不该被忽视的CoreJava细节(四)

令人纳闷的数组初始化细节

这个细节问题我很久以前就想深入研究一下，但是一直没有能够抽出时间，借这系列文章的东风，尽量解决掉这个"心头病"。

下面以一维int数组为例，对数组初始化方式进行分类。

1） int[] a = new int[2]; a[0] = 1; a[1] = 2;

2） int[] a = new int[]{1, 2};

3） int[] a; a = new int[]{1, 2};

4） int[] a = {1, 2};

这四种初始化方式都是合理的。

但有的时候，题目中会来这么一手。

int[] a;
a = {1, 2};  // 编译错误，不符合语法规则

虽然我们能够通过编译器测试其是否正确，但是你不觉得纳闷么？这难道是一个特例？

于是乎，对Java的数组的理解变得更加模糊。本文将深入探究Java数组的机制，解决这个1年内没时间思考的问题。

事实胜于雄辩

曾经我认为直接赋值数组是属于Java常量池技术范畴。通过一段对数组的测试代码，将会证明这是错误观点。

public class ArrayDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {1, 2, 3};
        int[] b = {1, 2, 3};
        System.out.println(a.hashCode()); // 1072840587
        System.out.println(b.hashCode()); // 959045497
        System.out.println(a == b);       // false
    }
}

明确一点：对象hashCode值一样，并不一定能说明这两个引用指向同一个对象；反过来，如果hashCode值不一样，则引用指向的一定是不同的对象。

因此，引用变量a、b指向的是不同的对象。也就是说，Java并没有为直接赋值数组提供运行时常量池技术实现。

为什么在C语言中很容易理解的概念，在Java中却变得如此晦涩难懂？

在C语言中，这个问题的解释很容易。c[]代表一个int数组，其中数组名c代表数组首地址，是一个常量，不能作为左值。

但是在Java语言规范（可以参考相应文献）中，明确将数组定义为一种引用数据类型，数组名是一个变量，储存数组对象的句柄值。但是，我们知道Java语言是一门高级编程语言，大致属于第三代编程语言（第一代汇编，第二代C，二代半C++，第三代Java，第四代R等），其底层实现依靠C++。建立在C++基础之上的Java很多底层细节都被屏蔽，导致使用者很难一窥究竟，这就是为什么我们可以理解C/C++的基本概念，但是对Java却一头雾水的原因。

这个例子中，似乎数组与字符串等别的对象确实有些不同。

查看Array类的源代码，发现其中的方法都是用native修饰的，意味着Array类很多内容都是从虚拟机底层实现的。

 1 package java.lang.reflect;
 2
 3 /**
 4  * The <code>Array</code> class provides static methods to dynamically create and
 5  * access Java arrays.
 6  *
 7  * <p><code>Array</code> permits widening conversions to occur during a get or set
 8  * operation, but throws an <code>IllegalArgumentException</code> if a narrowing
 9  * conversion would occur.
10  *
11  * @author Nakul Saraiya
12  */
13 public final
14 class Array {
15
16     private Array() {}
17
18     public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)
19     throws NegativeArraySizeException {
20     return newArray(componentType, length);
21     }
22
23     public static Object newInstance(Class<?> componentType, int... dimensions)
24     throws IllegalArgumentException, NegativeArraySizeException {
25     return multiNewArray(componentType, dimensions);
26     }
27 　　// 说明length字段是在虚拟机底层维护的
28     public static native int getLength(Object array)
29     throws IllegalArgumentException;
30
31     public static native Object get(Object array, int index)
32      throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
33
34     public static native boolean getBoolean(Object array, int index)
35     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
36
37     public static native byte getByte(Object array, int index)
38     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
39
40     public static native char getChar(Object array, int index)
41     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
42
43     public static native short getShort(Object array, int index)
44     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
45
46     public static native int getInt(Object array, int index)
47     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
48
49     public static native long getLong(Object array, int index)
50     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
51
52     public static native float getFloat(Object array, int index)
53     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
54
55     public static native double getDouble(Object array, int index)
56     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
57
58     public static native void set(Object array, int index, Object value)
59     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
60
61     public static native void setBoolean(Object array, int index, boolean z)
62     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
63
64     public static native void setByte(Object array, int index, byte b)
65     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
66
67     public static native void setChar(Object array, int index, char c)
68     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
69
70     public static native void setShort(Object array, int index, short s)
71     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
72
73     public static native void setInt(Object array, int index, int i)
74     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
75
76     public static native void setLong(Object array, int index, long l)
77     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
78
79     public static native void setFloat(Object array, int index, float f)
80     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
81
82     public static native void setDouble(Object array, int index, double d)
83     throws IllegalArgumentException, ArrayIndexOutOfBoundsException;
84
85     private static native Object newArray(Class componentType, int length)
86     throws NegativeArraySizeException;  // length传入虚拟机底层，由本地方法处理，侧面说明length字段是JVM底层维护的
87
88     private static native Object multiNewArray(Class componentType,
89     int[] dimensions)
90     throws IllegalArgumentException, NegativeArraySizeException;
91 }

