Массивы

Клонирование

Механизм клонирования, как следует из названия, позволяет порождать новые объекты на основе существующего, которые обладали бы точно таким же состоянием, что и исходный. То есть ожидается, что для исходного объекта, представленного ссылкой x, и результата клонирования, возвращаемого методом x.clone(), выражение

x != x.clone()

должно быть истинным, как и выражение

x.clone().getClass() == x.getClass()

Наконец, выражение

x.equals(x.clone())

также верно. Реализация такого метода clone() осложняется целым рядом потенциальных проблем, например:

• класс, от которого порожден объект, может иметь разнообразные конструкторы, которые к тому же могут быть недоступны (например, модификатор доступа private );
• цепочка наследования, которой принадлежит исходный класс, может быть довольно длинной, и каждый родительский класс может иметь свои поля – недоступные, но важные для воссоздания состояния исходного объекта;
• в зависимости от логики реализации возможна ситуация, когда не все поля должны копироваться для корректного клонирования; одни могут оказаться лишними, другие потребуют дополнительных вычислений или преобразований;
• возможна ситуация, когда объект нельзя клонировать, дабы не нарушить целостность системы.

Поэтому было реализовано следующее решение.

Класс Object содержит метод clone(). Рассмотрим его объявление:

protected native Object clone() 
    throws CloneNotSupportedException;

Именно он используется для клонирования. Далее возможны два варианта.

Первый вариант: разработчик может в своем классе переопределить этот метод и реализовать его по своему усмотрению, решая перечисленные проблемы так, как того требует логика разрабатываемой системы. Упомянутые условия, которые должны быть истинными для клонированного объекта, не являются обязательными и программист может им не следовать, если это требуется для его класса.

Второй вариант предполагает использование реализации метода clone() в самом классе Object. То, что он объявлен как native, говорит о том, что его реализация предоставляется виртуальной машиной. Естественно, перечисленные трудности легко могут быть преодолены самой JVM, ведь она хранит в памяти все свойства объектов.

При выполнении метода clone() сначала проверяется, можно ли клонировать исходный объект. Если разработчик хочет сделать объекты своего класса доступными для клонирования через Object.clone(), то он должен реализовать в своем классе интерфейс Cloneable. В этом интерфейсе нет ни одного элемента, он служит лишь признаком для виртуальной машины, что объекты могут быть клонированы. Если проверка не выполняется успешно, метод порождает ошибку CloneNotSupportedException.

Если интерфейс Cloneable реализован, то порождается новый объект от того же класса, от которого был создан исходный объект. При этом копирование выполняется на уровне виртуальной машины, никакие конструкторы не вызываются. Затем значения всех полей, объявленных, унаследованных либо объявленных в родительских классах, копируются. Полученный объект возвращается в качестве клона.

Обратите внимание, что сам класс Object не реализует интерфейс Cloneable, а потому попытка вызова new Object().clone() будет приводить к ошибке. Метод clone() предназначен скорее для использования в наследниках, которые могут обращаться к нему с помощью выражения super.clone(). При этом могут быть сделаны следующие изменения:

• модификатор доступа расширен до public ;
• удалено предупреждение об ошибке CloneNotSupportedException ;
• результирующий объект может быть модифицирован любым способом, на усмотрение разработчика.

Напомним, что все массивы реализуют интерфейс Cloneable и, таким образом, доступны для клонирования.

Важно помнить, что все поля клонированного объекта приравниваются, их значения никогда не клонируются. Рассмотрим пример:

public class Test implements Cloneable {
  Point p;
  int height;

  public Test(int x, int y, int z) {
    p=new Point(x, y);
    height=z;
  }

  public static void main(String s[]) {
    Test t1=new Test(1, 2, 3), t2=null;
    try {
      t2=(Test) t1.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {}
    t1.p.x=-1;
    t1.height=-1;
    System.out.println("t2.p.x=" + t2.p.x + ", t2.height=" + t2.height);
  }
}

Результатом работы программы будет:

t2.p.x=-1, t2.height=3

Из примера видно, что примитивное поле было скопировано и далее существует независимо в исходном и клонированном объектах. Изменение одного не сказывается на другом.

