Java深拷贝与序列化

Posted 2020-11-18 纳兰小依

对基本类型的变量进行拷贝非常简单，直接赋值给另外一个对象即可：

1 int b = 50;
2 int a = b;  // 基本类型赋值

对于引用类型的变量（例如 String），情况稍微复杂一些，因为直接等号赋值只是复制了一份引用，而复制前后的两个引用指向的是内存中的同一个对象。

要想实现引用类型的拷贝，可以通过实现 Cloneable 接口，并覆盖其中的 clone 方法来实现。

看一个例子，首先定义一个待拷贝的 Student 类，为简单起见，只设置了一个 name 属性

 1 class Student implements Cloneable{
 2     private String name;
 3 
 4     public String getName() {
 5         return name;
 6     }
 7 
 8     public void setName(String name) {
 9         this.name = name;
10     }
11     
12     @Override
13     public Object clone(){
14         Student s = null;
15         try{
16             s = (Student)super.clone();
17         }catch(Exception e){
18             e.printStackTrace();
19         }
20         return s;
21     }
22 }

Student

可以看到，在 clone 方法里实际上是调用了 super.clone() 方法

接下来对这个类进行复制，只需要调用 clone 方法即可：

1 public void deepCopy(){
2     Student s1 = new Student();
3     s1.setName("zhang");
4         
5     Student s2 = (Student) s1.clone();
6     s1.setName("wang");
7     System.out.println(s1.getName());
8     System.out.println(s2.getName());
9 }

deepCopy

输出结果为：

wang
zhang

由于s1修改了name属性值，输出的结果中s1和s2的name属性并不相同，说明这两个引用指向了不同的 Student 对象，实现了对象拷贝。

但是，如果在Student中间添加一个引用对象，那么这种拷贝方式就会产生问题。

为了说明问题，定义一个Car类，同样只有一个name属性：

 1 class Car{
 2     private String name;
 3 
 4     public String getName() {
 5         return name;
 6     }
 7 
 8     public void setName(String name) {
 9         this.name = name;
10     }
11 }

Car类定义

对 Student 类进行修改，添加一个 Car 类型的属性（略去这部分代码），在 deepCopy 方法里面对 Car 的 name 值进行修改，如下：

 1 public void deepCopy(){
 2     Student s1 = new Student();
 3     s1.setName("zhang");
 4     Car car = new Car();
 5     car.setName("Audi");
 6     s1.setCar(car);
 7         
 8     Student s2 = (Student) s1.clone();
 9     s1.setName("wang");
10     car.setName("BMW");
11     System.out.println(s1.getName());
12     System.out.println(s2.getName());
13     System.out.println(s1.getCar().getName());
14     System.out.println(s2.getCar().getName());
15 }

修改后的deepCopy

修改后的输出结果如下：

wang
zhang
BMW
BMW

我们发现，对于 Car 类型的复制出现了问题，s1 和 s2 的Car属性的 name 值是相同的，都是修改后的 BMW，可以推测 s1 和 s2 的 Car 属性指向了内存中的同一个对象。通过s1.getCar() == s2.getCar() 进行验证，输出为 true，说明确实引用了同一个对象。

出现问题的原因是，上面的方法是浅拷贝方法。所谓浅拷贝，是指拷贝对象的时候只是对其中的基本类型属性进行复制，而并不拷贝对象中的引用属性。而我们想要实现的效果是连同 Student 中的引用类型属性一起复制，这就是深拷贝。深拷贝是一个整个独立的对象拷贝，深拷贝会拷贝所有的属性,并拷贝属性指向的动态分配的内存。当对象和它所引用的对象一起拷贝时即发生深拷贝。深拷贝相比于浅拷贝速度较慢并且花销较大

为了解决这个问题，一种可行的方式是让 Car 类也实现 Cloneable 接口，并覆盖 clone 方法，在 Student 类的 clone 方法里加上一行代码：

this.car = (Car)car.clone()

