JDK源碼分析（2）之 Array 相關

一、Array 是一個是對象嗎？

首先可以肯定的是，數組是一個對象；但是在推導的過程中還是有些難以理解的問題，比如對于任意一個引用對象A,

• 數組是協變的，所以Object[]是A[]的父類，即Object[] o = A[];

• 數組是一個對象，所以數組的父類是Object，即Object oo = o;

• 那么A[]、Object[]和Object是什么關系呢？

是這樣嗎？

我們可以通過反射來觀察一下：

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

可以看見A[]和Object[]的直接父類都是Object，所以他們之間的關系也一定不是上圖中的多繼承關系，那么數組協變產生的關系一定不同于extends關鍵字產生的關系；

extends關鍵字產生的繼承關系是怎么定義呢？
這里我們可以從《Virtual Machine Specifications》中找到答案：

//?ClassFile?結構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關鍵字產生的繼承關系是記錄在class文件中的super_class里面的。我這里還沒有在 JDK 源碼里面找到數組協變關系的產生，但是可以猜想這個應該是后來加的類似語法關系的結構。這里先留著以后看源碼的時候確認吧。

二、Array 的 length 域相關

在準備看Array源碼的時候，我直接就點開了java.lang.reflect.Array，后來才知道這根本不是Array的源碼，看包名就知道，這是使用反射操作數組的一些方法。Array的class是在運行過程中動態生成的。
那么在Array的class中到底包含了什么呢？在很多的資料中都寫了，Array中有類似public final int length的成員變量。但是在《Java Language Specifications》10.1. Array Types中明確寫了，length不是類型的一部分；

• 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：20java.lang.NoSuchFieldException:?length

可以看到length并不是Array的成員變量，那么length是從哪里來的呢？
同樣我們可以從ClassFile結構中找打答案；

可以看到Array的length信息是記錄在對象頭中的，而讀取length信息的時候，是使用的arraylength字節碼指令來讀取的。

三、Array 的創建流程

//?數組創建的幾種形式String[]?s?=?{"a",?"b",?"c"};??//?初始化器String[]?s1?=?new?String[3];???//?有維度表達式String[]?s2?=?(String[])?Array.newInstance(String.class,?3);?//?有維度表達式

數組創建流程

是否有維度表達式：
??無：
????創建的時候每個元素遞歸深入初始化，失敗則退出
????變量類型檢查?->?與數組類型不兼容?->?編譯錯誤
????不是可具化類型(如：null)?->?編譯錯誤?
????空間不足?->?OutOfMemoryError
??有：
????創建的時候，從左向右地計算，任意維度表達式計算失敗則退出
????檢查所有維度值，有小于0?->?NegativeArraySizeException?
????分配空間，若空間不足?->?OutOfMemoryError
????只有一個維度表達式，創建一維數組，每個元素初始化化為初始值
????有n個維度表達式，執行深度為n-1的循環

四、協變數組

1. 逆變與協變

逆變與協變用來描述類型轉換（type transformation）后的繼承關系
如果A、B表示類型，f(?)表示類型轉換，≤表示繼承關系（比如，A≤B表示A是由B派生出來的子類）

• f(?)是逆變的，當A≤B時有f(B)≤f(A)成立；

• f(?)是協變的，當A≤B時有f(A)≤f(B)成立；

• f(?)是不變的，當A≤B時上述兩個式子均不成立，即f(A)與f(B)相互之間沒有繼承關系。

正因為數組是協變的，所以Object[] o = new A[];

2. 為什么要設計為協變數組

有種看法認為這是在泛型產生之前的妥協產物，比如在 JDK5 之前還沒有泛型，但是很多地方需要用泛型來解決，比如：

//?java.util.Arrayspublic?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;?
}

最后調用的是Object.equals()方法，但是不想全部都重寫equals，這里最簡單的就是讓數組實現協變的特性；

3. 為什么不能使用泛型數組

這里簡單的講是因為泛型是不變的，而數組是協變的，所以不能使用泛型數組；

//?如果泛型也是協變的private?static?void?test07()?{
??List<Object>?list?=?new?ArrayList<String>();??//?原本會編譯出錯
??list.add(123);
??List<String>?list1?=?list;
??String?s?=?list1.get(0);????//?類型錯誤}

可以看到如果泛型也是協變的，那么Collection?在存取數據的時候，就會產生類型轉換錯誤；

4. 為什么數組可以是協變的

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

運行時：
Exception?in?thread?"main"?java.lang.ArrayStoreException:?java.lang.Integer

可以看到數組，在存數據的時候，還會檢查數據類型是否兼容，所以數組可以是協變的。

五、數組在 java 和 c++ 中的區別

• C++ 中的數組只是一個指針，java 中的數組是一個對象

• java 中訪問數組會有額外的范圍檢查

• java 中會確保數組被初始化

六、Array 和 ArrayList的效率對比

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

對比可以看到，數組的插入和隨機訪問效率都要比ArrayList高，但是一般建議優先使用列表，只有在優先考慮效率的時候才考慮使用數組，因為

• 數組是協變的不能使用泛型

• 數組是具體化的，只有在運行時才知道元素的類型

七、總結

在看數組的時候，因為class是動態創建的，所以看了很久，但是根據數組的特性，基本可以認為數組的域和方法，類似于：

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());
??}
?}
}