2002 年 12 月 23 日
Java語言的一個優(yōu)點就是取消了指針的概念，但也導(dǎo)致了許多程序員在編程中常常忽略了對象與引用的區(qū)別，本文會試圖澄清這一概念。并且由于Java不能通過簡單的賦值來解決對象復(fù)制的問題，在開發(fā)過程中，也常常要要應(yīng)用clone（）方法來復(fù)制對象。本文會讓你了解什么是影子clone與深度clone，認(rèn)識它們的區(qū)別、優(yōu)點及缺點。
看到這個標(biāo)題，是不是有點困惑：Java語言明確說明取消了指針，因為指針往往是在帶來方便的同時也是導(dǎo)致代碼不安全的根源，同時也會使程序的變得非常復(fù)雜難以理解，濫用指針寫成的代碼不亞于使用早已臭名昭著的"GOTO"語句。Java放棄指針的概念絕對是極其明智的。但這只是在Java語言中沒有明確的指針定義，實質(zhì)上每一個new語句返回的都是一個指針的引用，只不過在大多時候Java中不用關(guān)心如何操作這個"指針"，更不用象在操作C＋＋的指針那樣膽戰(zhàn)心驚。唯一要多多關(guān)心的是在給函數(shù)傳遞對象的時候。如下例程：
package reference; class Obj{ String str = "init value"; public String toString(){ return str; } } public class ObjRef{ Obj aObj = new Obj(); //定義時候即new了 int aInt = 11; public void changeObj(Obj inObj){ inObj.str = "changed value"; } public void changePri(int inInt){ inInt = 22; } public static void main(String[] args) { ObjRef oRef = new ObjRef(); System.out.println("Before call changeObj() method: " + oRef.aObj); oRef.changeObj(oRef.aObj);//---- 對象，傳引用 System.out.println("After call changeObj() method: " + oRef.aObj); System.out.println("==================Print Primtive================="); System.out.println("Before call changePri() method: " + oRef.aInt); oRef.changePri(oRef.aInt);//---- 內(nèi)置類型，傳值 System.out.println("After call changePri() method: " + oRef.aInt); } } /* RUN RESULT Before call changeObj() method: init value After call changeObj() method: changed value ==================Print Primtive================= Before call changePri() method: 11 After call changePri() method: 11 * */ |
這段代碼的主要部分調(diào)用了兩個很相近的方法，changeObj()和changePri()。唯一不同的是它們一個把對象作為輸入?yún)?shù)，另一個把Java中的基本類型int作為輸入?yún)?shù)。并且在這兩個函數(shù)體內(nèi)部都對輸入的參數(shù)進(jìn)行了改動。看似一樣的方法，程序輸出的結(jié)果卻不太一樣。changeObj()方法真正的把輸入的參數(shù)改變了，而changePri()方法對輸入的參數(shù)沒有任何的改變。
從這個例子知道Java對對象和基本的數(shù)據(jù)類型的處理是不一樣的。和C語言一樣，當(dāng)把Java的基本數(shù)據(jù)類型（如int，char，double等）作為入口參數(shù)傳給函數(shù)體的時候，傳入的參數(shù)在函數(shù)體內(nèi)部變成了局部變量，這個局部變量是輸入?yún)?shù)的一個拷貝，所有的函數(shù)體內(nèi)部的操作都是針對這個拷貝的操作，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后，這個局部變量也就完成了它的使命，它影響不到作為輸入?yún)?shù)的變量。這種方式的參數(shù)傳遞被稱為"值傳遞"。而在Java中用對象的作為入口參數(shù)的傳遞則缺省為"引用傳遞"，也就是說僅僅傳遞了對象的一個"引用"，這個"引用"的概念同C語言中的指針引用是一樣的。當(dāng)函數(shù)體內(nèi)部對輸入變量改變時，實質(zhì)上就是在對這個對象的直接操作。
除了在函數(shù)傳值的時候是"引用傳遞"，在任何用"＝"向?qū)ο笞兞抠x值的時候都是"引用傳遞"。如：
package reference; class PassObj { String str = "init value"; } public class ObjPassValue { public static void main(String[] args) { PassObj objA = new PassObj(); PassObj objB = objA; objA.str = "changed in objA"; System.out.println("Print objB.str value: " + objB.str); } } /* RUN RESULT Print objB.str value: changed in objA */ |
第一句是在內(nèi)存中生成一個新的PassObj對象，然后把這個PassObj的引用賦給變量objA，第二句是把PassObj對象的引用又賦給了變量objB。此時objA和objB是兩個完全一致的變量，以后任何對objA的改變都等同于對objB的改變。
即使明白了Java語言中的"指針"概念也許還會不經(jīng)意間犯下面的錯誤。
l Hashtable真的能存儲對象嗎？
看一看下面的很簡單的代碼，先是聲明了一個Hashtable和StringBuffer對象，然后分四次把StriingBuffer對象放入到Hashtable表中，在每次放入之前都對這個StringBuffer對象append()了一些新的字符串：
package reference; import java.util.*; public class HashtableAdd{ public static void main(String[] args){ Hashtable ht = new Hashtable(); StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append("abc,"); ht.put("1",sb); sb.append("def,"); ht.put("2",sb); sb.append("mno,"); ht.put("3",sb); sb.append("xyz."); ht.put("4",sb); int numObj=0; Enumeration it = ht.elements(); while(it.hasMoreElements()){ System.out.print("get StringBufffer "+(++numObj)+" from Hashtable: "); System.out.println(it.nextElement()); } } } |
如果你認(rèn)為輸出的結(jié)果是：
get StringBufffer 1 from Hashtable: abc,
get StringBufffer 2 from Hashtable: abc,def，
get StringBufffer 3 from Hashtable: abc,def,mno,
get StringBufffer 4 from Hashtable: abc,def,mno,xyz.
