Java中的数组和List集合以及类型强转

在java中,集合操作有两种方式——容器、数组；
容器相比较于数组，多了可扩展性，这里仅以容器的代表List，来对比和数组的关系。

都知道在java引入的泛型和自动拆装箱等语法糖后，集合操作也变得简单安全。
也都知道其实泛型在到字节码层面上时，会被擦除，虽然字节码中还会保留泛型参数（可以利用反射看到），但对真实的的类并不产生多大影响。

那么，对于List来说，如果泛型存在继承关系，是否可以强行转换呢？

一、List泛型类型转换

先看一个关于泛型的代码：

List<Number> numbers=new ArrayList<>();

//无法直接赋值 ：Incompatible types
//List<Object> objects=numbers;

//无法进行类型转换：Inconvertible types; cannot cast 'java.util.List<java.lang.Number>' to 'java.util.List<java.lang.Object>
//List<Object> objectss=(List<Object>)numbers;

如果放开注释，编译器会直接报错；错误警告在注释中有标出；

可以看到，虽然泛型参数不会改变List类的类型，但在有了泛型之后，无法直接赋值，也无法进行类型的强行转换

那怎么样才能赋值成功呢？

List<Number> numbers=new ArrayList<>();
List presenter =numbers;
List<Object> objects=presenter;

只有这样：先消除泛型处理，然后再直接赋值

虽然说换了一种方式，但其实代码逻辑与之前错误的那种并无不同，那为什么编译器对上一种操作方式不认可呢？

这个需要继续看接下来的代码：

List<Number> numbers=new ArrayList<>();
numbers.add(new Integer(200));
List presenter =numbers;
List<Date> objects=presenter;
Date date = objects.get(0);

这里的操作是这样的：

新建List容器，存储Number类型
将一个Integer类型对象放入
通过去泛型操作将存储Number类型的List容器引用赋值给存储Date类型的List容器
通过get方法获取容器中第一个元素（真实类型为Number），然后强转为Date类型

这段代码完全符合Java语法，但真正运行时就会出现异常：

java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.util.Date

由此可见，最开始一段代码中，进行非相同类型相互赋值是很有风险的，因此编译器对此做了特殊处理，Java是一门基于安全的语言，这种很危险的事情当然会有相应的警告，但要是人为使坏（比如通过反射向容器中添加元素），那就没办法了。

同样的，除了容器泛型外，数组有时候也需要进行一些类型转换操作，那么数组会和泛型容器一样出现相同的问题么？

二、类型数组

Java中枚举类型enum继承自Enum类，但数组类可不继承自Array类，对于容器类来说不允许的操作，数组类确是允许的：

Integer[] integers=new Integer[2];
Number[] numbers=integers;

如上代码所示，一个Integer类型数组，可以直接赋值给Number类型数组。

与集合不同的是，泛型不同的List所对应的class类相同，类型数据对应的class类不同

因此说到底，泛型集合根本不是强制类型转换，因为表面类型（和静态分派是所说的类型相似）并没有发生变化。这点可以通过编译器调试模式REPL来进行分析；

1、基本类型对应的数组

java中虽然说基本类型（如int）可以和包装类型（如Integer）自动拆装箱，仿佛随时随地可以相互转化，但其实只是表面语法糖而已，同样的，基本类型数组和对象数组也存在不同之处。

先写出一些实例代码用于调试：

int[] a=new int[3];

然后进入调试模式查看变量a到底是什么类型：

① 数组类型

这里写图片描述

可以看到，int[] 对应的类型为 [I

② 类方法、类成员

这里写图片描述

这个类型其实是JVM内部自动生成的，在外部无法访问到。

这里我们可以发现，竟然没有任何成员，也没有任何方法。我们平时使用数组的时候，明明是使用了length属性的，这里为什么没有显示呢？

看这个代码：

int[] a = new int[3];
int length = a.length;

生成的字节码是这样的：

...
5 arraylength
...

对于字节码来说，如果length真的是属性，那么应该是通过 getfield 命令来获取，这里显然不是这样。

对于数组元素的提取，则是使用了其他的字节码指令（如aastore等）来完成的。因此确实没有length这个成员域。

关于数组为何要使用length属性来获取长度，可以参阅：为什么使用length获取Java数组的长度

③ 接口

这里写图片描述

这里实现了Cloneable和Serializable，可以进行序列化和克隆。

④ 父类

这里写图片描述

这里看到，基本类型数组的父类为Object，这也符合情况，因为一般来说基本类型数组对象最多也只是将引用赋值给Object类型引用而已。

2、引用类型对应的数组

首先来思考一下，引用类型数组和基本类型数组是否基本类似？

使用一下之前的代码：

Integer[] integers = new Integer[5];
Number[] numbers = integers;
Integer[] is = (Integer[]) numbers;