这样的确能够解决 Car 没有复制的问题，然而如果 Student 中有多个引用类型属性，这些对象有可能也会有其他的引用类型属性，那么上面这种做法就要去所有的相关类都要实现 Cloneable 接口，并覆盖 clone 方法，不仅麻烦，而且非常不利于后期维护和扩展。

一种比较优雅的做法是利用 Java 的序列化和反序列化实现深拷贝。序列化是指将对象转换成字节序列的过程，反序列化是指将字节序列还原成对象的过程。一般在对象持久化保持或者进行网络传输的时候会用到序列化。【需要注意的是 static 和 transient 类型的变量不会被序列化】

利用序列化和反序列化进行深拷贝比较简单，只需要实现 Serializable 接口就行。我们对Student类就行修改，如下：

 1 class Student implements Serializable{
 2     
 3     //private static final long serialVersionUID = 1L;
 4     
 5     private String name;
 6     private Car car;
 7 
 8     public Car getCar() {
 9         return car;
10     }
11 
12     public void setCar(Car car) {
13         this.car = car;
14     }
15 
16     public String getName() {
17         return name;
18     }
19 
20     public void setName(String name) {
21         this.name = name;
22     }
23 }

修改后的Student

这里暂时忽略其中的 serialVersionUID 属性，让Car类也同样实现 Serializable 接口，之后定义一个深拷贝的方法：

 1 public void deepCopyWithSerialize(){
 2     Student s1 = new Student();
 3     s1.setName("zhang111");
 4     Car car = new Car();
 5     car.setName("Audi");
 6     s1.setCar(car);
 7         
 8     ObjectOutputStream oo;
 9     try {
10         oo = new ObjectOutputStream (new FileOutputStream("a.txt"));
11         oo.writeObject(s1);
12         oo.close();
13             
14         ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("a.txt")); 
15         Student s2 = (Teacher) ois.readObject();
16             
17         s1.setName("wahah");
18         car.setName("BMW");
19         System.out.println(s1.getName());
20         System.out.println(s2.getName());
21         System.out.println(s1.getCar().getName());
22         System.out.println(s2.getCar().getName());
23     } catch (IOException e) {
24         // TODO Auto-generated catch block
25         e.printStackTrace();
26     } catch (ClassNotFoundException e) {
27         // TODO Auto-generated catch block
28         e.printStackTrace();
29     }
30         
31 }

deepCopyWithSerialize

输出结果为：

wahah
zhang111
BMW
Audi

输出结果

可以看出，成功实现了对象的深拷贝。这里选择了利用文件来保存序列化的对象，也可以选择其他的形式，例如 ByteArrayOutputStream 

1 ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
2 ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
3 oos.writeObject(s1);           
4             
5 // 从流中读出对象
6 ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(baos.toByteArray());
7 ObjectInputStream  ois = new ObjectInputStream(bais)
8 Student s2 = ois.readObject();

ByteArrayOutputStream序列化

接下来解释一下刚才忽略的 serialVersionUID，根据名字知道这是一个与对象的状态有关的变量，如果代码中没有定义这样的变量，那么在运行的时候会按照一定的方式自动生成，在反序列化的时候会对这个值进行判断，如果两个值不相等，会抛出 InvalidClassException 。由于计算默认的 serialVersionUID 对类的详细信息具有较高的敏感性，一般建议在序列化的时候主动提供这个参数。

【总结】

① Cloneable 接口的 clone 方法默认是浅拷贝，需要自行覆盖才能实现深拷贝。

② 使用 Serializable 序列化的方式实现深拷贝比较简单，但是需要注意定义 serialVersionUID 的值，并且 static 和 transient 类型的变量不会被序列化。

【参考资料】

本文的内容主要参考了以下的博客，在此表示感谢

Benson的专栏-Java如何复制对象

田木木-深克隆

请叫我大师兄-Java 之 Serializable 序列化和反序列化的概念,作用的通俗易懂的解释

Java中的关键字 transient

Java序列化之排除被序列化字段(transient/静态变量)