那么你就要回過頭再仔細(xì)看一看上一個問題了，把對象時作為入口參數(shù)傳給函數(shù)，實質(zhì)上是傳遞了對象的引用，向Hashtable傳遞StringBuffer對象也是只傳遞了這個StringBuffer對象的引用！每一次向Hashtable表中put一次StringBuffer，并沒有生成新的StringBuffer對象，只是在Hashtable表中又放入了一個指向同一StringBuffer對象的引用而已。
對Hashtable表存儲的任何一個StringBuffer對象（更確切的說應(yīng)該是對象的引用）的改動，實際上都是對同一個"StringBuffer"的改動。所以Hashtable并不能真正存儲能對象，而只能存儲對象的引用。也應(yīng)該知道這條原則對與Hashtable相似的Vector, List, Map, Set等都是一樣的。
上面的例程的實際輸出的結(jié)果是：
/* RUN RESULT get StringBufffer 1 from Hashtable: abc,def,mno,xyz. get StringBufffer 2 from Hashtable: abc,def,mno,xyz. get StringBufffer 3 from Hashtable: abc,def,mno,xyz. get StringBufffer 4 from Hashtable: abc,def,mno,xyz. */ |
l 類，對象與引用
Java最基本的概念就是類，類包括函數(shù)和變量。如果想要應(yīng)用類，就要把類生成對象，這個過程被稱作"類的實例化"。有幾種方法把類實例化成對象，最常用的就是用"new"操作符。類實例化成對象后，就意味著要在內(nèi)存中占據(jù)一塊空間存放實例。想要對這塊空間操作就要應(yīng)用到對象的引用。引用在Java語言中的體現(xiàn)就是變量，而變量的類型就是這個引用的對象。雖然在語法上可以在生成一個對象后直接調(diào)用該對象的函數(shù)或變量，如：
new String("Hello NDP")).substring(0,3) //RETURN RESULT: Hel |
但由于沒有相應(yīng)的引用，對這個對象的使用也只能局限這條語句中了。（回立即銷毀嗎？內(nèi)存回收機制是不是使用了引用計數(shù)的方式呢？）
- 產(chǎn)生：引用總是在把對象作參數(shù)"傳遞"的過程中自動發(fā)生，不需要人為的產(chǎn)生，也不能人為的控制引用的產(chǎn)生。這個傳遞包括把對象作為函數(shù)的入口參數(shù)的情況，也包括用"＝"進(jìn)行對象賦值的時候。
- 范圍：只有局部的引用，沒有局部的對象。引用在Java語言的體現(xiàn)就是變量，而變量在Java語言中是有范圍的，可以是局部的，也可以是全局的。
- 生存期：程序只能控制引用的生存周期。對象的生存期是由Java控制。用"new Object()"語句生成一個新的對象，是在計算機的內(nèi)存中聲明一塊區(qū)域存儲對象，只有Java的垃圾收集器才能決定在適當(dāng)?shù)臅r候回收對象占用的內(nèi)存。
- 沒有辦法阻止對引用的改動。
l 什么是"clone"？
在實際編程過程中，我們常常要遇到這種情況：有一個對象A，在某一時刻A中已經(jīng)包含了一些有效值，此時可能會需要一個和A完全相同新對象B，并且此后對B任何改動都不會影響到A中的值，也就是說，A與B是兩個獨立的對象，但B的初始值是由A對象確定的。在Java語言中，用簡單的賦值語句是不能滿足這種需求的。要滿足這種需求雖然有很多途徑，但實現(xiàn)clone（）方法是其中最簡單，也是最高效的手段。
Java的所有類都默認(rèn)繼承java.lang.Object類，在java.lang.Object類中有一個方法clone()。JDK API的說明文檔解釋這個方法將返回Object對象的一個拷貝。要說明的有兩點：一是拷貝對象返回的是一個新對象，而不是一個引用。二是拷貝對象與用new操作符返回的新對象的區(qū)別就是這個拷貝已經(jīng)包含了一些原來對象的信息，而不是對象的初始信息。
l 怎樣應(yīng)用clone()方法？
一個很典型的調(diào)用clone()代碼如下：
class CloneClass implements Cloneable{ public int aInt; public Object clone(){ CloneClass o = null; try{ o = (CloneClass)super.clone(); }catch(CloneNotSupportedException e){ e.printStackTrace(); } return o; } ｝ |
有三個值得注意的地方，一是希望能實現(xiàn)clone功能的CloneClass類實現(xiàn)了Cloneable接口，這個接口屬于java.lang包，java.lang包已經(jīng)被缺省的導(dǎo)入類中，所以不需要寫成java.lang.Cloneable。另一個值得請注意的是重載了clone()方法。最后在clone()方法中調(diào)用了super.clone()，這也意味著無論clone類的繼承結(jié)構(gòu)是什么樣的，super.clone()直接或間接調(diào)用了java.lang.Object類的clone()方法。下面再詳細(xì)的解釋一下這幾點。
應(yīng)該說第三點是最重要的，仔細(xì)觀察一下Object類的clone()一個native方法，native方法的效率一般來說都是遠(yuǎn)高于java中的非native方法。這也解釋了為什么要用Object中clone()方法而不是先new一個類，然后把原始對象中的信息賦到新對象中，雖然這也實現(xiàn)了clone功能。對于第二點，也要觀察Object類中的clone()還是一個protected屬性的方法。這也意味著如果要應(yīng)用clone()方法，必須繼承Object類，在Java中所有的類是缺省繼承Object類的，也就不用關(guān)心這點了。然后重載clone()方法。還有一點要考慮的是為了讓其它類能調(diào)用這個clone類的clone()方法，重載之后要把clone()方法的屬性設(shè)置為public。
