[数据结构与算法]Java 如何复制 List ?

??List 复制在项目开发时，使用到的频率还是比较高的。List 复制有浅拷贝和深拷贝两种方式。在陈述复制方法前，先总结下什么是浅拷贝和深拷贝(以下内容均站在 Java 语言基础上进行讨论)。

一、什么是浅拷贝（Shallow Copy）和深拷贝（Deep Copy）？

??浅拷贝只复制某个对象的引用，而不复制对象本身，新旧对象还是共享同一块内存。深拷贝会创造一个一模一样的对象，新对象和原对象不共享内存，修改新对象不会改变原对象。
??假设 B 复制了 A，当修改 A 时，看 B 是否会发生变化。如果 B 也跟着变了，说明这是浅拷贝，如果 B 没变，那就是深拷贝。

1.1 浅拷贝

??对于数据类型是基本数据类型（整型：byte、short、int、long；字符型：char；浮点型：float、double；布尔型：boolean）的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象。因为是两份不同的数据，所以对其中一个对象的该成员变量值进行修改，不会影响另一个对象拷贝得到的数据。

??对于数据类型是引用数据类型（比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等）的成员变量，浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值（内存地址）复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例，在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值。

1.2 深拷贝

??相对于浅拷贝而言，深拷贝对于引用类型的修改，并不会影响到对应的拷贝对象的值。

??备注：一般在讨论深拷贝和浅拷贝时，通常是针对引用数据类型而言的。因为基本数据类型在进行赋值操作时（也就是拷贝）是直接将值赋给了新的变量，也就是该变量是原变量的一个副本，这个时候你修改两者中的任何一个的值都不会影响另一个。而对于引用数据类型来说，在进行浅拷贝时，只是将对象的引用复制了一份，也就是内存地址，即两个不同的变量指向了同一个内存地址，那么改变任一个变量的值，都是改变这个内存地址所存储的值，所以两个变量的值都会改变。
??Java 对对象和基本数据类型的处理是不一样的。在 Java 中，用对象作为入口参数传递时，缺省为 “引用传递”，也就是说仅仅传递了对象的一个”引用”。当方法体对输入变量修改时，实质上就是直接操作这个对象。 除了在函数传值的时候是”引用传递”，在任何用 ”＝” 向对象变量赋值的时候都是”引用传递”。
??将对象序列化为字节序列后，再通过反序列化即可完美地实现深拷贝。

1.3 对象如何实现深拷贝？

??Object 对象声明了 clone() 方法，如下代码所示。

	/**
     * Creates and returns a copy of this object.  The precise meaning
     * of "copy" may depend on the class of the object. The general
     * intent is that, for any object {@code x}, the expression:
     * <blockquote>
     * <pre>
     * x.clone() != x</pre></blockquote>
     * will be true, and that the expression:
     * <blockquote>
     * <pre>
     * x.clone().getClass() == x.getClass()</pre></blockquote>
     * will be {@code true}, but these are not absolute requirements.
     * While it is typically the case that:
     * <blockquote>
     * <pre>
     * x.clone().equals(x)</pre></blockquote>
     * will be {@code true}, this is not an absolute requirement.
     * <p>
     * By convention, the returned object should be obtained by calling
     * {@code super.clone}.  If a class and all of its superclasses (except
     * {@code Object}) obey this convention, it will be the case that
     * {@code x.clone().getClass() == x.getClass()}.
     * <p>
     * By convention, the object returned by this method should be independent
     * of this object (which is being cloned).  To achieve this independence,
     * it may be necessary to modify one or more fields of the object returned
     * by {@code super.clone} before returning it.  Typically, this means
     * copying any mutable objects that comprise the internal "deep structure"
     * of the object being cloned and replacing the references to these
     * objects with references to the copies.  If a class contains only
     * primitive fields or references to immutable objects, then it is usually
     * the case that no fields in the object returned by {@code super.clone}
     * need to be modified.
     * <p>
     * The method {@code clone} for class {@code Object} performs a
     * specific cloning operation. First, if the class of this object does
     * not implement the interface {@code Cloneable}, then a
     * {@code CloneNotSupportedException} is thrown. Note that all arrays
     * are considered to implement the interface {@code Cloneable} and that
     * the return type of the {@code clone} method of an array type {@code T[]}
     * is {@code T[]} where T is any reference or primitive type.
     * Otherwise, this method creates a new instance of the class of this
     * object and initializes all its fields with exactly the contents of
     * the corresponding fields of this object, as if by assignment; the
     * contents of the fields are not themselves cloned. Thus, this method
     * performs a "shallow copy" of this object, not a "deep copy" operation.
     * <p>
     * The class {@code Object} does not itself implement the interface
     * {@code Cloneable}, so calling the {@code clone} method on an object
     * whose class is {@code Object} will result in throwing an
     * exception at run time.
     *
     * @return     a clone of this instance.
     * @throws  CloneNotSupportedException  if the object's class does not
     *               support the {@code Cloneable} interface. Subclasses
     *               that override the {@code clone} method can also
     *               throw this exception to indicate that an instance cannot
     *               be cloned.
     * @see java.lang.Cloneable
     */
    protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

??Object 的 clone() 方法本身是一个浅拷贝的方法，但是我们可以通过实现 Cloneable 接口，重写该方法来实现深拷贝，除了调用父类中的 clone() 方法得到新的对象， 还要将该类中的引用变量也 clone 出来。如果只是用 Object 中默认的 clone() 方法，是浅拷贝的。
??如下代码所示，我们创建一个测试类 TestClone，实现深拷贝。

package com.example.test;

import lombok.Data;
import lombok.SneakyThrows;

