深入理解java的clone

目录 

预备知识 
为什么要clone 
Object的clone以及为什么如此实现 
如何clone 
对clone的态度 
其他的选择 
和Serializable的比较 
性能 

预备知识  

为了理解java的clone，有必要先温习以下的知识。 
java的类型，java的类型分为两大类，一类为primitive，如int，另一类为引用类型,如String,Object等等。 
java引用类型的存储，java的引用类型都是存储在堆上的。 

 public class B {
     int a;
     String b;

     public B(int a, String b) {
         super();
         this.a = a;
         this.b = b;
     }
 }

对这样一个引用类型的实例，我们可以推测，在堆上它的内存存储形式（除去指向class的引用，锁的管理等等内务事务所占内存），应该有一个int值表示a,以及一个引用，该引用指向b在堆上的存储空间。 
 

为什么要clone  

恩，因为需要。废话。 
有名的GoF设计模式里有一个模式为原型模式，用原型实例指定创建对象的种类,并且通过拷贝这些原型创建新的对象. 
简单的说就是clone一个对象实例。使得clone出来的copy和原有的对象一模一样。 

插一个简单使用clone的例子，如果一个对象内部有可变对象实例的话，public API不应该直接返回该对象的引用，以防调用方的code改变该对象的内部状态。这个时候可以返回该对象的clone。 

问题来了，什么叫一模一样。 
一般来说，有 
x.clone() != x 
x.clone().getClass() == x.getClass() 
x.clone().equals(x) 
但是这些都不是强制的。 
我们需要什么样的clone就搞出什么样的clone好了。 
一般而言，我们要的clone应该是这样的。copy和原型的内容一样，但是又是彼此隔离的。即在clone之后，改变其中一个不影响另外一个。 


Object的clone以及为什么如此实现  

Object的clone的行为是最简单的。以堆上的内存存储解释的话（不计内务内存），对一个对象a的clone就是在堆上分配一个和a在堆上所占存储空间一样大的一块地方，然后把a的堆上内存的内容复制到这个新分配的内存空间上。 
看例子。 

 class User {
     String name;
     int age;
 }

 class Account implements Cloneable {
     User user;
     long balance;

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

 // user.
 User user = new User();
 user.name = "user";
 user.age = 20;
 // account.
 Account account = new Account();
 account.user = user;
 account.balance = 10000;
 // copy.
 Account copy = (Account) account.clone();

 // balance因为是primitive，所以copy和原型是相等且独立的。
 Assert.assertEquals(copy.balance, account.balance);
 copy.balance = 20000;
 // 改变copy不影响原型。
 Assert.assertTrue(copy.balance != account.balance);

 // user因为是引用类型，所以copy和原型的引用是同一的。
 Assert.assertTrue(copy.user == account.user);
 copy.user.name = "newName";
 // 改变的是同一个东西。
 Assert.assertEquals("newName", account.user.name);

 

恩，默认实现是帮了我们一些忙，但是不是全部。 
primitive的确做到了相等且隔离。 
引用类型仅仅是复制了一下引用，copy和原型引用的东西是一样的。 
这个就是所谓的浅copy了。 
要实现深copy，即复制原型中对象的内存copy，而不仅仅是一个引用。只有自己动手了。 
等等，是不是所有的引用类型都需要深copy呢？ 
不是！ 
我们之所以要深copy，是因为默认的实现提供的浅copy不是隔离的，换言之，改变copy的东西，会影响到原型的内部。比如例子中，改变copy的user的name，影响了原型。 
如果我们要copy的类是不可变的呢，如String，没有方法可以改变它的内部状态呢。 

 class User implements Cloneable {
     String name;
     int age;

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

 // user.
 User user = new User();
 user.name = "user";
 user.age = 20;

 // copy
 User copy = (User) user.clone();

 // age因为是primitive，所以copy和原型是相等且独立的。
 Assert.assertEquals(copy.age, user.age);
 copy.age = 30;
 // 改变copy不影响原型。
 Assert.assertTrue(copy.age != user.age);

