深入理解java的clone

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。

publicclassB{
inta;
Stringb;

publicB(inta,Stringb){
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。

classUser{
Stringname;
intage;
}

classAccountimplementsCloneable{
Useruser;
longbalance;

@Override
publicObjectclone()throwsCloneNotSupportedException{
returnsuper.clone();
}
}

//user.
Useruser=newUser();
user.name="user";
user.age=20;
//account.
Accountaccount=newAccount();
account.user=user;
account.balance=10000;
//copy.
Accountcopy=(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。

classUserimplementsCloneable{
Stringname;
intage;

@Override
publicObjectclone()throwsCloneNotSupportedException{
returnsuper.clone();
}
}

//user.
Useruser=newUser();
user.name="user";
user.age=20;

//copy
Usercopy=(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。

classUserimplementsCloneable{
Stringname;
intage;

@Override
publicUserclone()throwsCloneNotSupportedException{
return(User)super.clone();
}
}

classAccountimplementsCloneable{
Useruser;
longbalance;

@Override
publicAccountclone()throwsCloneNotSupportedException{
Accountaccount=null;

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

returnaccount;
}
}

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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评论

31 楼 agapple 2010-08-19 引用

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。

iintfortimes=1000*100;
intn=10000;
int[]ints=newint[n];
for(inti=0;i<n;i++){
ints[i]=i;
}

longstart=System.currentTimeMillis();
for(inti=0;i<fortimes;i++){
ints.clone();
}
System.out.println("clonecost:"+(System.currentTimeMillis()-start));

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

start=System.currentTimeMillis();
int[]intsfor=newint[n];
for(inti=0;i<fortimes;i++){
intlength=ints.length;
for(intj=0;j<length;j++){
intsfor[j]=ints[j];
}
}
System.out.println("forcopycost:"+(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。

clonecost:2698ms
copycost:480ms
forcopycost:496ms

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

clonecost:2636
copycost:523
forcopycost: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 引用

谢谢大家的评论

29 楼 lixia0417 2010-08-19 引用

真是不错，楼主把这个clone讲得真详细啊；

28 楼 kevin850115 2010-02-28 引用

zhang_xzhi_xjtu 写道

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。

publicclassB{
inta;
Stringb;

publicB(inta,Stringb){
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。

classUser{
Stringname;
intage;
}

classAccountimplementsCloneable{
Useruser;
longbalance;

@Override
publicObjectclone()throwsCloneNotSupportedException{
returnsuper.clone();
}
}

//user.
Useruser=newUser();
user.name="user";
user.age=20;
//account.
Accountaccount=newAccount();
account.user=user;
account.balance=10000;
//copy.
Accountcopy=(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。

classUserimplementsCloneable{
Stringname;
intage;

@Override
publicObjectclone()throwsCloneNotSupportedException{
returnsuper.clone();
}
}

//user.
Useruser=newUser();
user.name="user";
user.age=20;

//copy
Usercopy=(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。

classUserimplementsCloneable{
Stringname;
intage;

@Override
publicUserclone()throwsCloneNotSupportedException{
return(User)super.clone();
}
}

classAccountimplementsCloneable{
Useruser;
longbalance;

@Override
publicAccountclone()throwsCloneNotSupportedException{
Accountaccount=null;

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

returnaccount;
}
}

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。