深入理解Java中的克隆

前言

Java克隆(Clone)是Java语言的特性之一，但在实际中应用比较少见。但有时候用克隆会更方便更有效率。

对于克隆(Clone)，Java有一些限制：

      1、被克隆的类必须自己实现Cloneable 接口，以指示 Object.clone() 方法可以合法地对该类实例进行按字段复制。Cloneable 接口实际上是个标识接口，没有任何接口方法。

      2、实现Cloneable接口的类应该使用公共方法重写 Object.clone（它是受保护的）。某个对象实现了此接口就克隆它是不可能的。即使 clone 方法是反射性调用的，也无法保证它将获得成功。

      3、在Java.lang.Object类中克隆方法是这么定义的：

       protected Object clone()
       throws CloneNotSupportedException

创建并返回此对象的一个副本。表明是一个受保护的方法，同一个包中可见。

按照惯例，返回的对象应该通过调用 super.clone 获得。

Java中的赋值

在Java中，赋值是很常用的，一个简单的赋值如下

//原始类型
int a = 1;
int b = a;

//引用类型
String[] weekdays = new String[5];
String[] gongzuori = weekdays;//仅拷贝引用

在上述代码中。

      1、如果是原始数据类型，赋值传递的为真实的值

      2、如果是引用数据类型，赋值传递的为对象的引用，而不是对象。

了解了数据类型和引用类型的这个区别，便于我们了解clone。

Clone

在Java中，clone是将已有对象在内存中复制出另一个与之相同的对象的过程。java中的克隆为逐域复制。

在Java中想要支持clone方法，需要首先实现Cloneable接口

Cloneable其实是有点奇怪的，它不同与我们常用到的接口，它内部不包含任何方法，它仅仅是一个标记接口。

其源码如下

public interface Cloneable {
}

关于cloneable，需要注意的

      1、如果想要支持clone，就需要实现Cloneable 接口

      2、如果没有实现Cloneable接口的调用clone方法，会抛出CloneNotSupportedException异常。

然后是重写clone方法，并修改成public访问级别

static class CloneableImp implements Cloneable {
public int count;
public Child child;

@Override
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
  return super.clone();
}
}

调用clone方法复制对象

CloneableImp imp1 = new CloneableImp();
imp1.child = new Child("Andy");
try {
Object obj = imp1.clone();
CloneableImp imp2 = (CloneableImp)obj;
System.out.println("main imp2.child.name=" + imp2.child.name);
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}

浅拷贝

上面的代码实现的clone实际上是属于浅拷贝（Shallow Copy）。

关于浅拷贝，你该了解的

     1、使用默认的clone方法

     2、对于原始数据域进行值拷贝

     3、对于引用类型仅拷贝引用

     4、执行快，效率高

     5、不能做到数据的100％分离。

     6、如果一个对象只包含原始数据域或者不可变对象域，推荐使用浅拷贝。

关于无法做到数据分离，我们可以使用这段代码验证

CloneableImp imp1 = new CloneableImp();
imp1.child = new Child("Andy");
try {
Object obj = imp1.clone();
CloneableImp imp2 = (CloneableImp)obj;
imp2.child.name = "Bob";

System.out.println("main imp1.child.name=" + imp1.child.name);
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}

上述代码我们使用了imp1的clone方法克隆出imp2,然后修改 imp2.child.name 为 Bob,然后打印imp1.child.name 得到的结果是

main imp1.child.name=Bob

原因是浅拷贝并没有做到数据的100％分离，imp1和imp2共享同一个Child对象，所以一个修改会影响到另一个。

深拷贝

深拷贝可以解决数据100％分离的问题。只需要对上面代码进行一些修改即可。

1、Child实现Cloneable接口。

public class Child implements Cloneable{

public String name;

public Child(String name) {
  this.name = name;
}

@Override
public String toString() {
  return "Child [name=" + name + "]";
}

@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
  return super.clone();
}
}

2.重写clone方法，调用数据域的clone方法。

static class CloneableImp implements Cloneable {
public int count;
public Child child;

@Override
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
  CloneableImp obj = (CloneableImp)super.clone();
  obj.child = (Child) child.clone();
  return obj;
}
}

当我们再次修改imp2.child.name就不会影响到imp1.child.name的值了，因为imp1和imp2各自拥有自己的child对象，因为做到了数据的100％隔离。

