深入理解java数组

不知道大家有没有想过 “为什么获取数组的长度用.length(成员变量的形式)，而获取String的长度用.length()(成员方法的形式)？” Java中的数组其实是完备(full-fledged)的对象，直接暴露成员变量，可能不是一种很OO的风格。那么，设计Java的那帮天才为什么这么做呢？

数组对象的类是什么？

既然数组都是对象，那么数组的类究竟是什么呢？当然不是java.util.Arrays！我们以int一维数组为例，看看究竟。

public class Main {   
public static void main(String args[]){   
int a[] = new int[10]; Class clazz = a.getClass();   
System.out.println(clazz.getName());   
}   
}

输出： [I
看起来数组的类很奇怪，非但不属于任何包，而且名称还不是合法的标识符(identifier)。简单的说，数组的类名由若干个'['和数组元素类型的内部名称组成，'['的数目代表了数组的维度。

具有相同类型元素和相同维度的数组，属于同一个类。如果两个数组的元素类型相同，但维度不同，那么它们也属于不同的类。如果两个数组的元素类型和维度均相同，但长度不同，那么它们还是属于同一个类。

数组的类有哪些成员呢？

既然我们知道了数组的类名是什么，那么就去看看数组的类究竟是什么样的？有哪些成员变量？有哪些成员方法？length这个成员变量在哪？是不是没有length()这个成员方法？

我们发现在JDK的代码中没有找打'[I'这个类。想想也对，'[I'都不是一个合法的标识符，肯定不会出现public class [I {...}这样的Java代码。我们暂且不管[I类是谁声明的，怎么声明的，先用反射机制一探究竟吧。

public class Main {   
public static void main(String[] args) {   
int a[] = new int[10]; 
Class clazz = a.getClass();   
System.out.println(clazz.getDeclaredFields().length);   
System.out.println(clazz.getDeclaredMethods().length);   
System.out.println(clazz.getDeclaredConstructors().length);   
System.out.println(clazz.getDeclaredAnnotations().length);   
System.out.println(clazz.getDeclaredClasses().length);   
System.out.println(clazz.getSuperclass());   
}   
}

0 
0 
0 
0 
0 
class java.lang.Object

可见，[I这个类是java.lang.Object的直接子类，自身没有声明任何成员变量、成员方法、构造函数和Annotation，可以说，[I就是个空类。但是怎么连length这个成员变量都没有呢？如果真的没有，编译器怎么不报语法错呢？想必编译器对Array.length进行了特殊处理！

数组的类在哪里声明的？

先不管为什么没有length成员变量，我们先搞清楚[I这个类是哪里声明的。既然[I都不是合法的标识符，那么这个类肯定不是在Java代码中显式声明的。想来想去，只能是JVM自己在运行时生成的了。JVM生成类还是一件很容易的事情，甚至无需生成字节码，直接在方法区中创建类型数据，就差不多完工了。

在The JavaTM Virtual Machine Specification Second Edition 5.3.3 Creating Array Classes。描述到：类加载器先看看数组类是否已经被创建了。如果没有，那就说明需要创建数组类；如果有，那就无需创建了。如果数组元素是引用类型，那么类加载器首先去加载数组元素的类。JVM根据元素类型和维度，创建相应的数组类。

果然是JVM这家伙自个偷偷创建了[I类。JVM不把数组类放到任何包中，也不给他们起个合法的标识符名称，估计是为了避免和JDK、第三方及用户自定义的类发生冲突。其实想想，JVM也必须动态生成数组类，因为Java数组类的数量与元素类型、维度(最多255)有关，相当相当多了，是没法预先声明好的。

我们已经发现，偷懒的JVM没有为数组类生成length这个成员变量，那么Array.length这样的语法如何通过编译，如何执行的呢？

让我们看看字节码吧！编写一段最简单的代码

public class Main {   
public static void main(String[] args)   
{ int a[] = new int[2]; int i = a.length;   
}   
}

0 iconst_2                   //将int型常量2压入操作数栈  
1 newarray 10 (int)    //将2弹出操作数栈，作为长度，创建一个元素类型为int, 维度为1的数组，并将数组的引用压入操作数栈  
3 astore_1                 //将数组的引用从操作数栈中弹出，保存在索引为1的局部变量(即a)中  
4 aload_1                  //将索引为1的局部变量(即a)压入操作数栈  
5 arraylength            //从操作数栈弹出数组引用(即a)，并获取其长度(JVM负责实现如何获取)，并将长度压入操作数栈  
6 istore_2                 //将数组长度从操作数栈弹出，保存在索引为2的局部变量(即i)中  
7 return                    //main方法返回

