Javaのcloneメソッドとシャローコピー

はじめに

新卒1年目の時、Java Silverの問題集に掲載されていたある問題にかなり悩まされた。その際Javaの仕様とコンピュータのメモリについて勉強できたので、自分なりに記しておく。

目次

問題設定
前提知識
コピーの方法
解答
感想

問題設定

問題：A~Dのコードを実行したとき、Trueになるのはどれか

定義.java

char[][] array1 = {{'a', 'b'}, {'c', 'd'}};
char[][] array2 = array1.clone();
char[] array3 = array1[1].clone();

• A：array1[1] == array3
• B：array1[1] == array3[1]
• C：array1[1] == array2[1]
• D：array1.equals(array2)

cloneメソッドの詳細がよくわからなくても、Bは次元が異なるので不正解（Falseになる）であることがわかる。残りの3つについて以下で見ていく。

前提知識

同一性と同値性

プログラミングを勉強し始めるとすぐにこの概念に辿り着く。

• 同値性：変数の中の値が同じかどうか
• 同一性：変数の参照先（アドレス）が同じかどうか

これらはよく==とequalsメソッドの問題として出題されるので、仕様も含めてサンプルコードで確認する。

String str1 = "aaa";
String str2 = new String("aaa");
System.out.println(str1 == str2);   //false
System.out.println(str1.equals(str2));   //true
        
String[] arr1 = {"bbb"};
String[] arr2 = new String[]{"bbb"};
String[] arr3 = arr1;
System.out.println(arr1 == arr2);   //false
System.out.println(arr1.equals(arr2));   //false
System.out.println(arr1 == arr3);   //true
System.out.println(arr1.equals(arr3));   //true

• str1 == str2は同一性をチェックする。str1とstr2はインスタンスが異なる(メモリ上のアドレスが異なる)ためFalseが返る。
• str1.equals(str2)は同値性をチェックする。str1とstr2のメモリ上のアドレスは異なるが、文字列は同じであるためTrueが返る。

単純な文字列の例は簡単だが、これが配列になると少しややこしい。

• arr1 == arr2も同一性をチェックする。str1とstr2はインスタンスが異なるためFalseが返る。
• arr1.equals(arr2)のequalsは同一性をチェックする。これは配列に用いるequalsメソッドがObjectクラスのメソッドであり、それは同一性をチェックするからだ。よってarr1とarr2はインスタンスが異なるためFalseを返す。
• arr1 == arr3はもちろんTrue
• arr1.equals(arr3)は上で見た通り同一性をチェックする。arr1とarr3は同じインスタンスだからTrueを返す。

これは二重配列になっても同じである。

String[][] arr4 = {{"a"}, {"b"}};
String[][] arr5 = new String[][]{{"a"}, {"b"}};
System.out.println(arr4 == arr5);   //false
System.out.println(arr4.equals(arr5));   //false

cloneメソッド

その名の通り、自分自身をコピーする。何をやっているかは下のコードを見ていただきたい。

String[][] arr6 = arr4.clone();
for(int i=0;i<2;i++){
    System.out.println("arr6の" + i + "0成分は" + arr6[i][0]);
}

上で定義した二重配列arr4のcloneをarr6に代入した。コピーであればfor文も実行できるはずである。実際このコードは正しく処理され、想定通りの結果が返ってくる。

arr6の00成分はa
arr6の10成分はb

さて、今度はこれらの同一性や同値性を考えてみよう。

System.out.println(arr4 == arr6);
System.out.println(arr4.equals(arr6));
System.out.println(arr4[0] == arr6[0]);
System.out.println(arr4[0].equals(arr6[0]));

false
false
true
true

この結果には当時かなり違和感を持った。arr4 == arr6という"全体"は同一でないのに、arr4[0] == arr6[0]という"部分"は同一といっているからだ。
この疑問を解消するためにはコピーのされ方ついて知っておく必要がある。

コピーの方法

ここで、コピーにはシャローコピーとディープコピーの２種類があることをおさえておきたい。特に、Javaのcloneメソッドは内部でシャローコピーを行っている。

• シャローコピー
  メモリ上にある実体はコピーせず、アドレスだけコピーしている。
• ディープコピー
  メモリ上にある実体とそのアドレスを再帰的にコピーする。

arr4とarr6を使ってシャローコピーの性質をみてみると次のようになる。

System.out.println(arr4 == arr6);   //false
System.out.println(arr4[0] == arr6[0]);   //true

通常はコピーを行うとメモリ上の別のアドレスに同じ実体が作成される。すると、==で同一性をチェックするとFalseとなりそうだ。しかし、arr4[0] == arr6[0]はそうではない。これはarr4のアドレスのみがメモリ上でコピーされ、arr4[0]の実体はコピーされていないからだ。なお、arr4[0]とarr6[0]は同じ実体を参照しているため、どちらかに変更を加えるともう一方にも影響が出る。

解答

ここまでを踏まえて最初の問題に解答してみる。

• A：array1[1] == array3
  • array1[1] == array1[1].clone()ということであるが、clone元とそのコピーはアドレスが異なるため不正解。
• B：array1[1] == array3[1]
  • 次元が異なるので不正解。
• C：array1[1] == array2[1]
  • array1[1] == array1.clone()[1]であり、同じアドレスを指しているため正解となる。
• D：array1.equals(array2)
  • 上で述べた通り、配列のequalsは同一性をチェックするため不正解。

というわけで正解はCだった。試験としてはJavaの仕様を理解していれば合格できるが、この問題はそこから少しだけはみ出た内容となっている。

感想

頭の中でメモリをイメージして、コピーの挙動を理解できれば解きやすくなると思う。この記事を書くために過去に勉強した内容を振り返っていたが、Javaの仕様だけでなくその他のコンピュータの基本部分にも興味が湧いた。