深入理解java的clone

zhang_xzhi_xjtu

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Java 设计模式 JVM Flash J#

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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。

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深入理解java的finalize | Effective Java第二版变更之 Exceptions

2009-10-09 14:13
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34 楼在世界的中心呼喚愛 2015-03-06

时隔1.5年，再看了楼主finalize 文章，终于看懂。
这clone我觉得还是理解下他的思想就行，apache就有bean复制的功能了。效率也不低，也不需要覆写方法clone方法.
我没有跟踪过apache的bean复制源码，不知道是深复制,还是浅复制..

33 楼 zhang_xzhi_xjtu 2014-03-26

madison2 写道

写的好详细呀。。

过奖

32 楼 madison2 2014-03-26

写的好详细呀。。

31 楼 agapple 2010-08-19

to 楼主：

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。

------------------------------------------------------------------

针对这个我做了下测试。

iint fortimes = 1000 * 100;
        int n = 10000;
        int[] ints = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            ints[i] = i;
        }

        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < fortimes; i++) {
            ints.clone();
        }
        System.out.println("clone cost: " + (System.currentTimeMillis() - start));

        start = System.currentTimeMillis();
        int[] intsCopy = new int[n];
        for (int i = 0; i < fortimes; i++) {
            System.arraycopy(ints, 0, intsCopy, 0, ints.length);
        }
        System.out.println("copy cost: " + (System.currentTimeMillis() - start));

        start = System.currentTimeMillis();
        int[] intsfor = new int[n];
        for (int i = 0; i < fortimes; i++) {
            int length = ints.length;
            for (int j = 0; j < length; j++) {
                intsfor[j] = ints[j];
            }
        }
        System.out.println("for copy cost: " + (System.currentTimeMillis() - start));

发现性能没你说的那么好，发现还不如我循环copy来得快。

clone cost: 2698 ms
copy cost: 480 ms
for copy cost: 496 ms

针对String对象的我也做了类似测试，发现效果也没系统的system.arraycopy来的好

clone cost: 2636
copy cost: 523
for copy cost: 2882

不知道LZ的2倍性能提升是咋来的，做了特殊优化？

30 楼 zhang_xzhi_xjtu 2010-08-19

谢谢大家的评论

29 楼 lixia0417 2010-08-19

真是不错，楼主把这个clone讲得真详细啊；

28 楼 kevin850115 2010-02-28

zhang_xzhi_xjtu 写道

public class B {
	int a;
	String b;

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

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);

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);

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;
	}
}

27 楼 zhang_xzhi_xjtu 2009-11-27

恩同意但是不知道大家对什么感兴趣我本来是想写深入系列的
现在有深入clone，深入finalize，还有一个ref的发到blog上了

26 楼 itstarting 2009-11-26

有些基础的东西，仔细深抠也蛮有味道的
如果大家能策划个这样的专题的话，大家的基础会越来越扎实

25 楼 yangtse_ye 2009-11-25

小知识点大学问

24 楼段箭*残箫 2009-10-14

分析的相当的好！~

[flash=200,200][/flash]

23 楼 zhang_xzhi_xjtu 2009-10-13

luojiaxu_adames 写道

也就是说：要clone的类中：原始类型是可以复制的，引用类只是传了个引用，并没有把对象传过去。
那他们为什么这么做呢！

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。

22 楼 luojiaxu_adames 2009-10-13

也就是说：要clone的类中：原始类型是可以复制的，引用类只是传了个引用，并没有把对象传过去。
那他们为什么这么做呢！

21 楼 madbluesky 2009-10-12

恩,原型模式的深copy比较舒服

20 楼 zhang_xzhi_xjtu 2009-10-11

unsid 写道

我记得某大师说过，clone是java里相对比较没用的特性之一，这位大师说在他写java10多年的历史上，用到clone不超过5次，而且几乎都有可替代的解决方法。你能设想一个必须使用clone解决问题或者不使用clone就要绕很大弯路才能实现的场景么？

大师说的话不能全信，因为很多大师说的话都是矛盾的。
基本上任何方法都会有替代的方案的。
clone不止是Cloneable接口而已，而是一个机制，背后的思想是原型模式。
当Cloneable适用于要clone的类时，选择Cloneable本身还是比较简单的，当有其它限制时，考虑copy构造函数或者静态copy方法或者其它方案。

19 楼 zhang_xzhi_xjtu 2009-10-11

galaxystar 写道

如果不考虑性能的话，深copy用serialization是比较简单，有效的做法。

我在主贴里更新了和serialization的比较。

18 楼 unsid 2009-10-11

17 楼 galaxystar 2009-10-11

ideal46 写道

galaxystar 写道

如果不考虑性能的话，深copy用serialization是比较简单，有效的做法。

两者有什么区别与联系？

你可以参考下这篇文章所述：
http://weblogs.java.net/blog/emcmanus/archive/2007/04/cloning_java_ob.html

16 楼 ideal46 2009-10-11

galaxystar 写道

如果不考虑性能的话，深copy用serialization是比较简单，有效的做法。

两者有什么区别与联系？

15 楼 ideal46 2009-10-11

分析的很有道理，我想请教一下 serilization方式的克隆跟结构化类克隆有什么区别？

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