怎样用Jvm处理Java数组

[来源] 达内    [编辑] 达内   [时间]2012-06-19

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...

  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 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 &nb sp;                //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(JV M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    &nbs p;               //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。

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