有关JVM处理Java数组方法的思考

 

在Java中，获取数组的长度和String的长度是两种不同的方法，这引起了本文作者的一番思考。本文从JVM的角度，探讨了Java数组在JVM中是什么对象，有哪些成员，以及声明方法。

 

 

本文来自jarfield的博客，原文标题为《为什么如此获取Java数组的长度》。

记得vamcily 曾问我：“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)？”

我当时一听，觉得问得很有道理。做同样一件事情，为什么采用两种风格迥异的风格呢？况且，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？

带着这个疑问，我查阅了一些资料，主要是关于“JVM是如何处理数组”的。

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啦！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());
}
}

在SUN JDK 1.6上运行上述代码，输出为：

[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)。具体的命名规则[1]可以参见java.lang.Class.getName()的javadoc。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吧？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？

找来找去，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());
}
}

在SUN JDK 1.6上运行上述代码，输出为：

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。我们立马可以想到一个问题：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进行了特殊处理哇！

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吧。既然[I都不是合法的标识符，那么这个类肯定在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。

还没有实力去看JVM的源代码，于是翻了翻The JavaTM Virtual Machine Specification  Second Edition，果然得到了验证，相关内容参考5.3.3 Creating Array Classes。

规范的描述很严谨，还掺杂了定义类加载器和初始化类加载器的内容。先不管这些，简单概括一下：

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。

呵呵，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吧。

再想想，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。

居然没有length这个成员变量！

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，使用jclasslib查看字节码。

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

使用SUN JDK 1.6编译上述代码，并使用jclasslib打开Main.class文件，得到main方法的字节码：

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(怎么实现就不管了，JVM总有办法)。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。

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。 形式不重要，重要的是我们明白了背后的机理。

Array in Java

最后，对Java中纯对象的数组发表点感想吧

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。

 

Java数组元素的灵活性比较大。一个数组的元素本身也可以是数组，只要所有元素的数组类型相同即可。我们知道数组的类型和长度无关，因此元素可以是长度不同的数组。这样，Java的多维数组就不一定是规规矩矩的矩阵了，可以千变万化。