那么clone類為什么還要實現(xiàn)Cloneable接口呢？稍微注意一下，Cloneable接口是不包含任何方法的！其實這個接口僅僅是一個標(biāo)志，而且這個標(biāo)志也僅僅是針對Object類中clone()方法的，如果clone類沒有實現(xiàn)Cloneable接口，并調(diào)用了Object的clone()方法（也就是調(diào)用了super.Clone()方法），那么Object的clone()方法就會拋出CloneNotSupportedException異常。
以上是clone的最基本的步驟，想要完成一個成功的clone，還要了解什么是"影子clone"和"深度clone"。
l 什么是影子clone？
下面的例子包含三個類UnCloneA，CloneB，CloneMain。CloneB類包含了一個UnCloneA的實例和一個int類型變量，并且重載clone()方法。CloneMain類初始化UnCloneA類的一個實例b1，然后調(diào)用clone()方法生成了一個b1的拷貝b2。最后考察一下b1和b2的輸出：
package clone; class UnCloneA { private int i; public UnCloneA(int ii) { i = ii; } public void doubleValue() { i *= 2; } public String toString() { return Integer.toString(i); } } class CloneB implements Cloneable{ public int aInt; public UnCloneA unCA = new UnCloneA(111); public Object clone(){ CloneB o = null; try{ o = (CloneB)super.clone(); }catch(CloneNotSupportedException e){ e.printStackTrace(); } return o; } } public class CloneMain { public static void main(String[] a){ CloneB b1 = new CloneB(); b1.aInt = 11; System.out.println("before clone,b1.aInt = "+ b1.aInt); System.out.println("before clone,b1.unCA = "+ b1.unCA); CloneB b2 = (CloneB)b1.clone(); b2.aInt = 22; b2.unCA.doubleValue(); System.out.println("================================="); System.out.println("after clone,b1.aInt = "+ b1.aInt); System.out.println("after clone,b1.unCA = "+ b1.unCA); System.out.println("================================="); System.out.println("after clone,b2.aInt = "+ b2.aInt); System.out.println("after clone,b2.unCA = "+ b2.unCA); } } /** RUN RESULT: before clone,b1.aInt = 11 before clone,b1.unCA = 111 ================================= after clone,b1.aInt = 11 after clone,b1.unCA = 222 ================================= after clone,b2.aInt = 22 after clone,b2.unCA = 222 */ |
輸出的結(jié)果說明int類型的變量aInt和UnCloneA的實例對象unCA的clone結(jié)果不一致，int類型是真正的被clone了，因為改變了b2中的aInt變量，對b1的aInt沒有產(chǎn)生影響，也就是說，b2.aInt與b1.aInt已經(jīng)占據(jù)了不同的內(nèi)存空間，b2.aInt是b1.aInt的一個真正拷貝。相反，對b2.unCA的改變同時改變了b1.unCA，很明顯，b2.unCA和b1.unCA是僅僅指向同一個對象的不同引用！從中可以看出，調(diào)用Object類中clone()方法產(chǎn)生的效果是：先在內(nèi)存中開辟一塊和原始對象一樣的空間，然后原樣拷貝原始對象中的內(nèi)容。對基本數(shù)據(jù)類型，這樣的操作是沒有問題的，但對非基本類型變量，我們知道它們保存的僅僅是對象的引用，這也導(dǎo)致clone后的非基本類型變量和原始對象中相應(yīng)的變量指向的是同一個對象。
大多時候，這種clone的結(jié)果往往不是我們所希望的結(jié)果，這種clone也被稱為"影子clone"。要想讓b2.unCA指向與b2.unCA不同的對象，而且b2.unCA中還要包含b1.unCA中的信息作為初始信息，就要實現(xiàn)深度clone。
l 怎么進(jìn)行深度clone？
把上面的例子改成深度clone很簡單，需要兩個改變：一是讓UnCloneA類也實現(xiàn)和CloneB類一樣的clone功能（實現(xiàn)Cloneable接口，重載clone()方法）。二是在CloneB的clone()方法中加入一句o.unCA = (UnCloneA)unCA.clone();