А вот ссылочное поле было скопировано по ссылке, оба объекта ссылаются на один и тот же экземпляр класса Point. Поэтому изменения, происходящие с исходным объектом, сказываются на клонированном.

Этого можно избежать, если переопределить метод clone() в классе Test.

public Object clone() {
   Test clone=null;
   try {
      clone=(Test) super.clone();
   } catch (CloneNotSupportedException e) {
      throw new InternalError(e.getMessage());
   }
   clone.p=(Point)this.p.clone();
   return clone;
}

Обратите внимание, что результат метода Object.clone() приходится явно приводить к типу Test, хотя его реализация гарантирует, что клонированный объект будет порожден именно от этого класса. Однако тип возвращаемого значения в данном методе для универсальности объявлен как Object, поэтому явное сужение необходимо.

Теперь метод main можно упростить:

public static void main(String s[]) {
   Test t1=new Test(1, 2, 3);
   Test t2=(Test) t1.clone();
   t1.p.x=-1;
   t1.height=-1;
   System.out.println("t2.p.x=" + t2.p.x +
     ", t2.height=" + t2.height);
}

Результатом будет:

t2.p.x=1, t2.height=3

То есть теперь все поля исходного и клонированного объектов стали независимыми.

Реализация такого "неглубокого" клонирования в методе Object.clone() необходима, так как в противном случае клонирование второстепенного объекта могло бы привести к огромным затратам ресурсов, ведь этот объект может содержать ссылки на более значимые объекты, а те при клонировании также начали бы копировать свои поля, и так далее. Кроме того, типом поля клонируемого объекта может быть класс, не реализующий Cloneable, что приводило бы к дополнительным проблемам. Как показано в примере, при необходимости дополнительное копирование можно добавить самостоятельно.

Клонирование массивов

Итак, любой массив может быть клонирован. В этом разделе хотелось бы рассмотреть особенности, возникающие из-за того, что Object.clone() копирует только один объект.

Рассмотрим пример:

int a[]={1, 2, 3};
int b[]=(int[])a.clone();
a[0]=0;
System.out.println(b[0]);

Результатом будет единица, что вполне очевидно, так как весь массив представлен одним объектом, который не будет зависеть от своей копии. Усложняем пример:

int a[][]={{1, 2}, {3}};
int b[][]=(int[][]) a.clone();

if (...) {
   // первый вариант:
   a[0]=new int[]{0};
   System.out.println(b[0][0]);
} else {
   // второй вариант:
   a[0][0]=0;
   System.out.println(b[0][0]);
}

Разберем, что будет происходить в этих двух случаях. Начнем с того, что в первой строке создается двумерный массив, состоящий из двух одномерных. Итого три объекта. Затем, на следующей строке при клонировании будет создан новый двумерный массив, содержащий ссылки на те же самые одномерные массивы.

Теперь несложно предсказать результат обоих вариантов. В первом случае в исходном массиве меняется ссылка, хранящаяся в первом элементе, что не принесет никаких изменений для клонированного объекта. На консоли появится 1.

Во втором случае модифицируется существующий массив, что скажется на обоих двухмерных массивах. На консоли появится 0.

Обратите внимание, что если из примера убрать условие if-else, так, чтобы отрабатывал первый вариант, а затем второй, то результатом будет опять 1, поскольку в части второго варианта модифицироваться будет уже новый массив, порожденный в части первого варианта.

Таким образом, в Java предоставляется мощный, эффективный и гибкий механизм клонирования, который легко применять и модифицировать под конкретные нужды. Особенное внимание должно уделяться копированию объектных полей, которые по умолчанию копируются только по ссылке.