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[C#进阶系列]专题一：深入解析深拷贝和浅拷贝

2017-11-03 1237
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简介：

一、前言

　　这个星期参加了一个面试，面试中问到深浅拷贝的区别，然后我就简单了讲述了它们的之间的区别，然后面试官又继续问，如何实现一个深拷贝呢？当时只回答回答了一种方式，就是使用反射，然后面试官提示还可以通过反序列化和表达树的方式。然后又继续问，如果用反射来实现深拷贝的话，如何解决互相引用对象的问题呢？ 当时我给出的答案是说那就不用反射去实现呗，用反序列化实现呗，或者直接避免使两个对象互相引用呗。然后面试官说，如果一定用反射来写，你是怎么去解决这个问题呢？这时候我就愣住了。

　　这样也就有了这篇文章。今天就来深入解析下深浅拷贝的问题。

二、深拷贝 Vs 浅拷贝

　　首先，讲到深浅拷贝，自然就有一个问题来了？什么是深拷贝，什么又是浅拷贝呢？下面就具体介绍下它们的定义。

　　深拷贝：指的是拷贝一个对象时，不仅仅把对象的引用进行复制，还把该对象引用的值也一起拷贝。这样进行深拷贝后的拷贝对象就和源对象互相独立，其中任何一个对象的改动都不会对另外一个对象造成影响。举个例子，一个人叫张三，然后使用克隆技术以张三来克隆另外一个人叫李四，这样张三和李四就是相互独立的，不管张三缺胳膊还是李四少腿了都不会影响另外一个人。在.NET领域，值对象就是典型的例子，如int, Double以及结构体和枚举等。具体例子如下所示：

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int  source = 123;
// 值类型赋值内部执行深拷贝
int  copy = source;
// 对拷贝对象进行赋值不会改变源对象的值
copy = 234;
// 同样对源对象赋值也不会改变拷贝对象的值
source = 345;

　　浅拷贝：指的是拷贝一个对象时，仅仅拷贝对象的引用进行拷贝，但是拷贝对象和源对象还是引用同一份实体。此时，其中一个对象的改变都会影响到另一个对象。例如，一个人一开始叫张三，后来改名字为张老三了，可是他们还是同一个人，不管张三缺胳膊还是张老三少腿，都反应在同一个人身上。在.NET中引用类型就是一个例子。如类类型。具体例子如下所示：

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public  class  Person
     {
         public  string  Name {  get ;  set ; }
     }
 
     class  Program
     {
         static  void  Main( string [] args)
         {
             Person sourceP =  new  Person() { Name =  "张三"  };
             Person copyP = sourceP;  // 浅拷贝
             copyP.Name =  "张老三" ;  // 拷贝对象改变Name值
             // 结果都是"张老三",因为实现的是浅拷贝，一个对象的改变都会影响到另一个对象
             Console.WriteLine( "Person.Name: [SourceP: {0}] [CopyP:{1}]" , sourceP.Name, copyP.Name);
             Console.Read();
         }
     }

三、深浅拷贝的几种实现方式

 　　上面已经明白了深浅拷贝的定义，至于他们之间的区别也在定义中也有所体现。介绍完了它们的定义和区别之后，自然也就有了如何去实现它们呢？

　　对于，浅拷贝的实现方式很简单，.NET自身也提供了实现。我们知道，所有对象的父对象都是System.Object对象，这个父对象中有一个MemberwiseClone方法，该方法就可以用来实现浅拷贝，下面具体看看浅拷贝的实现方式，具体演示代码如下所示：

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// 继承ICloneable接口，重新其Clone方法
     class  ShallowCopyDemoClass : ICloneable
     {
         public  int  intValue = 1;
         public  string  strValue =  "1" ;
         public  PersonEnum pEnum = PersonEnum.EnumA;
         public  PersonStruct pStruct =  new  PersonStruct() {  StructValue = 1};
         public  Person pClass =  new  Person( "1" );
         public  int [] pIntArray =  new  int [] { 1 };
         public  string [] pStringArray =  new  string [] {  "1"  };
 
         #region ICloneable成员
         public  object  Clone()
         {
             return  this .MemberwiseClone();
         }
 