程序如下：
package clone.ext; class UnCloneA implements Cloneable{ private int i; public UnCloneA(int ii) { i = ii; } public void doubleValue() { i *= 2; } public String toString() { return Integer.toString(i); } public Object clone(){ UnCloneA o = null; try{ o = (UnCloneA)super.clone(); }catch(CloneNotSupportedException e){ e.printStackTrace(); } return o; } } class CloneB implements Cloneable{ public int aInt; public UnCloneA unCA = new UnCloneA(111); public Object clone(){ CloneB o = null; try{ o = (CloneB)super.clone(); }catch(CloneNotSupportedException e){ e.printStackTrace(); } o.unCA = (UnCloneA)unCA.clone(); return o; } } public class CloneMain { public static void main(String[] a){ CloneB b1 = new CloneB(); b1.aInt = 11; System.out.println("before clone,b1.aInt = "+ b1.aInt); System.out.println("before clone,b1.unCA = "+ b1.unCA); CloneB b2 = (CloneB)b1.clone(); b2.aInt = 22; b2.unCA.doubleValue(); System.out.println("================================="); System.out.println("after clone,b1.aInt = "+ b1.aInt); System.out.println("after clone,b1.unCA = "+ b1.unCA); System.out.println("================================="); System.out.println("after clone,b2.aInt = "+ b2.aInt); System.out.println("after clone,b2.unCA = "+ b2.unCA); } } /** RUN RESULT: before clone,b1.aInt = 11 before clone,b1.unCA = 111 ================================= after clone,b1.aInt = 11 after clone,b1.unCA = 111 ================================= after clone,b2.aInt = 22 after clone,b2.unCA = 222 */ |
可以看出，現(xiàn)在b2.unCA的改變對b1.unCA沒有產(chǎn)生影響。此時b1.unCA與b2.unCA指向了兩個不同的UnCloneA實例，而且在CloneB b2 = (CloneB)b1.clone();調(diào)用的那一刻b1和b2擁有相同的值，在這里，b1.i = b2.i = 11。
要知道不是所有的類都能實現(xiàn)深度clone的。例如，如果把上面的CloneB類中的UnCloneA類型變量改成StringBuffer類型，看一下JDK API中關(guān)于StringBuffer的說明，StringBuffer沒有重載clone()方法，更為嚴(yán)重的是StringBuffer還是一個final類，這也是說我們也不能用繼承的辦法間接實現(xiàn)StringBuffer的clone。如果一個類中包含有StringBuffer類型對象或和StringBuffer相似類的對象，我們有兩種選擇：要么只能實現(xiàn)影子clone，要么就在類的clone()方法中加一句（假設(shè)是SringBuffer對象，而且變量名仍是unCA）： o.unCA = new StringBuffer(unCA.toString()); //原來的是：o.unCA = (UnCloneA)unCA.clone();
還要知道的是除了基本數(shù)據(jù)類型能自動實現(xiàn)深度clone以外，String對象是一個例外，它clone后的表現(xiàn)好象也實現(xiàn)了深度clone，雖然這只是一個假象，但卻大大方便了我們的編程。
l Clone中String和StringBuffer的區(qū)別
應(yīng)該說明的是，這里不是著重說明String和StringBuffer的區(qū)別，但從這個例子里也能看出String類的一些與眾不同的地方。
下面的例子中包括兩個類，CloneC類包含一個String類型變量和一個StringBuffer類型變量，并且實現(xiàn)了clone()方法。在StrClone類中聲明了CloneC類型變量c1，然后調(diào)用c1的clone()方法生成c1的拷貝c2，在對c2中的String和StringBuffer類型變量用相應(yīng)的方法改動之后打印結(jié)果：
