java中的深复制和浅复制

时间:2021-10-26 03:04:22

Java 语言的一个优点就是取消了指针的概念,但也导致了许多程序员在编程中常常忽略了对象与引用的区别,本文会试图澄清这一概念。并且由于Java不能通过简单 的赋值来解决对象复制的问题,在开发过程中,也常常要要应用clone()方法来复制对象。本文会让你了解什么是影子clone与深度clone,认识它 们的区别、优点及缺点。

看到这个标题,是不是有点困惑:Java
言明确说明取消了指针,因为指针往往是在带来方便的同时也是导致代码不安全的根源,同时也会使程序的变得非常复杂难以理解,滥用指针写成的代码不亚于使用
早已臭名昭著的"GOTO"语句。Java放弃指针的概念绝对是极其明智的。但这只是在Java语言中没有明确的指针定义,实质上每一个new语句返回的
都是一个指针的引用,只不过在大多时候Java中不用关心如何操作这个"指针",更不用象在操作C++的指针那样胆战心惊。唯一要多多关心的是在给函数传
递对象的时候。

  1. package com.zoer.src;
  2. public class ObjRef {
  3. Obj aObj = new Obj();
  4. int aInt = 11;
  5. public void changeObj(Obj inObj) {
  6. inObj.str = "changed value";
  7. }
  8. public void changePri(int inInt) {
  9. inInt = 22;
  10. }
  11. public static void main(String[] args) {
  12. ObjRef oRef = new ObjRef();
  13. System.out.println("Before call changeObj() method: " + oRef.aObj);
  14. oRef.changeObj(oRef.aObj);
  15. System.out.println("After call changeObj() method: " + oRef.aObj);
  16. System.out.println("==================Print Primtive=================");
  17. System.out.println("Before call changePri() method: " + oRef.aInt);
  18. oRef.changePri(oRef.aInt);
  19. System.out.println("After call changePri() method: " + oRef.aInt);
  20. }
  21. }
  1. package com.zoer.src;
  2. public class Obj {
  3. String str = "init value";
  4. public String toString() {
  5. return str;
  6. }
  7. }

这段代码的主要部分调用了两个很相近的方法,changeObj()和changePri()。唯一不同的是它们一个把对象作为输入参数,另一个把
Java中的基本类型int作为输入参数。并且在这两个函数体内部都对输入的参数进行了改动。看似一样的方法,程序输出的结果却不太一样。
changeObj()方法真正的把输入的参数改变了,而changePri()方法对输入的参数没有任何的改变。

从这个例子知道Java对对象和基本的数据类型的处理是不一样的。和C语言一样,当把Java的基本数据类型(如int,char,double等)作为入口参数传给函数体的时候,传入的参数在函数体内部变成了局部变量,这个局部变量是输入参数的一个拷贝,所有的函数体内部的操作都是针对这个拷贝的操作,函数执行结束后,这个局部变量也就完成了它的使命,它影响不到作为输入参数的变量。这种方式的参数传递被称为"值传递"。而在Java中用对象作为入口参数的传递则缺省为"引用传递"也就是说仅仅传递了对象的一个"引用"这个"引用"的概念同C语言中的指针引用是一样的。当函数体内部对输入变量改变时,实质上就是在对这个对象的直接操作。 

除了在函数传值的时候是"引用传递",在任何用"="向对象变量赋值的时候都是"引用传递"。就是类似于给变量再起一个别名。两个名字都指向内存中的同一个对象。
      在实际编程过程中,我们常常要遇到这种情况:有一个对象A,在某一时刻A中已经包含了一些有效值,此时可能会需要一个和A完全相同新对象B,并且此后对B任何改动都不会影响到A中的值,也就是说,A与B是两个独立的对象,但B的初始值是由A对象确定的。在Java语言中,用简单的赋值语句是不能满足这种需求的。要满足这种需求虽然有很多途径,但实现clone()方法是其中最简单,也是最高效的手段。
     
Java的所有类都默认继承java.lang.Object类,在java.lang.Object类中有一个方法clone()。JDK API的说
明文档解释这个方法将返回Object对象的一个拷贝。要说明的有两点:一是拷贝对象返回的是一个新对象,而不是一个引用。二是拷贝对象与用new操作符
返回的新对象的区别就是这个拷贝已经包含了一些原来对象的信息,而不是对象的初始信息。
      怎样应用clone()方法?

