Java 的 clone 方法 && 浅复制和深复制

1 Java中对象的创建过程

java创建对象的方式有以下两种：

（1）使用new操作符创建一个对象

（2）使用clone的方法复制一个对象，（在Java中，clone是Object类的protected方法）

这两种对象创建方法有什么区别？

• new操作时，首先根据new后面的类型（知道类型才能判断需要分配多大的内存空间）分配内存空间（此时分配到的内存空间相当于产生了一个新的对象，只是还有初始化），分配完内存空间后，在调用构造函数，初始化对象（填充对象的各个域的值）。构造方法返回后，一个对象创建完毕，可以把它的引用发布到外面，可以根据这个引用操作这个对象。
• clone方法拷贝对象的第一步与new操作类似，都是分配内存，调用clone方法时，分配的内存和源对象（即调用的clone方法的对象）相同，然后再使用源对象中对应的各个域，填充新对象域，填充完成后，clone方法返回，一个新的相同的对象被创建，同样可以把这个新对象的引用发布到外部。

2 复制对象 && 复制引用

首先定义一个Person类

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

}

测试：

public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person(23, "zhang");
        Person p1 = p;  

        System.out.println(p);
        System.out.println(p1);
    }

运行结果：

test1.Person@5f4fcc96
test1.Person@5f4fcc96

由此可知p和p1指向的是同一个对象，p和p1只是引用而已。它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。

下面代码表示克隆了一个对象：

public class Person implements Cloneable{
    private String name;
    private int age;

    public Person(int age, String name) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

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

}

    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person(23, "zhang");
        Person p1 = null;
        try {
            p1 = (Person) p.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        } 

        System.out.println(p);
        System.out.println(p1); 

    }

运行结果：

test1.Person@2f57d162
test1.Person@2e739136

由结果可以知道，两个对象的地址是一样，也就是说p1指向了新的对象，而不是把原来的对象的地址赋给p1。

3 深拷贝和浅拷贝

public class Person implements Cloneable{
    private String name;
    private int age;

    public Person(int age, String name) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

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

}

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。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：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：

测试：

public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person(23, "zhang");
        Person p1 = null;
        try {
            p1 = (Person) p.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        String result = p.getName() == p1.getName() ? //
            "clone是浅拷贝的": "clone是深拷贝的";
        System.out.println(result);
    }

运行结果：

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

3.1 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 {
        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));
}

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。

3.2 上面的例子不一定是真拷贝

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));
}

结果：

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

内存结构图：

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。

3.3 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();
    }
}

再次运行上面的示例，得到的运行结果如下：

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

这说名两个Body已经完全独立了，他们间接引用的face对象已经被拷贝，也就是引用了独立的Face对象。内存结构图如下：

依此类推，如果Face对象还引用了其他的对象， 比如说Mouth，如果不经过处理，Body对象拷贝之后还是会通过一级一级的引用，引用到同一个Mouth对象。同理， 如果要让Body在引用链上完全独立， 只能显式的让Mouth对象也被拷贝。

到此，可以得到如下结论：如果在拷贝一个对象时，要想让这个拷贝的对象和源对象完全彼此独立，那么在引用链上的每一级对象都要被显式的拷贝。所以创建彻底的深拷贝是非常麻烦的，尤其是在引用关系非常复杂的情况下， 或者在引用链的某一级上引用了一个第三方的对象， 而这个对象没有实现clone方法， 那么在它之后的所有引用的对象都是被共享的。 举例来说，如果被Head引用的Face类是第三方库中的类，并且没有实现Cloneable接口，那么在Face之后的所有对象都会被拷贝前后的两个Body对象共同引用。假设Face对象内部组合了Mouth对象，并且Mouth对象内部组合了Tooth对象， 内存结构如下图：

参考：

1、http://blog.csdn.net/pandajava/article/details/42042325

2、http://blog.csdn.net/zhangjg_blog/article/details/18369201/