Effective Java 第三版——13. 谨慎地重写 clone 方法

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《Effective Java, Third Edition》一书英文版已经出版，这本书的第二版想必很多人都读过，号称Java四大名著之一，不过第二版2009年出版，到现在已经将近8年的时间，但随着Java 6，7，8，甚至9的发布，Java语言发生了深刻的变化。

在这里第一时间翻译成中文版。供大家学习分享之用。

13. 谨慎地重写 clone 方法

Cloneable接口的目的是作为一个mixin接口(条目 20)，公布这样的类允许克隆。不幸的是，它没有达到这个目的。它的主要缺点是缺少clone方法，而Object的clone方法是受保护的。你不能，不借助反射(条目 65)，仅仅因为它实现了Cloneable接口，就调用对象上的 clone 方法。即使是反射调用也可能失败，因为不能保证对象具有可访问的 clone方法。尽管存在许多缺陷，该机制在合理的范围内使用，所以理解它是值得的。这个条目告诉你如何实现一个行为良好的 clone方法，在适当的时候讨论这个方法，并提出替代方案。

既然Cloneable接口不包含任何方法，那它用来做什么？ 它决定了Object的受保护的clone 方法实现的行为：如果一个类实现了Cloneable接口，那么Object的clone方法将返回该对象的逐个属性（field-by-field）拷贝；否则会抛出CloneNotSupportedException异常。这是一个非常反常的接口使用，而不应该被效仿。 通常情况下，实现一个接口用来表示可以为客户做什么。但对于Cloneable接口，它会修改父类上受保护方法的行为。

虽然规范并没有说明，但在实践中，实现Cloneable接口的类希望提供一个正常运行的公共 clone方法。为了实现这一目标，该类及其所有父类必须遵循一个复杂的、不可执行的、稀疏的文档协议。由此产生的机制是脆弱的、危险的和不受语言影响的（extralinguistic）：它创建对象而不需要调用构造方法。

clone方法的通用规范很薄弱的。 以下内容是从 Object 规范中复制出来的：

创建并返回此对象的副本。 “复制（copy）”的确切含义可能取决于对象的类。 一般意图是，对于任何对象x，表达式x.clone() != x返回 true，并且x.clone().getClass() == x.getClass()也返回 true，但它们不是绝对的要求，但通常情况下，x.clone().equals(x)返回 true，当然这个要求也不是绝对的。

根据约定，这个方法返回的对象应该通过调用super.clone方法获得的。 如果一个类和它的所有父类（Object除外）都遵守这个约定，情况就是如此，x.clone().getClass() == x.getClass()。

根据约定，返回的对象应该独立于被克隆的对象。 为了实现这种独立性，在返回对象之前，可能需要修改由super.clone返回的对象的一个或多个属性。

这种机制与构造方法链（chaining）很相似，只是它没有被强制执行；如果一个类的clone方法返回一个通过调用构造方法获得而不是通过调用super.clone的实例，那么编译器不会抱怨，但是如果一个类的子类调用了super.clone，那么返回的对象包含错误的类，从而阻止子类 clone 方法正常执行。如果一个类重写的 clone 方法是有 final 修饰的，那么这个约定可以被安全地忽略，因为子类不需要担心。但是，如果一个final类有一个不调用super.clone的clone方法，那么这个类没有理由实现Cloneable接口，因为它不依赖于Object的clone实现的行为。

假设你希望在一个类中实现Cloneable接口，它的父类提供了一个行为良好的 clone方法。首先调用super.clone。 得到的对象将是原始的完全功能的复制品。 在你的类中声明的任何属性将具有与原始属性相同的值。 如果每个属性包含原始值或对不可变对象的引用，则返回的对象可能正是你所需要的，在这种情况下，不需要进一步的处理。 例如，对于条目 11中的PhoneNumber类，情况就是这样，但是请注意，不可变类永远不应该提供clone方法，因为这只会浪费复制。 有了这个警告，以下是PhoneNumber类的clone方法：

// Clone method for class with no references to mutable state
@Override public PhoneNumber clone() {
    try {
        return (PhoneNumber) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        throw new AssertionError();  // Can't happen
    }
}

为了使这个方法起作用，PhoneNumber的类声明必须被修改，以表明它实现了Cloneable接口。 虽然Object类的clone方法返回Object类，但是这个clone方法返回PhoneNumber类。 这样做是合法和可取的，因为Java支持协变返回类型。 换句话说，重写方法的返回类型可以是重写方法的返回类型的子类。 这消除了在客户端转换的需要。 在返回之前，我们必须将Object的super.clone的结果强制转换为PhoneNumber，但保证强制转换成功。

super.clone的调用包含在一个try-catch块中。 这是因为Object声明了它的clone方法来抛出CloneNotSupportedException异常，这是一个检查时异常。 由于PhoneNumber实现了Cloneable接口，所以我们知道调用super.clone会成功。 这里引用的需要表明CloneNotSupportedException应该是未被检查的（条目 71）。