         #endregion 
 
     }
 
     class  Person
     {
         public  string  Name;
         public  Person( string  name)
         {
             Name = name;
         }
     }
 
     public  enum  PersonEnum
     {
         EnumA = 0,
         EnumB = 1
     }
 
     public  struct  PersonStruct
     {
         public  int  StructValue;
     }

　　上面类中重写了IConeable接口的Clone方法，其实现直接调用了Object的MemberwiseClone方法来完成浅拷贝，如果想实现深拷贝，也可以在Clone方法中实现深拷贝的逻辑。接下来就是对上面定义的类进行浅拷贝测试了，看看是否是实现的浅拷贝，具体演示代码如下所示：

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class  Program
     {
         static  void  Main( string [] args)
         {
             ShallowCopyDemo();
             // List浅拷贝的演示
             ListShallowCopyDemo();
         }
 
         public  static  void  ListShallowCopyDemo()
         {
             List<PersonA> personList =  new  List<PersonA>() 
             {
                 new  PersonA() { Name= "PersonA" , Age= 10, ClassA=  new  A() { TestProperty =  "AProperty" } },
                 new  PersonA() { Name= "PersonA2" , Age= 20, ClassA=  new  A() { TestProperty =  "AProperty2" } }
             };
             // 下面2种方式实现的都是浅拷贝
             List<PersonA> personsCopy =  new  List<PersonA>(personList);
             PersonA[] personCopy2 =  new  PersonA[2];
             personList.CopyTo(personCopy2);
 
　　　　　　　 // 由于实现的是浅拷贝，所以改变一个对象的值，其他2个对象的值都会发生改变，因为它们都是使用的同一份实体，即它们指向内存中同一个地址　
             personsCopy.First().ClassA.TestProperty =  "AProperty3" ;
             WriteLog( string .Format( "personCopy2.First().ClassA.TestProperty is {0}" , personCopy2.First().ClassA.TestProperty));
             WriteLog( string .Format( "personList.First().ClassA.TestProperty is {0}" , personList.First().ClassA.TestProperty));
             WriteLog( string .Format( "personsCopy.First().ClassA.TestProperty is {0}" , personsCopy.First().ClassA.TestProperty));
　　　　　　　Console.Read();　
         }
 
         public  static  void  ShallowCopyDemo()
         {
             ShallowCopyDemoClass DemoA =  new  ShallowCopyDemoClass();
             ShallowCopyDemoClass DemoB = DemoA.Clone()  as  ShallowCopyDemoClass ;
             DemoB.intValue = 2;
             WriteLog( string .Format( "    int->[A:{0}] [B:{1}]" , DemoA.intValue, DemoB.intValue));
             DemoB.strValue =  "2" ;
             WriteLog( string .Format( "    string->[A:{0}] [B:{1}]" , DemoA.strValue, DemoB.strValue));
             DemoB.pEnum = PersonEnum.EnumB;
             WriteLog( string .Format( "  Enum->[A: {0}] [B:{1}]" , DemoA.pEnum, DemoB.pEnum));
             DemoB.pStruct.StructValue = 2;
             WriteLog( string .Format( "    struct->[A: {0}] [B: {1}]" , DemoA.pStruct.StructValue, DemoB.pStruct.StructValue));
             DemoB.pIntArray[0] = 2;
             WriteLog( string .Format( "   intArray->[A:{0}] [B:{1}]" , DemoA.pIntArray[0], DemoB.pIntArray[0]));
             DemoB.pStringArray[0] =  "2" ;
             WriteLog( string .Format( "stringArray->[A:{0}] [B:{1}]" , DemoA.pStringArray[0], DemoB.pStringArray[0]));
             DemoB.pClass.Name =  "2" ;
             WriteLog( string .Format( "      Class->[A:{0}] [B:{1}]" , DemoA.pClass.Name, DemoB.pClass.Name));
　　　　　　　Console.WriteLine();
　　　　　　} 
private  static  void  WriteLog( string  msg) { Console.WriteLine(msg); } 　　} }