package clone; class CloneC implements Cloneable{ public String str; public StringBuffer strBuff; public Object clone(){ CloneC o = null; try{ o = (CloneC)super.clone(); }catch(CloneNotSupportedException e){ e.printStackTrace(); } return o; } } public class StrClone { public static void main(String[] a){ CloneC c1 = new CloneC(); c1.str = new String("initializeStr"); c1.strBuff = new StringBuffer("initializeStrBuff"); System.out.println("before clone,c1.str = "+ c1.str); System.out.println("before clone,c1.strBuff = "+ c1.strBuff); CloneC c2 = (CloneC)c1.clone(); c2.str = c2.str.substring(0,5); c2.strBuff = c2.strBuff.append(" change strBuff clone"); System.out.println("================================="); System.out.println("after clone,c1.str = "+ c1.str); System.out.println("after clone,c1.strBuff = "+ c1.strBuff); System.out.println("================================="); System.out.println("after clone,c2.str = "+ c2.str); System.out.println("after clone,c2.strBuff = "+ c2.strBuff); } } /* RUN RESULT before clone,c1.str = initializeStr before clone,c1.strBuff = initializeStrBuff ================================= after clone,c1.str = initializeStr after clone,c1.strBuff = initializeStrBuff change strBuff clone ================================= after clone,c2.str = initi after clone,c2.strBuff = initializeStrBuff change strBuff clone * */ |
打印的結(jié)果可以看出，String類型的變量好象已經(jīng)實現(xiàn)了深度clone，因為對c2.str的改動并沒有影響到c1.str！難道Java把Sring類看成了基本數(shù)據(jù)類型？其實不然，這里有一個小小的把戲，秘密就在于c2.str = c2.str.substring(0,5)這一語句！實質(zhì)上，在clone的時候c1.str與c2.str仍然是引用，而且都指向了同一個String對象。但在執(zhí)行c2.str = c2.str.substring(0,5)的時候，它作用相當(dāng)于生成了一個新的String類型，然后又賦回給c2.str。這是因為String被Sun公司的工程師寫成了一個不可更改的類（immutable class），在所有String類中的函數(shù)都不能更改自身的值。下面給出很簡單的一個例子：
package clone;
public class StrTest { public static void main(String[] args) {
String str1 = "This is a test for immutable";
String str2 = str1.substring(0,8);
System.out.println("print str1 : " + str1);
System.out.println("print str2 : " + str2); }
} /* RUN RESULT print str1 : This is a test for immutable print str2 : This is */
例子中，雖然str1調(diào)用了substring()方法，但str1的值并沒有改變。類似的，String類中的其它方法也是如此。當(dāng)然如果我們把最上面的例子中的這兩條語句
c2.str = c2.str.substring(0,5); c2.strBuff = c2.strBuff.append(" change strBuff clone"); |
改成下面這樣：
c2.str.substring(0,5); c2.strBuff.append(" change strBuff clone"); |
去掉了重新賦值的過程，c2.str也就不能有變化了，我們的把戲也就露餡了。但在編程過程中只調(diào)用
語句是沒有任何意義的。
應(yīng)該知道的是在Java中所有的基本數(shù)據(jù)類型都有一個相對應(yīng)的類，象Integer類對應(yīng)int類型，Double類對應(yīng)double類型等等，這些類也與String類相同，都是不可以改變的類。也就是說，這些的類中的所有方法都是不能改變其自身的值的。這也讓我們在編clone類的時候有了一個更多的選擇。同時我們也可以把自己的類編成不可更改的類。
關(guān)于作者
倪大鵬，有五年的軟件開發(fā)經(jīng)驗，其中的近四年時間里是在從事與Java相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)。你可以通過e-mail: ndp@21cn.com與他聯(lián)系。