粗略地阅读源代码，看到public static native int getLength();方法，其中有native关键字，而且在Array类中并没有length字段。那么，可以判定Array类的length字段一定是JVM在运行时维护的。

不入虎穴，焉得虎子

接下来介绍一些比较细节的问题。如果我们打印数组引用变量中储存的值，会发现一个有趣的东西。

public class ArrayTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object[] o = new Object[2];
        System.out.println(o);   //[Ljava.lang.Object;@6154283a

        String[] str = new String[2];
        System.out.println(str); //[Ljava.lang.String;@5c1d29c1

        Throwable[] t = new Throwable[2];
        System.out.println(t);   //[Ljava.lang.Throwable;@7ea06d25

        @SuppressWarnings("rawtypes")
        Class[] c = new Class[2];
        System.out.println(c);  //[Ljava.lang.Class;@565dd915
   -----------------------------------------以上均属于 Object[]类型------------------------------------------    

-----------------------------------------以下均属于  基本类型数组------------------------------------------
        byte[] b = new byte[2];
        System.out.println(b);  //[B@2b571dff

        boolean[] bl = new boolean[2];
        System.out.println(bl);  //[Z@64726693

        short[] s = new short[2];
        System.out.println(s);  //[S@12ac706a

        int[] i = new int[2];
        System.out.println(i);  //[I@770848b9

        long[] l = new long[2];
        System.out.println(l);  //[J@40dea6bc

        char[] ch = new char[2];
        System.out.println(ch); //两个方框
        System.out.println(ch.getClass().getName());   //[C
        char[] ch = new char[2];
        ch[0] = ‘a‘;
        ch[1] = ‘b‘;
        System.out.println(ch);  //ab

        float[] f = new float[2];
        System.out.println(f);  //[F@5994a1e9

        double[] d = new double[2];
        System.out.println(d);  //[D@2d11f5f1
    }
}            

除了char[]比较特殊，主要是因为String内部构造是由char[]实现的，所以直接打印char[]对象引用的值时会出现输出的是值和别的数组类型不一样。

为什么数组对象句柄是这种以"[字母@散列码"格式？查看JDK中的jni.h头文件（C++）时，终于明白了其中的缘由。

经过分析，可以得出这样的结论：

以上九种数组类型，数组引用变量存的内容都是符合：[字母@散列码"；

以上五种非数组类型。Object类型、Class类型、Throwable类型、String类型、Array类型，打印符合Java规范的常见格式：类限定名@散列码。

还有一个，曾经我在找数组的length字段到底从哪儿来的？

分析的情况无非两种：1）从父类继承来的； 2）自己拥有的。

遗憾的是，并不能从任何地方找到有length属性，这是判断倾向于自己拥有的。可是，好像又有什么地方不对劲，自己拥有的，在哪里？

看过jni.h源代码后，我才发现，原来直接赋值数组的length字段是虚拟机运行时维护的。

真相到底是什么

绕了个大弯，我们还没有解决掉文章最初的那个问题。为什么直接赋值数组不能以如下方式初始化。

实际上，Java对数组的处理表面上是当成类似引用数据类型，在本质上（虚拟机底层）还是采用C++那套模型。

int[] a;
a = {1, 2};   // 编译器认为 a 是一个常量，采用C++模型

int[] a = {1, 2};   // 编译器认为 a 是一个引用变量，采用C++模型

也就是说，Java直接赋值数组其实和C++直接赋值数组在本质上没有什么两样，都认为数组变量是常量。只不过，在Java语言为了面向对象的协调性而将数组看成特殊的引用数据类型而已。关于将Java将数组看成特殊的引用数据类型这一点，可以从引用数据类型的分类（数组、类、接口）中看出，数组作为一个特例被Java纳到对象的范畴。

后记

本来想尝试从字节码角度来分析的，这得花更多时间去研究，想想还是算了。以后有机会或许会从字节码角度再来看这个问题吧。

想补充一个知识点，以前我们获取数组的长度一般使用"ref.length"。现在多了一种方法"Array.getLength(ref)"，举例如下。

int[] a = {1, 2, 3, 4};
System.out.println(a.length);    // 4
System.out.println(Array.getLength(a));   // 4