学到Java虚拟机的相关知识，更加能理解clone方法的机制了

java中的我们常常需要复制的类型有三种：

1：8种基本类型，如int，long，float等；

2：复合数据类型（数组）；

3：对象变量。

基本数据类型存放在栈中；而对象实例和数组都在堆上分配。

对于基本数据类型我们不需要考虑浅拷贝和深拷贝，使用等号便可复制值。

对于复合数据类型使用等号浅拷贝，仅复制该字段值，如数组则复制地址。。对复合类型使用clone（）方法或者System.arrayCopy进行深拷贝（拷贝复合类型对象的时候，会为其重新创建对象）。

int num1=2;
int num2=num1;
num2=4;
System.out.println(num1==num2);
int[] a={2,1,4,3,5};
int[] b=a;
b[0]=8;
System.out.println(a==b);
int[] c={2,1,4,3,5};
int[] d=c.clone();
d[0]=8;
System.out.println(c==d);

则上述输出为

false

true 

false 

而对于对象变量，使用clone()仅能实现浅拷贝（仅复制对象的在栈中的reference），下面文章具体对对象变量的两种克隆进行分析。

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。

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。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();
     }
 }  

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。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。

 

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