Java的多维数组

继续打捞站内信。

同学F 写道

在java中的数组访问，举个例子，对于数组int[][][] arry = new int[2][3][4],我从字节码上看，虚拟机对某个arry中的某个元素如arry[1][1][3]的访问，似乎是先获取arry[1]的引用，然后再获取arry[1][1]的引用，再获取数据arry[1][1][3]，如果这个过程我没有理解错的话，那么虚拟机是不是对这些“中间引用”（arry[1]、arry[1][1]之类的）创建相应的类型，否则单凭这些引用如何进行数组下表的越界校验？

Java和JVM里本来就没有所谓的“矩形数组”的概念，多维数组只有“数组的数组”（array-of-arrays）或者叫jagged array。
与之对比，C#和CLI里就有真正的多维“矩形”数组，也支持“数组的数组”。关于几种不同的语言里多维数组的差异，可以参考以前一帖。

也就是说，在Java里

类型	说明
int	这是一个基本类型
int[]	这是以int为元素的数组类型
int[][]	这是以int[]为元素的数组类型
int[][][]	这是以int[][]为元素的数组类型

一个数组类型的“组件类型”（component type）就是该数组类型的维度（dimension）减去1的类型；字面上看也就是少一对[]。

每个维度上都是一个真正的数组对象。每个数组对象都记录着自己的长度（length）。所以对每个数组对象都可以用arraylength指令去查询它们的长度，每个Xaload / Xastore也就可以做相应的边界检查。

int[][][] array = new int[2][3][4];

这只是个简写而已。虽然这个语句的右手边对应与一组JVM字节码指令，

   0:	iconst_2
   1:	iconst_3
   2:	iconst_4
   3:	multianewarray	#2,  3; //class "[[[I"

实际上它的作用大致等同于：

int[][][] a = new int[2][][];
for (int i = 0; i < a.length; i++) {
  a[i] = new int[3][];
  for (int j = 0; j < a[i].length; j++) {
    a[i][j] = new int[4];
  }
}

以32位HotSpot VM的实现为例，上面两个版本的代码创建出来的对象都是这种样子的：



这样就好理解了吧？

可以参考JVM规范去了解multianewarray的语义：
http://java.sun.com/docs/books/jvms/second_edition/html/Instructions2.doc9.html#multianewarray

HotSpot VM的实现里，参考解释器版的实现比较直观，在这里：
interpreterRuntime.cpp: InterpreterRuntime::multianewarray
objArrayKlass.cpp: objArrayKlass::multi_allocate
typeArrayKlass.cpp: typeArrayKlass::multi_allocate

该指令接受两个参数，
第一个是多维数组的类型，这个例子是里[[[I，也就是int[][][]；
第二个是多维数组的维度n，这个例子里n=3。
知道了维度之后，JVM执行这条指令时就会从操作数栈顶弹出n个值（必须都是int型），并以这些int为每个维度的length嵌套循环的去创建数组对象出来；这个例子里也就是把前面iconst_2、iconst_3、iconst_4指令压到操作数栈上的常量2、3、4分别弹出来，并且作为数组的各维度的长度去创建实例。

multianewarray与上面写的那种显式用嵌套循环来初始化多维数组的Java代码最大的差异是，multianewarray会检查所有维度上的length是否非负，如果有负数就会抛NegativeArraySizeException；要注意的是无论传入的多维数组是否有维度的长度是0，所有维度都会被检查。
而显然，如果显式用嵌套循环来初始化的话，负数长度的问题就有可能“逃过去”。

看例子：

public class Foo {
  public static void main(String[] args) {
    int[][][] array = new int[1][0][-1];
  }
}

这个会抛NegativeArraySizeException异常：

$ java Foo
Exception in thread "main" java.lang.NegativeArraySizeException
        at Foo.main(Foo.java:3)

而

public class Bar {
  public static void main(String[] args) {
    int[][][] a = new int[1][][];
    for (int i = 0; i < a.length; i++) {
      a[i] = new int[0][];
      for (int j = 0; j < a[i].length; j++) { // a[i].length == 0
        a[i][j] = new int[-1];                // 这个循环体不会被执行，-1的长度就被“跳过去”了
      }
    }
  }
}

这个不会抛异常。