　　上面代码的运行结果如下图所示：

　　从上面运行结果可以看出，.NET中值类型默认是深拷贝的，而对于引用类型，默认实现的是浅拷贝。所以对于类中引用类型的属性改变时，其另一个对象也会发生改变。

　　上面已经介绍了浅拷贝的实现方式，那深拷贝要如何实现呢？在前言部分已经介绍了，实现深拷贝的方式有：反射、反序列化和表达式树。在这里，我只介绍反射和反序列化的方式，对于表达式树的方式在网上也没有找到，当时面试官说是可以的，如果大家找到了表达式树的实现方式，麻烦还请留言告知下。下面我们首先来看看反射的实现方式吧：

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// 利用反射实现深拷贝
         public  static  T DeepCopyWithReflection<T>(T obj)
         {
             Type type = obj.GetType();
 
             // 如果是字符串或值类型则直接返回
             if  (obj  is  string  || type.IsValueType)  return  obj;
 
             if  (type.IsArray)
             {
                 Type elementType = Type.GetType(type.FullName.Replace( "[]" ,  string .Empty));
                 var  array = obj  as  Array;
                 Array copied = Array.CreateInstance(elementType, array.Length);
                 for  ( int  i = 0; i < array.Length; i++)
                 {
                     copied.SetValue(DeepCopyWithReflection(array.GetValue(i)), i);
                 }
 
                 return  (T)Convert.ChangeType(copied, obj.GetType());
             }
 
             object  retval = Activator.CreateInstance(obj.GetType());
             
             PropertyInfo[] properties = obj.GetType().GetProperties(
                 BindingFlags.Public | BindingFlags.NonPublic
                 | BindingFlags.Instance | BindingFlags.Static);
             foreach  ( var  property  in  properties)
             {
                 var  propertyValue = property.GetValue(obj,  null );
                 if  (propertyValue ==  null )
                     continue ;
                 property.SetValue(retval, DeepCopyWithReflection(propertyValue),  null );
             }
 
             return  (T)retval;
         }

　　反序列化的实现方式，反序列化的方式也可以细分为3种，具体的实现如下所示：

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// 利用XML序列化和反序列化实现
         public  static  T DeepCopyWithXmlSerializer<T>(T obj)
         {
             object  retval;
             using  (MemoryStream ms =  new  MemoryStream())
             {
                 XmlSerializer xml =  new  XmlSerializer( typeof (T));
                 xml.Serialize(ms, obj);
                 ms.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
                 retval = xml.Deserialize(ms);
                 ms.Close();
             }
 
             return  (T)retval;
         }
 
         // 利用二进制序列化和反序列实现
         public  static  T DeepCopyWithBinarySerialize<T>(T obj)
         {
             object  retval;
             using  (MemoryStream ms =  new  MemoryStream())
             {
                 BinaryFormatter bf =  new  BinaryFormatter();
                 // 序列化成流
                 bf.Serialize(ms, obj);
                 ms.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
                 // 反序列化成对象
                 retval = bf.Deserialize(ms);
                 ms.Close();
             }
 
             return  (T)retval;
         }
 
         // 利用DataContractSerializer序列化和反序列化实现
         public  static  T DeepCopy<T>(T obj)
         {
             object  retval;
             using  (MemoryStream ms =  new  MemoryStream())
             {
                 DataContractSerializer ser =  new  DataContractSerializer( typeof (T));
                 ser.WriteObject(ms, obj);
                 ms.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
                 retval = ser.ReadObject(ms);
                 ms.Close();
             }
             return  (T)retval;
         }
         
         // 表达式树实现
         // ....

四、使用反射进行深拷贝如何解决相互引用的问题

　　上面反射的实现方式，对于相互引用的对象会出现StackOverflower的错误，由于对象的相互引用，会导致方法循环调用。下面就是一个相互引用对象的例子：

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[Serializable]
     public  class  DeepCopyDemoClass
     {
         public  string  Name { get ; set ;}
         public  int [] pIntArray {  get ;  set ; }
         public  Address Address {  get ;  set ; }
         public  DemoEnum DemoEnum {  get ;  set ; }
 
         // DeepCopyDemoClass中引用了TestB对象，TestB类又引用了DeepCopyDemoClass对象，从而造成了相互引用
         public  TestB TestB { get ; set ;}
 
         public  override  string  ToString()
         {
             return  "DeepCopyDemoClass" ;
         }
     }