JDK源码分析（2）之 Array 相关

在深入了解 Array 之前，一直以为 Array 比较简单，但是深入了解后才发现其实挺复杂的。所以我把重要的写在最前面，但凡遇到和语言本身相关的问题，都可以查阅 Java Language and Virtual Machine Specifications

一、Array 是一个是对象吗？

首先可以肯定的是，数组是一个对象；但是在推导的过程中还是有些难以理解的问题，比如对于任意一个引用对象A,

• 数组是协变的，所以Object[]是A[]的父类，即Object[] o = A[];
• 数组是一个对象，所以数组的父类是Object，即Object oo = o;
• 那么A[]、Object[]和Object是什么关系呢？

是这样吗？

我们可以通过反射来观察一下：

private static void test05() {
  Object[] o = new String[2];
  System.out.println(o.getClass().getName());
  System.out.println(o.getClass().getSuperclass().getName());
  String[] s = (String[]) o;
  System.out.println(s.getClass().getSuperclass().getName());
  Object oo = s; 
}

打印：
[Ljava.lang.String;
java.lang.Object
java.lang.Object

可以看见A[]和Object[]的直接父类都是Object，所以他们之间的关系也一定不是上图中的多继承关系，那么数组协变产生的关系一定不同于extends关键字产生的关系；

extends关键字产生的继承关系是怎么定义呢？
这里我们可以从《Virtual Machine Specifications》中找到答案：

// ClassFile 结构
ClassFile {
  u4                magic;
  u2                minor_version；
  u2                major_version;
  u2                constant_pool_count；
  cp_info           constant_pool[constant_pool_count-1];
  u2                access_flags;
  u2                this_class;
  u2                super_class;
  u2                interfaces_count;
  u2                interfaces[interfaces_count];
  u2                fields_count;
  field_info        fields[fields_count]；
  u2                methods_count;
  method_info       methods[methods_count];
  u2                attribute_count;
  attributes_info;  attributes[attributes_count]； 
}

可以看到extends关键字产生的继承关系是记录在class文件中的super_class里面的。我这里还没有在 JDK 源码里面找到数组协变关系的产生，但是可以猜想这个应该是后来加的类似语法关系的结构。这里先留着以后看源码的时候确认吧。

二、Array 的 length 域相关

在准备看Array源码的时候，我直接就点开了java.lang.reflect.Array，后来才知道这根本不是Array的源码，看包名就知道，这是使用反射操作数组的一些方法。Array的class是在运行过程中动态生成的。
那么在Array的class中到底包含了什么呢？在很多的资料中都写了，Array中有类似public final int length的成员变量。但是在《Java Language Specifications》10.1. Array Types中明确写了，length不是类型的一部分；

• An array's length is not part of its type.

private static void test06() {
  String[] s = new String[2];
  System.out.println(s.length);
  System.out.println(s.getClass().getDeclaredFields().length);
  try {
  System.out.println(s.getClass().getDeclaredField("length"));
  } catch (NoSuchFieldException e) {
  System.out.println(e.toString());
  } 
}

打印：
2
0
java.lang.NoSuchFieldException: length

可以看到length并不是Array的成员变量，那么length是从哪里来的呢？
同样我们可以从ClassFile结构中找打答案；

可以看到Array的length信息是记录在对象头中的，而读取length信息的时候，是使用的arraylength字节码指令来读取的。

三、Array 的创建流程

// 数组创建的几种形式
String[] s = {"a", "b", "c"};  // 初始化器
String[] s1 = new String[3];   // 有维度表达式
String[] s2 = (String[]) Array.newInstance(String.class, 3); // 有维度表达式

数组创建流程

是否有维度表达式：
  无：
    创建的时候每个元素递归深入初始化，失败则退出
    变量类型检查 -> 与数组类型不兼容 -> 编译错误
    不是可具化类型(如：null) -> 编译错误 
    空间不足 -> OutOfMemoryError
  有：
    创建的时候，从左向右地计算，任意维度表达式计算失败则退出
    检查所有维度值，有小于0 -> NegativeArraySizeException 
    分配空间，若空间不足 -> OutOfMemoryError
    只有一个维度表达式，创建一维数组，每个元素初始化化为初始值
    有n个维度表达式，执行深度为n-1的循环