一个很典型的调用clone()代码如下:

  1. public class CloneClass implements Cloneable {
  2. public int aInt;
  3. public Object clone() {
  4. CloneClass o = null;
  5. try {
  6. o = (CloneClass) super.clone();
  7. } catch (CloneNotSupportedException e) {
  8. e.printStackTrace();
  9. }
  10. return o;
  11. }
  12. }

有三个值得注意的地方,一是希望能实现clone功能的CloneClass类实现了Cloneable接口,这个接口属于java.lang
包,java.lang包已经被缺省的导入类中,所以不需要写成java.lang.Cloneable。另一个值得请注意的是重载了clone()方
法。最后在clone()方法中调用了super.clone(),这也意味着无论clone类的继承结构是什么样的,super.clone()直接或间接调用了java.lang.Object类的clone()方法。下面再详细的解释一下这几点。

应该说第三点是最重要的,仔细观察一下Object类的clone()一个native方法,native方法的效率一般来说都是远高于java中的非native方法。这也解释了为什么要用Object中clone()方法而不是先new一个类,然后把原始对象中的信息赋到新对象中,虽然这也实现了clone功能。对于第二点,也要观察Object类中的clone()还是一个protected
性的方法。这也意味着如果要应用clone()方法,必须继承Object类,在Java中所有的类是缺省继承Object类的,也就不用关心这点了。然
后重载clone()方法。还有一点要考虑的是为了让其它类能调用这个clone类的clone()方法,重载之后要把clone()方法的属性设置为public
     
 那么clone类为什么还要实现Cloneable接口呢?稍微注意一下,Cloneable接口是不包含任何方法的!其实这个接口仅仅是一个标志,而
且这个标志也仅仅是针对Object类中clone()方法的,如果clone类没有实现Cloneable接口,并调用了Object的clone()
方法(也就是调用了super.Clone()方法),那么Object的clone()方法就会抛出
CloneNotSupportedException异常。 
      以上是clone的最基本的步骤,想要完成一个成功的clone,还要了解什么是"影子clone"和"深度clone"。 
      什么是影子clone?

  1. package com.zoer.src;
  2. class UnCloneA {
  3. private int i;
  4. public UnCloneA(int ii) {
  5. i = ii;
  6. }
  7. public void doublevalue() {
  8. i *= 2;
  9. }
  10. public String toString() {
  11. return Integer.toString(i);
  12. }
  13. }
  14. class CloneB implements Cloneable {
  15. public int aInt;
  16. public UnCloneA unCA = new UnCloneA(111);
  17. public Object clone() {
  18. CloneB o = null;
  19. try {
  20. o = (CloneB) super.clone();
  21. } catch (CloneNotSupportedException e) {
  22. e.printStackTrace();
  23. }
  24. return o;
  25. }
  26. }
  27. public class ObjRef {
  28. public static void main(String[] a) {
  29. CloneB b1 = new CloneB();
  30. b1.aInt = 11;
  31. System.out.println("before clone,b1.aInt = " + b1.aInt);
  32. System.out.println("before clone,b1.unCA = " + b1.unCA);
  33. CloneB b2 = (CloneB) b1.clone();
  34. b2.aInt = 22;
  35. b2.unCA.doublevalue();
  36. System.out.println("=================================");
  37. System.out.println("after clone,b1.aInt = " + b1.aInt);
  38. System.out.println("after clone,b1.unCA = " + b1.unCA);
  39. System.out.println("=================================");
  40. System.out.println("after clone,b2.aInt = " + b2.aInt);
  41. System.out.println("after clone,b2.unCA = " + b2.unCA);
  42. }
  43. }