 // name因为是引用类型，所以copy和原型的引用是同一的。
 Assert.assertTrue(copy.name == user.name);
 // String为不可变类。没有办法可以通过对copy.name的字符串的操作改变这个字符串。
 // 改变引用新的对象不会影响原型。
 copy.name = "newname";
 Assert.assertEquals("newname", copy.name);
 Assert.assertEquals("user", user.name);

可见，在考虑clone时，primitive和不可变对象类型是可以同等对待的。 

java为什么如此实现clone呢？ 
也许有以下考虑。 
1 效率和简单性，简单的copy一个对象在堆上的的内存比遍历一个对象网然后内存深copy明显效率高并且简单。 
2 不给别的类强加意义。如果A实现了Cloneable，同时有一个引用指向B，如果直接复制内存进行深copy的话，意味着B在意义上也是支持Clone的，但是这个是在使用B的A中做的，B甚至都不知道。破坏了B原有的接口。 
3 有可能破坏语义。如果A实现了Cloneable，同时有一个引用指向B，该B实现为单例模式，如果直接复制内存进行深copy的话，破坏了B的单例模式。 
4 方便且更灵活，如果A引用一个不可变对象，则内存deep copy是一种浪费。Shadow copy给了程序员更好的灵活性。 

如何clone  
clone三部曲。 
1 声明实现Cloneable接口。 
2 调用super.clone拿到一个对象，如果父类的clone实现没有问题的话，在该对象的内存存储中，所有父类定义的field都已经clone好了，该类中的primitive和不可变类型引用也克隆好了，可变类型引用都是浅copy。 
3 把浅copy的引用指向原型对象新的克隆体。 
给个例子。 

 class User implements Cloneable {
     String name;
     int age;

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

 class Account implements Cloneable {
     User user;
     long balance;

     @Override
     public Account clone() throws CloneNotSupportedException {
         Account account = null;

         account = (Account) super.clone();
         if (user != null) {
             account.user = user.clone();
         }

         return account;
     }
 }

 

对clone的态度  

clone嘛，我觉得是个好东西，毕竟系统默认实现已经帮我们做了很多事情了。 
但是它也是有缺点的。 
1 手工维护clone的调用链。这个问题不大，程序员有责任做好。 
2 如果class的field是个final的可变类，就不行了。三部曲的第三步没有办法做了。 

考虑一个类对clone的态度，有如下几种。 
1 公开支持：好吧，按照clone三部曲实现吧。前提是父类支持（公开或者默默）。 
2 默默支持：不实现Cloneable接口，但是在类里面有正确的protected的clone实现，这样，该类不支持clone，但是它的子类如果想支持的话也不妨碍。 
3 不支持：好吧，为了明确该目的，提供一个抛CloneNotSupportedException 异常的protected的clone实现。 
4 看情况支持：该类内部可以保存其他类的实例，如果其他类支持则该类支持，如果其他类不支持，该类没有办法，只有不支持。 


其他的选择  

可以用原型构造函数，或者静态copy方法来手工制作一个对象的copy。 
好处是即使class的field为final，也不会影响该方法的使用。不好的地方是所有的primitive赋值都得自己维护。 


和Serializable的比较  

使用Serializable同样可以做到对象的clone。但是： 
Cloneable本身就是为clone设计的，虽然有一些缺点，但是如果它可以clone的话无疑用它来做clone比较合适。如果不行的话用原型构造函数，或者静态copy方法也可以。 

Serializable制作clone的话，添加了太多其它的东西，增加了复杂性。 
1 所有的相关的类都得支持Serializable。这个相比支持Cloneable只会工作量更大 
2 Serializable添加了更多的意义，除了提供一个方法用Serializable制作Clone，该类等于也添加了其它的public API，如果一个类实现了Serializable，等于它的2进制形式就已经是其API的一部分了，不便于该类以后内部的改动。 
3 当类用Serializable来实现clone时，用户如果保存了一个老版本的对象2进制，该类升级，用户用新版本的类反系列化该对象，再调用该对象用Serializable实现的clone。这里为了一个clone的方法又引入了类版本兼容性的问题。不划算。 


性能  

不可否认，JVM越来越快了。 
但是系统默认的native实现还是挺快的。 
clone一个有100个元素的int数组，用系统默认的clone比静态copy方法快2倍左右。