Java 轻松理解深拷贝与浅拷贝
奔跑的男人 · 130浏览 · 发布于2021-04-27 +关注

前言#

本文代码中有用到一些注解,主要是Lombok与junit用于简化代码。

主要是看到一堆代码会很乱,这样理解更清晰。如果没用过不用太过纠结。

对象的拷贝(克隆)是一个非常高频的操作,主要有以下三种方式:

  • 直接赋值

  • 拷贝:

    • 浅拷贝

    • 深拷贝

因为Java没有指针的概念,或者说是不需要我们去操心,这让我们省去了很多麻烦,但相应的,对于对象的引用、拷贝有时候就会有些懵逼,藏下一些很难发现的bug。

为了避免这些bug,理解这三种操作的作用与区别就是关键。

直接赋值#

用等于号直接赋值是我们平时最常用的一种方式。

它的特点就是直接引用等号右边的对象

先来看下面的例子

先创建一个Person类

@Data
@AllArgsConstructor 
@ToString
public class Person{
    private String name;
    private int age;
    private Person friend;
}

测试

@Test
public void test() {
  Person friend =new Person("老王",30,null);
  Person person1 = new Person("张三", 20, null);
  Person person2 = person1;
  System.out.println("person1: " + person1);
  System.out.println("person2: " + person2 + "\n");
  person1.setName("张四");
  person1.setAge(25);
  person1.setFriend(friend);
  System.out.println("person1: " + person1);
  System.out.println("person2: " + person2);
}

结果

person1: Person(name=张三, age=20, friend=null)
person2: Person(name=张三, age=20, friend=null)

person1: Person(name=张四, age=25, friend=Person(name=老王, age=30, friend=null))
person2: Person(name=张四, age=25, friend=Person(name=老王, age=30, friend=null))

分析:

可以看到通过直接赋值进行拷贝,其实就只是单纯的对前对象进行引用。

如果这些对象都是基础对象当然没什么问题,但是如果对象进行操作,相当于两个对象同属一个实例。

image-20210427101247870

拷贝#

直接赋值虽然方便,但是很多时候并不是我们想要的结果,很多时候我们需要的是两个看似一样但是完全独立的两个对象。

这种时候我们就需要用到一个方法clone()

clone()并不是一个可以直接使用的方法,需要先实现Cloneable接口,然后重写它才能使用。

protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

clone()方法被native关键字修饰,native关键字说明其修饰的方法是一个原生态方法,方法对应的实现不是在当前文件,而是系统或者其他语言来实现。

浅拷贝#

浅拷贝可以实现对象克隆,但是存在一些缺陷。

定义:

  • 如果原型对象的成员变量是值类型,将复制一份给克隆对象,也就是在堆中拥有独立的空间;

  • 如果原型对象的成员变量是引用类型,则将引用对象的地址复制一份给克隆对象,指向相同的内存地址。

举例#

光看定义不太好一下子理解,上代码看例子。

我们先来修改一下Person类,实现Cloneable接口,重写clone()方法,其实很简单,只需要用super调用一下即可

@Data
@AllArgsConstructor
@ToString
public class Person implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private Friend friend;
    @Override
    public Object clone() {
        try {
            return super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

-------
  
@Data
@AllArgsConstructor
public class Friend {
    private String Name;
}

测试

@Test
public void test() {
  Person person1 = new Person("张三", 20, "老王");
  Person person2 = (Person) person1.clone();

  System.out.println("person1: " + person1);
  System.out.println("person2: " + person2 + "\n");
  person1.setName("张四");
  person1.setAge(25);
  person1.setFriend("小王");
  System.out.println("person1: " + person1);
  System.out.println("person2: " + person2);
}

结果

person1: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=老王))
person2: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=老王))

person1: Person(name=张四, age=25, friend=Friend(Name=小王))
person2: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=小王))

可以看到,name age基本对象属性并没改变,而friend引用对象熟悉变了。

原理#

Java浅拷贝的原理其实是把原对象的各个属性的地址拷贝给新对象。

注意我说的是各个属性,就算是基础对象属性其实也是拷贝的地址。

你可能有点晕了,都是拷贝了地址,为什么修改了 person1 对象的 name age 属性值,person2 对象的 name age 属性值没有改变呢?