输出结果:

before clone,b1.aInt = 11
before clone,b1.unCA = 111
=================================
after clone,b1.aInt = 11
after clone,b1.unCA = 222
=================================
after clone,b2.aInt = 22
after clone,b2.unCA = 222

输出的结果说明int类型的变量aInt和UnCloneA的实例对象unCA的clone结果不一致,int类型是真正的被clone了,因为改变了
b2中的aInt变量,对b1的aInt没有产生影响,也就是说,b2.aInt与b1.aInt已经占据了不同的内存空间,b2.aInt是
b1.aInt的一个真正拷贝。相反,对b2.unCA的改变同时改变了b1.unCA,很明显,b2.unCA和b1.unCA是仅仅指向同一个对象的不同引用!从中可以看出,调用Object类中clone()方法产生的效果是:先在内存中开辟一块和原始对象一样的空间,然后原样拷贝原始对象中的内容对基本数据类型,这样的操作是没有问题的,但对非基本类型变量,我们知道它们保存的仅仅是对象的引用,这也导致clone后的非基本类型变量和原始对象中相应的变量指向的是同一个对象。 

大多时候,这种clone的结果往往不是我们所希望的结果,这种clone也被称为"影子clone"。要想让b2.unCA指向与b2.unCA不同的对象,而且b2.unCA中还要包含b1.unCA中的信息作为初始信息,就要实现深度clone。
       怎么进行深度clone? 
     
 把上面的例子改成深度clone很简单,需要两个改变:一是让UnCloneA类也实现和CloneB类一样的clone功能(实现Cloneable
接口,重载clone()方法)。二是在CloneB的clone()方法中加入一句
o.unCA = (UnCloneA)unCA.clone();

  1. package com.zoer.src;
  2. class UnCloneA implements Cloneable {
  3. private int i;
  4. public UnCloneA(int ii) {
  5. i = ii;
  6. }
  7. public void doublevalue() {
  8. i *= 2;
  9. }
  10. public String toString() {
  11. return Integer.toString(i);
  12. }
  13. public Object clone() {
  14. UnCloneA o = null;
  15. try {
  16. o = (UnCloneA) super.clone();
  17. } catch (CloneNotSupportedException e) {
  18. e.printStackTrace();
  19. }
  20. return o;
  21. }
  22. }
  23. class CloneB implements Cloneable {
  24. public int aInt;
  25. public UnCloneA unCA = new UnCloneA(111);
  26. public Object clone() {
  27. CloneB o = null;
  28. try {
  29. o = (CloneB) super.clone();
  30. } catch (CloneNotSupportedException e) {
  31. e.printStackTrace();
  32. }
  33. o.unCA = (UnCloneA) unCA.clone();
  34. return o;
  35. }
  36. }
  37. public class CloneMain {
  38. public static void main(String[] a) {
  39. CloneB b1 = new CloneB();
  40. b1.aInt = 11;
  41. System.out.println("before clone,b1.aInt = " + b1.aInt);
  42. System.out.println("before clone,b1.unCA = " + b1.unCA);
  43. CloneB b2 = (CloneB) b1.clone();
  44. b2.aInt = 22;
  45. b2.unCA.doublevalue();
  46. System.out.println("=================================");
  47. System.out.println("after clone,b1.aInt = " + b1.aInt);
  48. System.out.println("after clone,b1.unCA = " + b1.unCA);
  49. System.out.println("=================================");
  50. System.out.println("after clone,b2.aInt = " + b2.aInt);
  51. System.out.println("after clone,b2.unCA = " + b2.unCA);
  52. }
  53. }

输出结果:

before clone,b1.aInt = 11
before clone,b1.unCA = 111
=================================
after clone,b1.aInt = 11
after clone,b1.unCA = 111
=================================
after clone,b2.aInt = 22
after clone,b2.unCA = 222

可以看出,现在b2.unCA的改变对b1.unCA没有产生影响。此时b1.unCA与b2.unCA指向了两个不同的UnCloneA实例,而且在
CloneB b2 = (CloneB)b1.clone();调用的那一刻b1和b2拥有相同的值,在这里,b1.i = b2.i = 11。

