C# 深拷贝和浅拷贝

前言

浅拷贝（shallow copy）和深拷贝（deep copy）是在编程中经常遇到的概念，尤其在处理数据结构时很重要。它们是针对对象（object）或数据结构（data structure）进行复制操作时的两种不同方式。

浅拷贝和深拷贝是在编程中常见的两种拷贝对象的方式，它们在拷贝对象时的行为和效果有所不同。

浅拷贝（Shallow Copy）

浅拷贝创建一个新对象，并将原始对象的字段值复制到新对象中。如果字段是值类型（如基本数据类型），则会复制其值。如果字段是引用类型，则会复制引用而不是引用的对象本身。

因此，浅拷贝会创建一个新对象，但是新对象中的引用类型字段仍然指向原始对象中相同的对象。

浅拷贝相对简单，但是可能导致对象之间的共享状态，如果对其中一个对象进行修改，则另一个对象也会受到影响。

深拷贝（Deep Copy）

深拷贝创建一个新对象，并递归地复制原始对象的所有字段，包括引用类型字段所引用的对象，以确保完全独立的拷贝。

深拷贝会遍历对象的所有字段，如果字段是引用类型，则会对其进行递归拷贝，以确保在新对象中创建相同的对象实例。

深拷贝会生成原始对象的完全独立副本，新对象和原始对象之间没有任何共享状态。

深拷贝实现方式

(一) 手动实现深拷贝

• 手动遍历对象的所有字段，并为每个字段创建新的实例或进行递归拷贝。
• 对于复杂对象结构，可能需要编写递归方法来处理深层嵌套的对象。
• 这种方法需要手动编写拷贝逻辑，比较繁琐，但可以根据需要进行定制化的处理。

优点

1. 精确控制：手动实现深拷贝可以让开发人员精确地控制拷贝过程，根据需要定制拷贝逻辑。这使得可以处理特定的场景和需求，例如特殊的对象结构或拷贝需求。
2. 性能优化：由于手动实现深拷贝时可以针对具体情况进行优化，因此可能会比一般的通用方法更高效。例如，可以避免不必要的拷贝操作，减少性能开销。
3. 灵活性：手动实现深拷贝可以根据具体需求选择不同的拷贝策略或实现方式，从而使得拷贝过程更加灵活和定制化。

缺点

1. 繁琐复杂：手动实现深拷贝需要编写大量的代码来遍历对象的所有字段，并为每个字段创建新的实例或进行递归拷贝。这可能会导致代码量增加，维护成本较高。
2. 容易出错：手动实现深拷贝可能会引入错误或遗漏，特别是对于复杂的对象结构或嵌套的对象关系。由于需要人工编写拷贝逻辑，因此容易出现疏漏或错误。
3. 不适合大规模使用：手动实现深拷贝对开发人员的要求较高，特别是在处理复杂对象结构或大规模数据时。这可能会增加开发和测试的工作量，并且不适合频繁的使用。

(二) 表达式树

• 表达式树是一种将代码表示为数据结构的方式，可以在运行时动态构建和修改代码。
• 使用表达式树可以编写自定义的深拷贝方法，通过递归遍历对象的属性并创建新的实例，从而实现深拷贝。
• 表达式树相对较为复杂，但提供了更高的灵活性，允许在运行时动态生成拷贝代码。

public class DeepCopyHelper
{
    public static T DeepCopy<T>(T obj)
    {
        ParameterExpression param = Expression.Parameter(typeof(T), "x");
        Expression<Func<T, T>> lambda = Expression.Lambda<Func<T, T>>(
            Expression.MemberInit(
                Expression.New(typeof(T)),
                typeof(T).GetProperties().Select(prop =>
                    Expression.Bind(prop, Expression.Property(param, prop))
                )
            ), param);

        return lambda.Compile()(obj);
    }
}

适用场景

• 当需要高度控制拷贝过程，并且能够接受较高的实现复杂度时，表达式树是一个很好的选择。
• 适用于需要在运行时动态生成拷贝代码的情况，以处理复杂的对象结构和特殊的拷贝需求。

优点

• 提供了高度的灵活性，允许动态生成和修改拷贝代码。
• 可以对拷贝过程进行细粒度的控制，处理特殊的拷贝需求。

缺点

• 实现相对复杂，需要了解表达式树的工作原理和语法。
• 由于动态生成代码，可能会引入性能开销。

(三) 反射

• 反射是一种在运行时获取类型信息并调用其成员的机制，可以用于遍历对象的属性并复制它们。
• 使用反射可以编写通用的深拷贝方法，通过获取对象的属性信息并创建新的实例来实现深拷贝。
• 反射相对于表达式树来说稍微简单一些，但仍然需要处理类型的属性和字段。

public class DeepCopyHelper
{
    public static T DeepCopy<T>(T obj)
    {
        T newObj = (T)Activator.CreateInstance(obj.GetType());
        foreach (PropertyInfo property in obj.GetType().GetProperties())
        {
            if (property.CanWrite)
            {
                property.SetValue(newObj, property.GetValue(obj));
            }
        }
        return newObj;
    }
}

适用场景

• 当对象的结构相对简单，并且希望使用通用的、简单的方法来实现深拷贝时，反射是一个不错的选择。
• 适用于需要在运行时动态获取类型信息并处理属性的情况。

优点

• 相对简单，容易理解和实现。
• 适用于处理较简单的对象结构，无需复杂的拷贝逻辑。

缺点

• 反射操作可能会引入一定的性能开销，特别是对于大型对象或高频率调用的情况。

(四) 序列化

• 序列化是将对象转换为字节流或其他格式的过程，以便于存储、传输或复制。
• 使用序列化可以实现深拷贝，通过将对象序列化为字节流，然后反序列化为新的对象实例。
• 序列化是一种简单而强大的深拷贝方法，可以处理对象图中的循环引用和复杂结构，但可能会受到性能和序列化支持的限制。

   public static T DeepCopy<T>(T obj)
    {
        using (MemoryStream stream = new MemoryStream())
        {
            BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter();
            formatter.Serialize(stream, obj);
            stream.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
            return (T)formatter.Deserialize(stream);
        }
    }

适用场景

• 当需要处理对象图中的循环引用、复杂结构或不可序列化的对象时，序列化是一个非常有用的方式。
• 适用于需要简单快捷地实现深拷贝的情况。

优点

• 简单快捷，适用于处理复杂的对象结构和循环引用。
• 可以处理不可序列化的对象。

缺点

• 可能会受到序列化和反序列化的性能开销。
• 对于需要控制拷贝过程或处理特殊情况的需求，可能不够灵活。

(五) 对比

特征	手动实现深拷贝	表达式树	反射	序列化
实现复杂度	高	中等	低	低
灵活性	高	中等	中等	低
性能	取决于实现细节	中等	中等	低
定制化	可根据需求定制拷贝逻辑	有限，但可以灵活生成和修改代码	有限，主要用于获取和调用成员	有限，主要用于序列化和反序列化
容易出错	容易出错，特别是对于复杂对象结构	可能出错，特别是对于复杂的表达式	可能出错，特别是对于复杂的类型和结构	相对较少出错的可能性，但也可能有些问题
性能优化的空间	高	中等	低	低
适用场景	复杂对象结构、需要精确控制拷贝逻辑	需要动态生成和修改代码的情况	动态获取和调用对象成员的情况	处理复杂对象结构和循环引用时