有關JVM處理Java數組方法的思考
本文來自jarfield的博客，原文標題為《為什么如此獲取Java數組的長度》。
記得vamcily 曾問我：“為什么獲取數組的長度用.length(成員變量的形式)，而獲取String的長度用.length()(成員方法的形式)？”
我當時一聽，覺得問得很有道理。做同樣一件事情，為什么采用兩種風格迥異的風格呢？況且，Java中的數組其實是完備(full-fledged)的對象，直接暴露成員變量，可能不是一種很OO的風格。那么，設計Java的那幫天才為什么這么做呢？
帶著這個疑問，我查閱了一些資料，主要是關于“JVM是如何處理數組”的。
數組對象的類是什么？
既然數組都是對象，那么數組的類究竟是什么呢？當然不是java.util.Arrays啦！我們以int一維數組為例，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上運行上述代碼，輸出為：
[I
看起來數組的類很奇怪，非但不屬于任何包，而且名稱還不是合法的標識符(identifier)。具體的命名規則[1]可以參見java.lang.Class.getName()的javadoc。簡單的說，數組的類名由若干個'['和數組元素類型的內部名稱組成，'['的數目代表了數組的維度。
具有相同類型元素和相同維度的數組，屬于同一個類。如果兩個數組的元素類型相同，但維度不同，那么它們也屬于不同的類。如果兩個數組的元素類型和維度均相同，但長度不同，那么它們還是屬于同一個類。
數組的類有哪些成員呢？
既然我們知道了數組的類名是什么，那么就去看看數組的類究竟是什么樣的吧？有哪些成員變量？有哪些成員方法？length這個成員變量在哪？是不是沒有length()這個成員方法？
找來找去，在JDK的代碼中沒有找打'[I'這個類。想想也對，'[I'都不是一個合法的標識符，肯定不會出現public class [I {...}這樣的Java代碼。我們暫且不管[I類是誰聲明的，怎么聲明的，先用反射機制一探究竟吧。
- 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上運行上述代碼，輸出為：
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- class java.lang.Object
可見，[I這個類是java.lang.Object的直接子類，自身沒有聲明任何成員變量、成員方法、構造函數和Annotation，可以說，[I就是個空類。我們立馬可以想到一個問題：怎么連length這個成員變量都沒有呢？如果真的沒有，編譯器怎么不報語法錯呢？想必編譯器對Array.length進行了特殊處理哇！
數組的類在哪里聲明的？
先不管為什么沒有length成員變量，我們先搞清楚[I這個類是哪里聲明的吧。既然[I都不是合法的標識符，那么這個類肯定在Java代碼中顯式聲明的。想來想去，只能是JVM自己在運行時生成的了。JVM生成類還是一件很容易的事情，甚至無需生成字節碼，直接在方法區中創建類型數據，就差不多完工了。
還沒有實力去看JVM的源代碼，于是翻了翻The JavaTM Virtual Machine Specification Second Edition，果然得到了驗證，相關內容參考5.3.3 Creating Array Classes。
規范的描述很嚴謹，還摻雜了定義類加載器和初始化類加載器的內容。先不管這些，簡單概括一下：
類加載器先看看數組類是否已經被創建了。如果沒有，那就說明需要創建數組類；如果有，那就無需創建了。
如果數組元素是引用類型，那么類加載器首先去加載數組元素的類。
JVM根據元素類型和維度，創建相應的數組類。
呵呵，果然是JVM這家伙自個偷偷創建了[I類。JVM不把數組類放到任何包中，也不給他們起個合法的標識符名稱，估計是為了避免和JDK、第三方及用戶自定義的類發生沖突吧。
再想想，JVM也必須動態生成數組類，因為Java數組類的數量與元素類型、維度(最多255)有關，相當相當多了，是沒法預先聲明好的。
居然沒有length這個成員變量！
我們已經發現，偷懶的JVM沒有為數組類生成length這個成員變量，那么Array.length這樣的語法如何通過編譯，如何執行的呢？
讓我們看看字節碼吧！編寫一段最簡單的代碼，使用jclasslib查看字節碼。
- public class Main {
- public static void main(String[] args)
- { int a[] = new int[2]; int i = a.length;
- }
- }
使用SUN JDK 1.6編譯上述代碼，并使用jclasslib打開Main.class文件，得到main方法的字節碼：
- 0 iconst_2 //將int型常量2壓入操作數棧
- 1 newarray 10 (int) //將2彈出操作數棧，作為長度，創建一個元素類型為int, 維度為1的數組，并將數組的引用壓入操作數棧
- 3 astore_1 //將數組的引用從操作數棧中彈出，保存在索引為1的局部變量(即a)中
- 4 aload_1 //將索引為1的局部變量(即a)壓入操作數棧
- 5 arraylength //從操作數棧彈出數組引用(即a)，并獲取其長度(JVM負責實現如何獲取)，并將長度壓入操作數棧
- 6 istore_2 //將數組長度從操作數棧彈出，保存在索引為2的局部變量(即i)中
- 7 return //main方法返回
可見，在這段字節碼中，根本就沒有看見length這個成員變量，獲取數組長度是由一條特定的指令arraylength實現(怎么實現就不管了，JVM總有辦法)。編譯器對Array.length這樣的語法做了特殊處理，直接編譯成了arraylength指令。另外，JVM創建數組類，應該就是由newarray這條指令觸發的了。
很自然地想到，編譯器也可以對Array.length()這樣的語法做特殊處理，直接編譯成arraylength指令。這樣的話，我們就可以使用方法調用的風格獲取數組的長度了，這樣看起來貌似也更加OO一點。那為什么不使用Array.length()的語法呢？也許是開發Java的那幫天才對.length有所偏愛，或者拋硬幣拍腦袋隨便決定的吧。 形式不重要，重要的是我們明白了背后的機理。
Array in Java
最后，對Java中純對象的數組發表點感想吧。
#t#相比C/C++中的數組，Java數組在安全性要好很多。C/C++常遇到的緩存區溢出或數組訪問越界的問題，在Java中不再存在。因為Java使用特定的指令訪問數組的元素，這些指令都會對數組的長度進行檢查。如果發現越界，就會拋出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException。
Java數組元素的靈活性比較大。一個數組的元素本身也可以是數組，只要所有元素的數組類型相同即可。我們知道數組的類型和長度無關，因此元素可以是長度不同的數組。這樣，Java的多維數組就不一定是規規矩矩的矩陣了，可以千變萬化。