如果对象包含引用可变对象的属性，则前面显示的简单clone实现可能是灾难性的。 例如，考虑条目 7中的Stack类：

public class Stack {

    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    public Stack() {
        this.elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    }

    public void push(Object e) {
        ensureCapacity();
        elements[size++] = e;
    }

    public Object pop() {
        if (size == 0)
            throw new EmptyStackException();
        Object result = elements[--size];

        elements[size] = null; // Eliminate obsolete reference
        return result;
    }

    // Ensure space for at least one more element.
    private void ensureCapacity() {
        if (elements.length == size)
            elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
    }
}

假设你想让这个类可以克隆。 如果clone方法仅返回super.clone()调用的对象，那么生成的Stack实例在其size 属性中具有正确的值，但elements属性引用与原始Stack实例相同的数组。 修改原始实例将破坏克隆中的不变量，反之亦然。 你会很快发现你的程序产生了无意义的结果，或者抛出NullPointerException异常。

这种情况永远不会发生，因为调用Stack类中的唯一构造方法。 实际上，clone方法作为另一种构造方法; 必须确保它不会损坏原始对象，并且可以在克隆上正确建立不变量。 为了使Stack上的clone方法正常工作，它必须复制stack 对象的内部。 最简单的方法是对元素数组递归调用clone方法：

// Clone method for class with references to mutable state
@Override public Stack clone() {
    try {
        Stack result = (Stack) super.clone();
        result.elements = elements.clone();
        return result;
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        throw new AssertionError();
    }
}

请注意，我们不必将elements.clone的结果转换为Object[]数组。 在数组上调用clone会返回一个数组，其运行时和编译时类型与被克隆的数组相同。 这是复制数组的首选习语。 事实上，数组是clone 机制的唯一有力的用途。

还要注意，如果elements属性是final的，则以前的解决方案将不起作用，因为克隆将被禁止向该属性分配新的值。 这是一个基本的问题：像序列化一样，Cloneable体系结构与引用可变对象的final 属性的正常使用不兼容，除非可变对象可以在对象和其克隆之间安全地共享。 为了使一个类可以克隆，可能需要从一些属性中移除 final修饰符。

仅仅递归地调用clone方法并不总是足够的。 例如，假设您正在为哈希表编写一个clone方法，其内部包含一个哈希桶数组，每个哈希桶都指向“键-值”对链表的第一项。 为了提高性能，该类实现了自己的轻量级单链表，而没有使用java内部提供的java.util.LinkedList：

public class HashTable implements Cloneable {
    private Entry[] buckets = ...;
    private static class Entry {
        final Object key;
        Object value;
        Entry  next;

        Entry(Object key, Object value, Entry next) {
            this.key   = key;
            this.value = value;
            this.next  = next;
        }
    }
    ... // Remainder omitted
}

假设你只是递归地克隆哈希桶数组，就像我们为Stack所做的那样：

// Broken clone method - results in shared mutable state!
@Override public HashTable clone() {
    try {
        HashTable result = (HashTable) super.clone();
        result.buckets = buckets.clone();
        return result;
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        throw new AssertionError();
    }
}

虽然被克隆的对象有自己的哈希桶数组，但是这个数组引用与原始数组相同的链表，这很容易导致克隆对象和原始对象中的不确定性行为。 要解决这个问题，你必须复制包含每个桶的链表。 下面是一种常见的方法：

// Recursive clone method for class with complex mutable state
public class HashTable implements Cloneable {
    private Entry[] buckets = ...;

    private static class Entry {
        final Object key;
        Object value;
        Entry  next;

        Entry(Object key, Object value, Entry next) {
            this.key   = key;
            this.value = value;
            this.next  = next;
        }

        // Recursively copy the linked list headed by this Entry
        Entry deepCopy() {
            return new Entry(key, value,
                next == null ? null : next.deepCopy());
        }
    }

    @Override public HashTable clone() {
        try {
            HashTable result = (HashTable) super.clone();
            result.buckets = new Entry[buckets.length];
            for (int i = 0; i < buckets.length; i++)
                if (buckets[i] != null)
                    result.buckets[i] = buckets[i].deepCopy();
            return result;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new AssertionError();
        }
    }
    ... // Remainder omitted
}

私有类HashTable.Entry已被扩充以支持“深度复制”方法。 HashTable上的clone方法分配一个合适大小的新哈希桶数组，迭代原来哈希桶数组，深度复制每个非空的哈希桶。 Entry上的deepCopy方法递归地调用它自己以复制由头节点开始的整个链表。 如果哈希桶不是太长，这种技术很聪明并且工作正常。但是，克隆链表不是一个好方法，因为它为列表中的每个元素消耗一个栈帧（stack frame）。 如果列表很长，这很容易导致堆栈溢出。 为了防止这种情况发生，可以用迭代来替换deepCopy中的递归：

