第13项：谨慎地重写clone方法

最新推荐文章于 2024-09-03 16:27:29 发布

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本文探讨了Java中Cloneable接口的用途和不足，详细解释了如何正确实现clone方法，包括需要处理的异常、字段的复制，以及何时使用构造函数或工厂方法作为替代。还强调了在涉及可变对象时，clone方法的复杂性和潜在问题，以及如何避免这些问题。

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Cloneable接口的目的是作为对象的一个mixin接口（mixin interface）（第20项），表明这样的类【的对象】是允许克隆的。遗憾的是，它没有达到这个目的。它的主要缺陷是缺少克隆方法，而Object的clone方法【的访问权限】是受保护【protect】的，如果不采用反射（第65项），就不能仅仅因为它实现了Cloneable而在对象上调用clone方法。即使是反射调用也可能失败，因为无法保证对象具有可访问的clone方法。尽管存在这样那样的缺陷，这项设施仍然被广泛地使用着，因此值得我们去理解它。该项告诉您如何实现良好的clone方法，并讨论何时适合这样做，并提供替代方法。

既然Cloneable并没有包含任何方法，那么它到底有什么作用呢？它决定了Object中受保护的clone方法实现的行为：如果一个类实现了Cloneable，Object的clone方法将逐个返回该对象的拷贝字段，否则就会抛出CloneNotSupportedException。这是接口的一种极端非典型的用法，也不值得效仿。通常情况下，实现接口是为了表明类可以为它的客户做些什么。在这种情况下，它会修改超类上受保护方法的行为。

尽管规范中没有表明，实际上，实现Cloneable的类应该提供一个功能正常的公共克隆方法。 为了达到这个目的，类和它的所有超类都必须遵守一个相当复杂的、不可实施的，并且基本上没有文档说明的协议。由此得到一种脆弱的、危险的、语言之外的（extralinguistic）机制：无需调用构造器就可以创建对象。

clone方法的通用约定是非常脆弱的，下面是从Object规范中复制的：

创建和返回该对象的一个拷贝。这个“拷贝”的精确含义取决于该对象的类。一般的含义是，对于任何对象x，表达式x.clone() != x将会是true，并且，表达式x.clone().getClass() == x.getClass()将会返回true，但这些都不是绝对的要求。虽然通常情况下，表达式x.clone().equals(x)将会是true，但是，这也不是一个绝对的要求。

按照惯例，此方法返回的对象应该通过调用super.clone来获取。如果一个类及其所有超类（Object除外）都遵循这个约定，那就是这种情况：

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

按照惯例，返回的对象应该独立于被克隆的对象。要实现这种独立性，可能需要在返回之前修改super.clone返回的对象的一个或多个字段。

这个机制与构造函数调用链类似（This mechanism is vaguely similar to constructor chaining）【就是子类的构造函数一定需要调用父类的构造函数】，它只是没有强制执行：如果一个类的clone方法返回一个不是通过super.clone而是通过调用构造函数获得的实例，编译器不会报错（complain），但是如果一个该类的子类调用super.clone，生成的对象将具有错误的类，从而阻止子类clone方法的正常运行。如果重写clone的类是final，则可以安全地忽略此约定，因为没有子类，所以不需要担心。但是如果一个final类有clone方法，但是该方法没有调用super.clone方法，那么该类没有理由实现Cloneable，因为它不依赖与Object的clone实现的行为。

假设你希望在一个类中实现Cloneable，并且它的超类都提供良好的clone方法。先调用super.clone。您获得的对象将是原始的完整功能的副本。在您的类中声明的任何字段将具有与原始值相同的值。如果每个字段都包含原始值或对不可变对象的引用，则返回的对象可能正是您所需要的，在这种情况下，不需要进一步处理。例如，对于第11项中的PhoneNumber类就是这种情况，但请注意，不可变类应该永远不会提供clone方法，因为它只会鼓励浪费的复制（because it would merely encourage wasteful copying）【就是说复制了也没啥用，复制的每一个结果都是一样的，因为类是不可变的】。有了这个预告，下面是PhoneNumber的clone方法的样子：

// Clone method for class with no references to mutable state
@Override public PhoneNumber clone() {
   
   
    try {
   
   
        return (PhoneNumber) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
   
   
        throw new AssertionError(); // Can't happen
    }
}

为了使此方法起作用，必须修改PhoneNumber的类声明以表明它实现了Cloneable。虽然Object的clone方法返回Object，但此clone方法返回PhoneNumber。这样做是合法的，也是可取的，因为Java支持协变返回类型（covariant return types）。换句话说，重写方法的返回类型可以是被重写的子类方法的返回类型。这样客户端就不需要进行转换了（This eliminates the need for casting in the client.）。我们必须在返回之前将super.clone的结果从Object转换为PhoneNumber，但是这个转换保证是可以成功的（but the cast is guaranteed to succeed）。

对super.clone的调用包含在try-catch块中。这是因为Object声明其clone方法抛出CloneNotSupportedException，这是一个经过检查的异常。因为PhoneNumber实现了Cloneable，所以我们知道对super.clone的调用会成功。对这个样板文件的需求表明，CloneNotSupportedException应该是不受约束的（第71项）（The need for this boilerplate indicates that CloneNotSupportedException should have been unchecked (Item 71)）。

如果对象包含引用可变对象的字段，使用上述这种简单的clone实现可能会导致灾难性的后果。例如，考虑到第7项中的Stack类：

public class Stack {
   
   
    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    public Stack() {