我们一步步来,拿name属性来说明:

  1. String、Integer 等包装类都是不可变的对象

  2. 当需要修改不可变对象的值时,需要在内存中生成一个新的对象来存放新的值

  3. 然后将原来的引用指向新的地址

  4. 我们修改了 person1 对象的 name 属性值,person1 对象的 name 字段指向了内存中新的 String 对象

  5. 我们并没有改变 person2 对象的 name 字段的指向,所以 person2 对象的 name 还是指向内存中原来的 String 地址

看图

image-20210426233911883

这个图已经很清晰的展示了其中的过程,因为person1 对象改变friend时是改变的引用对象的属性,并不是新建立了一个对象进行替换,原本老王的消失了,变成了小王。所以person2也跟着改变了。

深拷贝#

深拷贝就是我们拷贝的初衷了,无论是值类型还是引用类型都会完完全全的拷贝一份,在内存中生成一个新的对象。

拷贝对象和被拷贝对象没有任何关系,互不影响。

深拷贝相比于浅拷贝速度较慢并且花销较大。

简而言之,深拷贝把要复制的对象所引用的对象都复制了一遍。

image-20210427102157299

因为Java本身的特性,对于不可变的基本值类型,无论如何在内存中都是只有一份的。

所以对于不可变的基本值类型,深拷贝跟浅拷贝一样,不过并不影响什么。

实现:#

想要实现深拷贝并不难,只需要在浅拷贝的基础上进行一点修改即可。

  • 给friend添加一个clone()方法。

  • 在Person类的clone()方法调用friend的clone()方法,将friend也复制一份即可。

@Data
@ToString
public class Person implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private Friend friend;

    public Person(String name, int age, String friend) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.friend = new Friend(friend);
    }

    public void setFriend(String friend) {
        this.friend.setName(friend);
    }

    @Override
    public Object clone() {
        try {
            Person person = (Person)super.clone();
            person.friend = (Friend) friend.clone();
            return person;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

------
  
@Data
@AllArgsConstructor
public class Friend implements Cloneable{
    private String Name;

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

测试

@Test
public void test() {
Person person1 = new Person("张三", 20, "老王");
Person person2 = (Person) person1.clone();

System.out.println("person1: " + person1);
System.out.println("person2: " + person2 + "\n");
person1.setName("张四");
person1.setAge(25);
person1.setFriend("小王");
System.out.println("person1: " + person1);
System.out.println("person2: " + person2);
}

结果

person1: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=老王))
person2: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=老王))

person1: Person(name=张四, age=25, friend=Friend(Name=小王))
person2: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=老王))

分析:

可以看到这次是真正的完全独立了起来。

需要注意的是,如果Friend类本身也存在引用类型,则需要在Friend类中的clone(),也去调用其引用类型的clone()方法,就如是Person类中那样,对!就是套娃!

所以对于存在多层依赖关系的对象,实现Cloneable接口重写clone()方法就显得有些笨拙了。

这里我们在介绍一种方法:利用序列化实现深拷贝

Serializable 实现深拷贝#

修改Person和Friend,实现Serializable接口

@Data
@ToString
public class Person implements Serializable {
    // ......同之前
    public Object deepClone() throws Exception {
        // 序列化
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);

        oos.writeObject(this);

        // 反序列化
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);

        return ois.readObject();
    }
}

---
  
@Data
@AllArgsConstructor
public class Friend implements Serializable {
    private String Name;
}

测试

@Test
public void test() {
    Person person1 = new Person("张三", 20, "老王");
    Person person2 = null;
    try {
        person2 = (Person) person1.deepClone();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }

    System.out.println("person1: " + person1);
    System.out.println("person2: " + person2 + "\n");
    person1.setName("张四");
    person1.setAge(25);
    person1.setFriend("小王");
    System.out.println("person1: " + person1);
    System.out.println("person2: " + person2);
}

结果

person1: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=老王))
person2: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=老王))

person1: Person(name=张四, age=25, friend=Friend(Name=小王))
person2: Person(name=张三, age=20, friend=Friend(Name=老王))

只要将会被复制到的引用对象标记Serializable接口,通过序列化到方式即可实现深拷贝。

原理:

对象被序列化成流后,因为写在流里的是对象的一个拷贝,而原对象仍然存在于虚拟机里面。

通过反序列化就可以获得一个完全相同的拷贝。

利用这个特性就实现了对象的深拷贝。

总结#

  • 直接赋值是将新的对象指向原对象所指向的实例,所以一旦有所修改,两个对象会一起变。

  • 浅拷贝是把原对象属性的地址传给新对象,对于不可变的基础类型,实现了二者的分离,但对于引用对象,二者还是会一起改变。

  • 深拷贝是真正的完全拷贝,二者没有关系。实现深拷贝时如果存在多层依赖关系,可以采用序列化的方式来进行实现。

对于Serializable接口、Cloneable接口,其实都是相当于一个标记,点进去看源码,其实他们是一个空接口。


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