// Iteratively copy the linked list headed by this Entry
Entry deepCopy() {
   Entry result = new Entry(key, value, next);
   for (Entry p = result; p.next != null; p = p.next)
      p.next = new Entry(p.next.key, p.next.value, p.next.next);
   return result;
}

克隆复杂可变对象的最后一种方法是调用super.clone，将结果对象中的所有属性设置为其初始状态，然后调用更高级别的方法来重新生成原始对象的状态。 以HashTable为例，bucket属性将被初始化为一个新的bucket数组，并且 put(key, value)方法（未示出）被调用用于被克隆的哈希表中的键值映射。 这种方法通常产生一个简单，合理的优雅clone方法，其运行速度不如直接操纵克隆内部的方法快。 虽然这种方法是干净的，但它与整个Cloneable体系结构是对立的，因为它会盲目地重写构成体系结构基础的逐个属性对象复制。

与构造方法一样，clone 方法绝对不可以在构建过程中，调用一个可以重写的方法（条目 19）。如果 clone 方法调用一个在子类中重写的方法，则在子类有机会在克隆中修复它的状态之前执行该方法，很可能导致克隆和原始对象的损坏。因此，我们在前面讨论的 put(key, value)方法应该时 final 或 private 修饰的。（如果时 private 修饰，那么大概是一个非 final 公共方法的辅助方法）。

Object 类的 clone方法被声明为抛出CloneNotSupportedException异常，但重写方法时不需要。 公共clone方法应该省略throws子句，因为不抛出检查时异常的方法更容易使用（条目 71）。

在为继承设计一个类时（条目 19），通常有两种选择，但无论选择哪一种，都不应该实现 Clonable 接口。你可以选择通过实现正确运行的受保护的 clone方法来模仿Object的行为，该方法声明为抛出CloneNotSupportedException异常。 这给了子类实现Cloneable接口的自由，就像直接继承Object一样。 或者，可以选择不实现工作的 clone方法，并通过提供以下简并clone实现来阻止子类实现它：

// clone method for extendable class not supporting Cloneable
@Override
protected final Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    throw new CloneNotSupportedException();
}

还有一个值得注意的细节。 如果你编写一个实现了Cloneable的线程安全的类，记得它的clone方法必须和其他方法一样（条目 78）需要正确的同步。 Object 类的clone方法是不同步的，所以即使它的实现是令人满意的，也可能需要编写一个返回super.clone()的同步clone方法。

回顾一下，实现Cloneable的所有类应该重写公共clone方法，而这个方法的返回类型是类本身。 这个方法应该首先调用super.clone，然后修复任何需要修复的属性。 通常，这意味着复制任何包含内部“深层结构”的可变对象，并用指向新对象的引用来代替原来指向这些对象的引用。虽然这些内部拷贝通常可以通过递归调用clone来实现，但这并不总是最好的方法。 如果类只包含基本类型或对不可变对象的引用，那么很可能是没有属性需要修复的情况。 这个规则也有例外。 例如，表示序列号或其他唯一ID的属性即使是基本类型的或不可变的，也需要被修正。

这么复杂是否真的有必要？很少。 如果你继承一个已经实现了Cloneable接口的类，你别无选择，只能实现一个行为良好的clone方法。 否则，通常你最好提供另一种对象复制方法。 对象复制更好的方法是提供一个复制构造方法或复制工厂。 复制构造方法接受参数，其类型为包含此构造方法的类，例如，

// Copy constructor
public Yum(Yum yum) { ... };

复制工厂类似于复制构造方法的静态工厂：

// Copy factory
public static Yum newInstance(Yum yum) { ... };

复制构造方法及其静态工厂变体与Cloneable/clone相比有许多优点：它们不依赖风险很大的语言外的对象创建机制；不要求遵守那些不太明确的惯例；不会与final 属性的正确使用相冲突; 不会抛出不必要的检查异常; 而且不需要类型转换。

此外，复制构造方法或复制工厂可以接受类型为该类实现的接口的参数。 例如，按照惯例，所有通用集合实现都提供了一个构造方法，其参数的类型为Collection或Map。 基于接口的复制构造方法和复制工厂（更适当地称为转换构造方法和转换工厂）允许客户端选择复制的实现类型，而不是强制客户端接受原始实现类型。 例如，假设你有一个HashSet，并且你想把它复制为一个TreeSet。 clone方法不能提供这种功能，但使用转换构造方法很容易：new TreeSet<>(s)。

考虑到与Cloneable接口相关的所有问题，新的接口不应该继承它，新的可扩展类不应该实现它。 虽然实现Cloneable接口对于final类没有什么危害，但应该将其视为性能优化的角度，仅在极少数情况下才是合理的（条目67）。 通常，复制功能最好由构造方法或工厂提供。 这个规则的一个明显的例外是数组，它最好用 clone方法复制。