要知道不是所有的类都能实现深度clone的。例如,如果把上面的CloneB类中的UnCloneA类型变量改成StringBuffer类型,看一下JDK API中关于StringBuffer的说明,StringBuffer没有重载clone()方法,更为严重的是StringBuffer还是一个final类
这也是说我们也不能用继承的办法间接实现StringBuffer的clone。如果一个类中包含有StringBuffer类型对象或和
StringBuffer相似类的对象,我们有两种选择:要么只能实现影子clone,要么就在类的clone()方法中加一句(假设是
SringBuffer对象,而且变量名仍是
unCA): o.unCA = new StringBuffer(unCA.toString()); //原来的
是:o.unCA = (UnCloneA)unCA.clone();

还要知道的是除了基本数据类型能自动实现深度clone以外,String对象是一个例外,它clone后的表现好象也实现了深度clone,虽然这只是一个假象,但却大大方便了我们的编程。 
       Clone中String和StringBuffer的区别 
       应该说明的是,这里不是着重说明String和StringBuffer的区别,但从这个例子里也能看出String类的一些与众不同的地方。 
     
 下面的例子中包括两个类,CloneC类包含一个String类型变量和一个StringBuffer类型变量,并且实现了clone()方法。在
StrClone类中声明了CloneC类型变量c1,然后调用c1的clone()方法生成c1的拷贝c2,在对c2中的String和
StringBuffer类型变量用相应的方法改动之后打印结果:

  1. package com.zoer.src;
  2. class CloneC implements Cloneable {
  3. public String str;
  4. public StringBuffer strBuff;
  5. public Object clone() {
  6. CloneC o = null;
  7. try {
  8. o = (CloneC) super.clone();
  9. } catch (CloneNotSupportedException e) {
  10. e.printStackTrace();
  11. }
  12. return o;
  13. }
  14. }
  15. public class StrClone {
  16. public static void main(String[] a) {
  17. CloneC c1 = new CloneC();
  18. c1.str = new String("initializeStr");
  19. c1.strBuff = new StringBuffer("initializeStrBuff");
  20. System.out.println("before clone,c1.str = " + c1.str);
  21. System.out.println("before clone,c1.strBuff = " + c1.strBuff);
  22. CloneC c2 = (CloneC) c1.clone();
  23. c2.str = c2.str.substring(0, 5);
  24. c2.strBuff = c2.strBuff.append(" change strBuff clone");
  25. System.out.println("=================================");
  26. System.out.println("after clone,c1.str = " + c1.str);
  27. System.out.println("after clone,c1.strBuff = " + c1.strBuff);
  28. System.out.println("=================================");
  29. System.out.println("after clone,c2.str = " + c2.str);
  30. System.out.println("after clone,c2.strBuff = " + c2.strBuff);
  31. }
  32. }

执行结果:

  1. <span style="font-family:'Microsoft YaHei';"><span style="font-size:16px;">before clone,c1.str = initializeStr
  2. before clone,c1.strBuff = initializeStrBuff
  3. =================================
  4. after clone,c1.str = initializeStr
  5. after clone,c1.strBuff = initializeStrBuff change strBuff clone
  6. =================================
  7. after clone,c2.str = initi
  8. after clone,c2.strBuff = initializeStrBuff change strBuff clone
  9. </span></span>

打印的结果可以看出,String类型的变量好象已经实现了深度clone,因为对c2.str的改动并没有影响到c1.str!难道Java把
Sring类看成了基本数据类型?其实不然,这里有一个小小的把戏,秘密就在于c2.str = c2.str.substring(0,5)这一语句!
实质上,在clone的时候c1.str与c2.str仍然是引用,而且都指向了同一个String对象。但在执行
c2.str = c2.str.substring(0,5)的时候,它作用相当于生成了一个新的String类型,然后又赋回给c2.str。这是因
为String被Sun公司的工程师写成了一个不可更改的类(immutable class),在所有String类中的函数都不能更改自身的值。

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