这里所有的操作都是有效的，一般而言：

子类实例同样是父类的实例
只有类型见存在继承关系，才能进行强制类型转换，并且只有真实类型为子类时，强转才不会出错

那么我们有理由推理，Integer[] 是Number[] 的子类。

和基本类型一样，进行调试测试一下类型到底是什么：

① 引用数组类型

这里写图片描述

改数组类型为: [java.lang.Integer
格式和基本类型都一致，中括号表示一维，Integer表示类型

② 接口

这里写图片描述

和基本数组类型一样，实现了克隆和序列化接口

③ 父类

这里写图片描述

看到这里，我们发现与我们的推理有些不符合了，Integer[] 的父类竟然直接就是Object。

是猜想有问题么？但如果真的 Integer[] 和 Number[] 都是Object的直接子类，那两者强转肯定会类型转型转换异常的吧。

因此这里我们直接使用java代码去进行测试。

通常我们一般会使用 instanceof 操作符来判断继承关系

integers instanceof [java.lang.Integer

这样很明显是不行的，我们根本无法直接表示出数组类来，所以还得使用一般的方式：

integers instanceof Number[]

执行后可以看到，结果为 true ，这就很好了，我们完全可以通过 Integer 类的继承关系，找出 Integer[] 类的继承关系：

这里写图片描述

3、多维数组类型

通过调试模式我们可以验证一维数组继承关系，但如果现在是多维数组，那么该如何处理呢？

这里我们可以直接看类继承是如何来判断的。

通用的 instanceof 操作符是java语法自带的，根本没法看到具体逻辑，因此我们需要查看继承判断方式的源码：

Class.isInstance()
Class.isAssignableFrom()

两者的判断逻辑其实是一样的：

public boolean isInstance(Object obj) {
    if (obj == null) {
        return false;
    }
    return isAssignableFrom(obj.getClass());
}

Class.isInstance() 方法会先判断是否为null，为null的话直接返回false；否则调用Class.isAssignableFrom()

public boolean isAssignableFrom(Class<?> cls) {
    if (this == cls) {
        return true;  // Can always assign to things of the same type.
    } else if (this == Object.class) {
        return !cls.isPrimitive();  // Can assign any reference to java.lang.Object.
    } else if (isArray()) {
        return cls.isArray() && componentType.isAssignableFrom(cls.componentType);
    } else if (isInterface()) {
        // Search iftable which has a flattened and uniqued list of interfaces.
        Object[] iftable = cls.ifTable;
        if (iftable != null) {
            for (int i = 0; i < iftable.length; i += 2) {
                if (iftable[i] == this) {
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    } else {
        if (!cls.isInterface()) {
            for (cls = cls.superClass; cls != null; cls = cls.superClass) {
                if (cls == this) {
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }
}

这里进行的判断逻辑如下：这里用本类和目标类表示this与cls

如果本类和目标类相同，那么返回true
如果本类为Object，目标类不是基本数据类型，返回true
如果本类为数组，目标类也为数组，则使用本类和目标类的componentType来调用isAssignableFrom进行判断
如果本类为接口，则获取目标类所有实现的接口，然后逐个判断是否与自身相同
如果本来为其他一般类，则逐级获取目标类的父类，直到Object，看是否有某一级父类会与自身相同。

这个逻辑很简单，这里直接看第三步对于数组类型的判断逻辑，其中有提到componentType，那么这个是什么存在呢？

/**
 * For array classes, the component class object for instanceof/checkcast (for String[][][],
 * this will be String[][]). null for non-array classes.
 */
private transient Class<?> componentType;

翻译过来大概意思是：

对于数组类型，component 用于在 instanceof 操作或者类型转换时进行判断；对String[][][]类型来说，其component为 String[][] ；
对于非数组类型，改字段为null

也就是说，对于多维数组 A[ ][ ][ ][ ]… 和 B[ ][ ][ ][ ]… ,只要维度相同，那么两者之间的继承关系可以直接通过 A 和 B 类来判断。

至于多维数组内存存储方式，可以参考：Java中数组在内存中的存放原理

三、List和数组，应该如何选择

在一般写代码时，都习惯性的使用容器类，因为它可以动态扩容，很方便，那数组还有没有什么用处呢？

1、数组使用场景

对于固定数量的对象，一般使用数组是比较好的，一方面数组占用内存空间肯定要少的多。
另外一方面，由于多维数组的存在，在操纵一些矩阵类数据时，总会直观一些。

2、ArrayList、LinkList、数组

这个其实很多人都已经知道了，ArrayList底层使用的数组，在生成实例时，可以传递容量参数。

transient Object[] elementData;

    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

elementData 变量用于存储元素值，Object类型表示ArrayList真实存在的其实类型很宽，使用泛型也只是在语法层面上减少使用出错率。
transient变量则保证了集合中的元素不会存在线程同步的问题。

LinkList 则在底层使用了链表，

    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

从代码中可以看到，这还是个双向链表。

jdk1.5添加了增强for循环功能，对于数组来说，因为无法看到源码，暂时不考虑效率问题。

但从ArrayList和LinkList来看，很明显的LinkList使用增强for循环会更快一些，ArrayList由于内部为数组，因此普通的for循环访问速度会更快。

总的来说，由于容器List的出现，数组类使用场景已经没有以前那么多了，但由于容器类的特殊性，是通过JVM自动生成的，因此至少安全和效率会有很大的保证。