Java Object Cloning

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1. Overiew
  在实际编程中，我们经常会遇到这样一个情景：有一个对象A，存在属性方法，现在需要一个和A完全相同的新对象B，并且B的任何改动都不会影响到A中的值。那么，最常用的办法就是对A进行克隆。

2. How to Clone
  在java.lang.Object中有一个clone方法，该方法的签名如下：

protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

  该方法返回一个Object实例的拷贝，该实例拷贝具有：
    1)拷贝对象是一个新对象而不是一个原对象引用。
    2)拷贝的对象中包含的是原有对象信息，而不是对象初始化的信息(也就是说，拷贝过程没有调用构造函数)。

  从第1条我们可以看出，拷贝的对象与原对象存在这样一种关系：

   1. x.clone() != x      will be true
   2. x.clone().getClass() == x.getClass() will be true, but these are not absolute requirements   
   3. x.clone().equals(x) will be true, but these are not absolute requirements

  要实现克隆，必须满足以下三点：
     1)类必须实现java.lang.Cloneable接口
     2)类必须重载Object类中的clone()方法
     3)重载的clone()方法中，必须显示调用super.clone()。

  我们看一下Cloneable接口的定义:

public interface Cloneable { }

  Cloneable接口是不包含任何方法的,仅仅表示一个标志(类似Serializable接口)，而且这个标志也是针对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。

  按照要求，我们写一个克隆类的小例子:

public class DummyClone implements Cloneable{

	public Object clone(){
		DummyClone dc = null;
		try {
			dc = (DummyClone)super.clone();
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return dc;
	}
}

3. Shadow Clone
  首先，我们来看一个例子：ClassA没有实现Cloneable接口。ClassB存在ClassA的实例，实现了Cloneable接口，并重载了clone方法。ClassC实例化一个ClassB对象，然后克隆一个对象。

class ClassA {
	
	public int a;
	
	public void doubleA(){
		a = a * 2;
	}
	
	public ClassA(int aa){
		this.a = aa;
	}
	
	public String toString(){
		return Integer.toString(a);
	}
}

class ClassB implements Cloneable{
	
	public int b;
	
	public ClassA ca = new ClassA(11);
	
	public Object clone(){
		ClassB cb = null;
		try {
			cb = (ClassB)super.clone();
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return cb;
	}
}

public class ClassC {
	
	public static void main(String[] args) {
		ClassB cb = new ClassB();
		cb.b = 222;
		System.out.println("before clone : cb.b = " + cb.b);
		System.out.println("before clone : cb.ca = " + cb.ca);
		
		//
		ClassB cb2 = (ClassB)cb.clone();
		cb2.b = 3333;
		cb2.ca.doubleA();
		System.out.println("========================");
		System.out.println("after clone : cb.b = " + cb.b);
		System.out.println("after clone : cb.ca = " + cb.ca);
		System.out.println("========================");
		System.out.println("after clone : cb2.b = " + cb2.b);
		System.out.println("after clone : cb2.ca = " + cb2.ca);
	}
}

  输出结果如下：

before clone : cb.b = 222
before clone : cb.ca = 11
========================
after clone : cb.b = 222
after clone : cb.ca = 22
========================
after clone : cb2.b = 3333
after clone : cb2.ca = 22

  从结果我们看到，int类型的b被完全的克隆了，而ClassA类型的ca却没有被克隆。因为克隆后cb2对b的赋值不会影响原有cb中b的值，而调用cb2.ca.doubleA()方法后，对cb2.ca的改变同时改变了cb.ca，表明cb2.ca与cb.ca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clone后的变量和原始对象中相应的变量指向的是同一个对象。
  这就是影子克隆。影子克隆，并没有完整的完成克隆，有时候这并不是我们想要的结果。我们有时需要，就像列子中调用cb2.ca.doubleA()方法时，不会对原对象产生改变，这时候我们就需要deep clone;

4. Deep Clone
  要实现深度克隆,在上面的例子基础上，我们只需要这样修改即可：

class ClassA implements Cloneable{
	
	public int a;
	
	public void doubleA(){
		a = a * 2;
	}
	
	public ClassA(int aa){
		this.a = aa;
	}
	
	public String toString(){
		return Integer.toString(a);
	}
	
	public Object clone(){
		ClassA ca = null;
		try {
			ca = (ClassA)super.clone();
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return ca;
	}
}

class ClassB implements Cloneable{
	
	public int b;
	
	public ClassA ca = new ClassA(11);
	
	public Object clone(){
		ClassB cb = null;
		try {
			cb = (ClassB)super.clone();
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		cb.ca = (ClassA)ca.clone();
		return cb;
	}
}

public class ClassC {
	
	public static void main(String[] args) {
		ClassB cb = new ClassB();
		cb.b = 222;
		System.out.println("before clone : cb.b = " + cb.b);
		System.out.println("before clone : cb.ca = " + cb.ca);
		
		//
		ClassB cb2 = (ClassB)cb.clone();
		cb2.b = 3333;
		cb2.ca.doubleA();
		System.out.println("========================");
		System.out.println("after clone : cb.b = " + cb.b);
		System.out.println("after clone : cb.ca = " + cb.ca);
		System.out.println("========================");
		System.out.println("after clone : cb2.b = " + cb2.b);
		System.out.println("after clone : cb2.ca = " + cb2.ca);
	}
}

  输出结果：

before clone : cb.b = 222
before clone : cb.ca = 11
========================
after clone : cb.b = 222
after clone : cb.ca = 11
========================
after clone : cb2.b = 3333
after clone : cb2.ca = 22

5. BeanUtils
  在Apache的common项目下，BeanUtils子项目中，org.apache.commons.beanutils.BeanUtils中的cloneBean(Object bean)也实现了对象的克隆。其方法签名如下：

public static Object cloneBean(Object bean)
                        throws IllegalAccessException,
                               InstantiationException,
                               InvocationTargetException,
                               NoSuchMethodException

它对于bean的要求是，只要内部包含属性的get和set方法即可(不需要实现Cloneable接口)。它的内部实现是基于java.bean.PropertyDescriptor。首先通过get方法获取原始bean属性的value，然后对应set到克隆后bean的属性中。

public class Person {
		
	private int age = 3;

	private String name;

	public int getAge() {
		return age;
	}

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

	public String getName() {
		return name;
	}

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

public class TestBeanUtils {

	public static void main(String[] args) {
		try {
			Person original = new Person();
			Person copy = (Person) BeanUtils.cloneBean(original);
			System.out.println("original.age = " + original.getAge());
			copy.setAge(2);
			System.out.println("copy.age = " + copy.getAge());
		} catch (IllegalAccessException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (InstantiationException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (InvocationTargetException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (NoSuchMethodException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

}

6. Cloning Immutable Objects
  基本的数据类型可以自动的实现深度的克隆，然而并不是所有的类都可以进行深度的克隆，就比如String类，其类定义为final，且没有重载clone方法，我们就无法完成对String类的深度克隆。关于不可变对象的克隆，我们通常没有必要去克隆。