关于深拷贝的一些特点

      1、需要重写clone方法，不仅仅只调用父类的方法，还需调用属性的clone方法

      2、做到了原对象与克隆对象之间100％数据分离

      3、如果是对象存在引用类型的属性，建议使用深拷贝

      4、深拷贝比浅拷贝要更加耗时，效率更低

为什么使用克隆

很重要并且常见的常见就是：某个API需要提供一个List集合，但是又不希望调用者的修改影响到自身的变化，因此需要克隆一份对象，以此达到数据隔离的目的。

应尽量避免clone

      1.通常情况下，实现接口是为了表明类可以为它的客户做些什么，而Cloneable仅仅是一个标记接口，而且还改变了超类中的手保护的方法的行为，是接口的一种极端非典型的用法，不值得效仿。

      2.Clone方法约定及其脆弱 clone方法的Javadoc描述有点暧昧模糊，如下为 Java SE8的约定

          clone方法创建并返回该对象的一个拷贝。而拷贝的精确含义取决于该对象的类。一般的含义是，对于任何对象x，表达式

          x.clone() != x 为 true x.clone().getClass() == x.getClass() 也返回true，但非必须 x.clone().equals(x) 也返回true，但也不是必须的

上面的第二个和第三个表达式很容易就返回false。因而唯一能保证永久为true的就是表达式一，即两个对象为独立的对象。

       3.可变对象final域 在克隆方法中，如果我们需要对可变对象的final域也进行拷贝，由于final的限制，所以实际上是无法编译通过的。因此为了实现克隆，我们需要考虑舍去该可变对象域的final关键字。

       4.线程安全 如果你决定用线程安全的类实现Cloneable接口，需要保证它的clone方法做好同步工作。默认的Object.clone方法是没有做同步的。

总的来说，java中的clone方法实际上并不是完善的，建议尽量避免使用。如下是一些替代方案。

Copy constructors

使用复制构造器也可以实现对象的拷贝。

      1、复制构造器也是构造器的一种

      2、只接受一个参数，参数类型为当前的类

      3、目的是生成一个与参数相同的新对象

      4、复制构造器相比clone方法的优势是简单，易于实现。

一段使用了复制构造器的代码示例

public class Car {
Wheel wheel;
String manufacturer;

public Car(Wheel wheel, String manufacturer) {
  this.wheel = wheel;
  this.manufacturer = manufacturer;
}

//copy constructor
public Car(Car car) {
  this(car.wheel, car.manufacturer);
}

public static class Wheel {
  String brand;
}
}

注意，上面的代码实现为浅拷贝，如果想要实现深拷贝，参考如下代码

//copy constructor
public Car(Car car) {
Wheel wheel = new Wheel();
wheel.brand = car.wheel.brand;

this.wheel = wheel;
this.manufacturer = car.manufacturer;
}

为了更加便捷，我们还可以为上述类增加一个静态的方法

public static Car newInstance(Car car) {
return new Car(car);
}

使用Serializable实现深拷贝

其实，使用序列化也可以实现对象的深拷贝。简略代码如下

public class DeepCopyExample implements Serializable{
private static final long serialVersionUID = 6098694917984051357L;
public Child child;

public DeepCopyExample copy() {
  DeepCopyExample copy = null;
  try {
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
    oos.writeObject(this);

ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(baos.toByteArray());
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bais);
    copy = (DeepCopyExample) ois.readObject();
  } catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
  } catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
  }
  return copy;
}
}

其中，Child必须实现Serializable接口

public class Child implements Serializable{
private static final long serialVersionUID = 6832122780722711261L;
public String name = "";

public Child(String name) {
  this.name = name;
}

@Override
public String toString() {
  return "Child [name=" + name + "]";
}
}

使用示例兼测试代码

DeepCopyExample example = new DeepCopyExample();
example.child = new Child("Example");

DeepCopyExample copy = example.copy();
if (copy != null) {
copy.child.name = "Copied";
System.out.println("example.child=" + example.child + ";copy.child=" + copy.child);
}
//输出结果：example.child=Child [name=Example];copy.child=Child [name=Copied]

由输出结果来看，copy对象的child值修改不影响example对象的child值，即使用序列化可以实现对象的深拷贝。

总结