四、协变数组

1. 逆变与协变

逆变与协变用来描述类型转换（type transformation）后的继承关系
如果A、B表示类型，f(⋅)表示类型转换，≤表示继承关系（比如，A≤B表示A是由B派生出来的子类）

• f(⋅)是逆变的，当A≤B时有f(B)≤f(A)成立；
• f(⋅)是协变的，当A≤B时有f(A)≤f(B)成立；
• f(⋅)是不变的，当A≤B时上述两个式子均不成立，即f(A)与f(B)相互之间没有继承关系。

正因为数组是协变的，所以Object[] o = new A[];

2. 为什么要设计为协变数组

有种看法认为这是在泛型产生之前的妥协产物，比如在 JDK5 之前还没有泛型，但是很多地方需要用泛型来解决，比如：

// java.util.Arrays
public static boolean equals(Object[] a, Object[] a2) {
  if (a==a2)
    return true;
    
  if (a==null || a2==null)
    return false;
    
  int length = a.length;
  if (a2.length != length)
    return false;
    
  for (int i=0; i<length; i++) {
    Object o1 = a[i];
    Object o2 = a2[i];
    if (!(o1==null ? o2==null : o1.equals(o2)))
      return false;
  }
  return true; 
}

最后调用的是Object.equals()方法，但是不想全部都重写equals，这里最简单的就是让数组实现协变的特性；

3. 为什么不能使用泛型数组

这里简单的讲是因为泛型是不变的，而数组是协变的，所以不能使用泛型数组；

// 如果泛型也是协变的
private static void test07() {
  List<Object> list = new ArrayList<String>();  // 原本会编译出错
  list.add(123);
  List<String> list1 = list;
  String s = list1.get(0);    // 类型错误
}

可以看到如果泛型也是协变的，那么Collection 在存取数据的时候，就会产生类型转换错误；

4. 为什么数组可以是协变的

private static void test07() {
  Object[] o = new String[2];
  o[0] = 123;
}

运行时：
Exception in thread "main" java.lang.ArrayStoreException: java.lang.Integer

可以看到数组，在存数据的时候，还会检查数据类型是否兼容，所以数组可以是协变的。

五、数组在 java 和 c++ 中的区别

• C++ 中的数组只是一个指针，java 中的数组是一个对象
• java 中访问数组会有额外的范围检查
• java 中会确保数组被初始化

六、Array 和 ArrayList的效率对比

private static final int SIZE = 50000;
private static final Random RANDOM = new Random();

private static void test_array() {
  System.out.println("Array:");
  long start = System.currentTimeMillis();
  String[] s = new String[SIZE];
  for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
    s[i] = i + "";
  }
  
  System.out.println("insert:" + (System.currentTimeMillis() - start));  
  start = System.currentTimeMillis();
  for (int i = 0, len = SIZE * 10; i < len; i++) {
    String ss = s[RANDOM.nextInt(SIZE)];
  }
  
  System.out.println("get:" + (System.currentTimeMillis() - start));
}
  
private static void test_list() {
  System.out.println("ArrayList:");
  long start = System.currentTimeMillis();
  List<String> list = new ArrayList<>(SIZE);
  for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
    list.add(i + "");
  }
  
  System.out.println("insert:" + (System.currentTimeMillis() - start));
  start = System.currentTimeMillis();
  for (int i = 0, len = SIZE * 10; i < len; i++) {
    String s = list.get(RANDOM.nextInt(SIZE));
  }
  System.out.println("get:" + (System.currentTimeMillis() - start));
}

打印：
Array:
insert:13
get:10
ArrayList:
insert:7
get:22

对比可以看到，数组的插入和随机访问效率都要比ArrayList高，但是一般建议优先使用列表，只有在优先考虑效率的时候才考虑使用数组，因为

• 数组是协变的不能使用泛型
• 数组是具体化的，只有在运行时才知道元素的类型

七、总结

在看数组的时候，因为class是动态创建的，所以看了很久，但是根据数组的特性，基本可以认为数组的域和方法，类似于：

class A<T> implements Cloneable, java.io.Serializable {
  public final int length = X;
  
  public T[] clone() {
  try {
    return (T[]) super.clone();
  } catch (CloneNotSupportedException e) {
    throw new InternalError(e.getMessage());
  }
 }
}