可见，在这段字节码中，根本就没有看见length这个成员变量，获取数组长度是由一条特定的指令arraylength实现编译器对Array.length这样的语法做了特殊处理，直接编译成了arraylength指令。另外，JVM创建数组类，应该就是由newarray这条指令触发的了。

其实java对象在jvm结构如下：

image.png

左边是一般的类对象instanceOopDesc，header 包括了标识和元数据，标识用于存储运行时记录信息，包括哈希码、GC锁和线程锁等等。而数组对象是arrayOopDesc，header 多了个 length，用于记录数组长度。

很自然地想到，编译器也可以对Array.length()这样的语法做特殊处理，直接编译成arraylength指令。这样的话，我们就可以使用方法调用的风格获取数组的长度了。这样看起来貌似也更加OO一点。那为什么不使用Array.length()的语法呢？也许是开发Java的那帮天才对.length有所偏爱，或者抛硬币拍脑袋随便决定的吧。
最好还想说一点：相比C/C++中的数组，Java数组在安全性要好很多。C/C++常遇到的缓存区溢出或数组访问越界的问题，在Java中不再存在。因为Java使用特定的指令访问数组的元素，这些指令都会对数组的长度进行检查。如果发现越界，就会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException。

数组转换为List

我们经常需要使用到Arrays这个工具的asList()方法将其转换成列表。方便是方便，但是有时候会出现莫名其妙的问题。如下：

public static void main(String[] args) {
        int[] datas = new int[]{1,2,3,4,5};
        List list = Arrays.asList(datas);
        System.out.println(list.size());
    }
------------Output:
1

结果是1,是的你没有看错, 结果就是1。但是为什么会是1而不是5呢？先看asList()的源码

public static <T> List<T> asList(T... a) {
        return new ArrayList<T>(a);
    }

注意这个参数:T…a，这个参数是一个泛型的变长参数，我们知道基本数据类型是不可能泛型化的，也是就说8个基本数据类型是不可作为泛型参数的，但是为什么编译器没有报错呢？
这是因为在java中，数组会当做一个对象来处理，它是可以泛型的，所以我们的程序是把一个int型的数组作为了T的类型，所以在转换之后List中就只会存在一个类型为int数组的元素了。所以我们这样的程序System.out.println(datas.equals(list.get(0)));输出结果肯定是true。当然如果将int改为Integer，则长度就会变成5了。

enum Week{Sum,Mon,Tue,Web,Thu,Fri,Sat}
    public static void main(String[] args) {
        Week[] weeks = {Week.Sum,Week.Mon,Week.Tue,Week.Web,Week.Thu,Week.Fri};
        List<Week> list = Arrays.asList(weeks);
        list.add(Week.Sat);
    }

这个程序非常简单，就是讲一个数组转换成list，然后改变集合中值，但是运行呢？

Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
    at java.util.AbstractList.add(AbstractList.java:131)
    at java.util.AbstractList.add(AbstractList.java:91)
    at com.array.Test.main(Test.java:18)

编译没错，但是运行竟然出现了异常错误！UnsupportedOperationException ，当不支持请求的操作时，就会抛出该异常。从某种程度上来说就是不支持add方法，我们知道这是不可能的！什么原因引起这个异常呢？先看asList()的源代码：

 public static <T> List<T> asList(T... a) {
        return new ArrayList<T>(a);
    }

这里是直接返回一个ArrayList对象返回，但是注意这个ArrayList并不是java.util.ArrayList,而是Arrays工具类的一个内之类：

private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
    implements RandomAccess, java.io.Serializable{
        private static final long serialVersionUID = -2764017481108945198L;
        private final E[] a;
        ArrayList(E[] array) {
            if (array==null)
                throw new NullPointerException();
        a = array;
    }
       /** 省略方法 **/
    }

但是这个内部类并没有提供add()方法，那么查看父类：

public boolean add(E e) {
    add(size(), e);
    return true;
    }
    public void add(int index, E element) {
    throw new UnsupportedOperationException();
    }

这里父类仅仅只是提供了方法，方法的具体实现却没有，所以具体的实现需要子类自己来提供，但是非常遗憾,这个内部类ArrayList并没有提高add的实现方法。在ArrayList中，它主要提供了如下几个方法：

1、size：元素数量
2、toArray：转换为数组，实现了数组的浅拷贝。
3、get：获得指定元素。
4、contains：是否包含某元素。

所以综上所述，asList返回的是一个长度不可变的列表。数组是多长，转换成的列表是多长，我们是无法通过add、remove来增加或者减少其长度的。

深入理解java数组

数组对象的类是什么？

数组的类有哪些成员呢？

数组的类在哪里声明的？

数组转换为List

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