Java中的clone方法詳解

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Java中對象的建立

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，首先要分配一個和來源物件同樣大小的空間，在這個空間中建立一個新的對象。那麼在java語言中，有幾種方式可以建立對象呢？
1 使用new操作符建立一個對象
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記憶體。程式執行到new操作符時， 首先去看new操作符後面的類型，因為知道了類型，才能知道要分配多大的記憶體空間。分配完記憶體之後，再調用建構函式，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，一個對象建立完畢，可以把他的引用（地址）發布到外部，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， 都是分配記憶體，調用clone方法時，分配的記憶體和來源物件（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建立，同樣可以把這個新對象的引用發布到外部。
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， 是建立了一個新的對象嗎？ 首先看列印結果：

[email protected]    [email protected]

可已看出，列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隻是引用而已，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。上面代碼執行完成之後， 記憶體中的情景如所示：

而下面的代碼是真真正正的複製了一個對象。

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

從列印結果可以看出，兩個對象的地址是不同的，也就是說建立了新的對象， 而不是把原對象的地址賦給了一個新的引用變數：

[email protected]    [email protected]

以上代碼執行完成後， 記憶體中的情景如所示：

深拷貝 or 淺拷貝

上面的範例程式碼中，Person中有兩個成員變數，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;}@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {return (Person)super.clone();}}

由於age是基礎資料型別 (Elementary Data Type)， 那麼對它的拷貝沒有什麼疑議，直接將一個4位元組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： 直接將來源物件中的name的引用值拷貝給新對象的name欄位， 或者是根據原Person對象中的name指向的字串對象建立一個新的相同的字串對象，將這個新字串對象的引用賦給新拷貝的Person對象的name欄位。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();      String result = p.getName() == p1.getName()           ? "clone是淺拷貝的" : "clone是深拷貝的";      System.out.println(result);

列印結果為：
clone是淺拷貝的
所以，clone方法執行的是淺拷貝， 在編寫程式時要注意這個細節。

覆蓋Object中的clone方法， 實現深拷貝

現在為了要在clone對象時進行深拷貝， 那麼就要Clonable介面，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數也clone出來。如果只是用Object中預設的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， 分別為Body和Face， 在Body類中， 組合了一個Head對象。當對Body對象進行clone時， 它組合的Head對象只進行淺拷貝。列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，將來源物件引用的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));  }

列印結果為：

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介面，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介面並且實現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，預設執行的是淺拷貝，也就是說Head中組合的Face對象並不會被拷貝。驗證代碼如下：（這裡本來只給出Face類的代碼就可以了， 但是為了閱讀起來具有連貫性，避免丟失上下文資訊， 還是給出整個程式，整個程式也非常簡短）

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));  }

列印結果為：

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

記憶體結構圖如所示：

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，因為對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絡，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介面，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();      }  }

再次運行上面的樣本，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。記憶體結構圖如下：

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來源物件完全彼此獨立，那麼在引用鏈上的每一級對象都要被顯式的拷貝。所以建立徹底的深拷貝是非常麻煩的，尤其是在參考關聯性非常複雜的情況下， 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用的。 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介面，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， 記憶體結構如：

Java中的clone方法詳解