@Data
public class TestClone implements Cloneable {
    private String a;

    // 构造函数
    TestClone(String str) {
        this.a = str;
    }

    @Override
    protected TestClone clone() throws CloneNotSupportedException {
        TestClone newTestClone = (TestClone) super.clone();
        newTestClone.setA(this.a);
        return newTestClone;
    }

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        TestClone clone1 = new TestClone("a");

        TestClone clone2 = clone1.clone();
        System.out.println(clone2.a);     // a
        clone2.setA("b");

        System.out.println(clone1.a);     // a
        System.out.println(clone2.a);     // b
    }
}

二、List 复制

??List 复制时有深拷贝和浅拷贝两类方式，分述如下。

2.1 浅拷贝

??List 其本质就是数组，而其存储的形式是地址，如下图所示。

??将 listA 列表浅拷贝为 listB 时，listA 与 listB 指向同一地址，造成的后果就是，改变 listB 的同时也会改变 listA，因为改变listB 就是改变 listB 所指向的地址的内容，由于 listA 也指向同一地址，所以 listA 与 listB 一起改变。其常见的实现方式有如下几种(以上述代码中的 TestClone 为测试类)。

2.1.1 循环遍历复制（含测试方法）

	@SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        List<TestClone> listA = new ArrayList<>();
        TestClone testClone = new TestClone("a");
        listA.add(testClone);
        System.out.println(listA);  // [TestClone(a=a)]

        List<TestClone> listB = new ArrayList<>(listA.size());
        for (TestClone clone : listA) {
            listB.add(clone);
        }
        System.out.println(listB);  // [TestClone(a=a)]

        listA.get(0).setA("b");
        System.out.println(listA);  // [TestClone(a=b)]
        System.out.println(listB);  // [TestClone(a=b)]
    }

2.1.2 使用 List 实现类的构造方法

	@SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        List<TestClone> listA = new ArrayList<>();
        TestClone testClone = new TestClone("a");
        listA.add(testClone);
        List<TestClone> listB = new ArrayList<>(listA);
    }

2.1.3 使用 list.addAll() 方法

	@SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        List<TestClone> listA = new ArrayList<>();
        TestClone testClone = new TestClone("a");
        listA.add(testClone);

        List<TestClone> listB = new ArrayList<>();
        listB.addAll(listA);
    }

2.1.4 使用 java.util.Collections.copy() 方法

	public static void main(String[] args) {
        List<TestClone> listA = new ArrayList<>();
        TestClone clone = new TestClone("a");
        listA.add(clone);

        List<TestClone> listB = new ArrayList<>();
        listB.add(new TestClone("c"));
        System.out.println(listB);      // [TestClone(a=c)]
        Collections.copy(listB, listA);
        System.out.println(listB);      // [TestClone(a=a)]
        listA.get(0).setA("b");
        System.out.println(listA);      // [TestClone(a=b)]
        System.out.println(listB);      // [TestClone(a=b)]
    }

2.1.5 使用 Java 8 Stream API 将 List 复制到另一个 List 中

	public static void main(String[] args) {
        List<TestClone> listA = new ArrayList<>();
        TestClone clone = new TestClone("a");
        listA.add(clone);

        List<TestClone> listB = listA.stream().collect(Collectors.toList());
        System.out.println(listB); // [TestClone(a=a)]

        listA.get(0).setA("b");
        System.out.println(listA); // [TestClone(a=b)]
        System.out.println(listB); // [TestClone(a=b)]
    }

2.1.6 在 JDK 10 中的使用方式

??JDK 10 在线调试网址：https://lightly.teamcode.com/

	public static void main(String[] args) {
        List<TestClone> listA = new ArrayList<>();
        TestClone clone = new TestClone("a");
        listA.add(clone);

        List<TestClone> listB = List.copyOf(listA);
    
        listA.get(0).setA("b");
        System.out.println(listA);                  // [TestClone@76ed5528]
        System.out.println(listA.get(0).getA());    // b
        System.out.println(listB);                  // [TestClone@76ed5528]
        System.out.println(listB.get(0).getA());    // b
    }

2.2 深拷贝

??如图，深拷贝就是将 listA 复制给 listB 的同时，给 listB 创建新的地址，再将地址 A 的内容传递到地址 B。listA 与 listB 内容一致，但是由于所指向的地址不同，所以各自改变内容不会影响对方。深拷贝时，向新列表添加的是原列表中的元素执行 clone() 方法后的新对象。

	@SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        List<TestClone> listA = new ArrayList<>();
        TestClone testClone = new TestClone("a");
        listA.add(testClone);

        List<TestClone> listB = new ArrayList<>();
        listB.add(listA.get(0).clone());
        System.out.println(listB);  // [TestClone(a=a)]

        listA.get(0).setA("b");
        System.out.println(listA);  // [TestClone(a=b)]
        System.out.println(listB);  // [TestClone(a=a)]
    }

??本文提到的几种浅拷贝的方法对于 List<String> 可以实现深拷贝的效果，其测试代码和原因分析见 《Java 如何实现 List＜String＞ 的深拷贝？》。

文章参考：

• 深拷贝和浅拷贝的区别
• List的深拷贝与浅拷贝