Java 类型系统的 BUG

最近看到一道比较有意思的 Java 面试题，在这里给大家分享一下，题目如下：

String[] a = new String[2];
Object[] b = a;
a[0] = "hello";
b[1] = Integer.valueOf(0);

那么问题来了：以上 4 行代码有什么问题？

当我看到这道题的时候，第一印象是：第 2 行有问题

在 Java 中，数组是没有继承关系的，String[] 在 JVM 中的表示是 [Ljava/lang/String;，Object[] 在 JVM 中的表示是 [Ljava/lang/Object;，它们的父类都是 java.lang.Object。

Java 的表现

当我把代码输入到 IDE 中时，发现并没有语法错误，我想这难道是 IDE 的 bug ?，于是又打开了 VIM，写了个测试类：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] a = new String[2];
        Object[] b = a;
        a[0] = "hello";
        b[1] = Integer.valueOf(0);
        System.out.println(a);
    }
}

手动 javac 编译，发现也能编译过，这就有意思了，当我反编译 class 文件后，发现竟然是这样的：

public static void main(String[] var0) {
    String[] var1 = new String[]{"hello", 0};
    System.out.println(var1);
}

为了确认反编译的结果，于是又用 javap 输出了 main(String[]) 方法的字节码，如下所示：

 0: iconst_2
 1: anewarray     #2                  // class java/lang/String
 4: astore_1
 5: aload_1
 6: astore_2
 7: aload_1
 8: iconst_0
 9: ldc           #3                  // String hello
11: aastore
12: aload_2
13: iconst_1
14: iconst_0
15: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
18: aastore
19: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
22: aload_1
23: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
26: return

看起来 javac 对 main(String[]) 方法做了优化，把局部变量 Object[] b 给去掉了，大家猜猜这段代码运行的结果是什么？

可能有人会想，难道是 ClassCastException？可是看字节码，哪里有 checkcast 指令？

运行一下试试呗，这就是实际的结果：

1 2	Exception in thread "main" java.lang.ArrayStoreException: java.lang.Integer at Main.main(Main.java:6)

居然还有 ArrayStoreException 这样的异常，再看看 ArrayStoreException 的源码：

/**
 * Thrown to indicate that an attempt has been made to store the
 * wrong type of object into an array of objects. For example, the
 * following code generates an <code>ArrayStoreException</code>:
 * <blockquote><pre>
 *     Object x[] = new String[3];
 *     x[0] = new Integer(0);
 * </pre></blockquote>
 *
 * @author  unascribed
 * @since   JDK1.0
 */
public
class ArrayStoreException extends RuntimeException {
    private static final long serialVersionUID = -4522193890499838241L;

    /**
     * Constructs an <code>ArrayStoreException</code> with no detail message.
     */
    public ArrayStoreException() {
        super();
    }

    /**
     * Constructs an <code>ArrayStoreException</code> with the specified
     * detail message.
     *
     * @param   s   the detail message.
     */
    public ArrayStoreException(String s) {
        super(s);
    }
}

注释里已经写得很清楚了，可是，明明知道这么写是有问题的，为什么还要让它发生呢？就像 ArithmeticException 一样，明知道可能会发生异常，为什么 IDE 也不提示一下呢？关键是，为什么将 String[] 赋值给 Object[] 会被认为是正确的呢？

带着疑问，翻了一下 JVM 规范，原来 aastore 指令已经给出了给出了明确的定义：

1	aastore value, index, arrayref

在运行时，value 的类型必须与 arrayref 引用的数组组件的类型兼容。具体来说，仅在以下情况下才允许将引用类型 S（源）的值赋给引用类型 T（目标）的数组组件：

如果 S 是 Class 类型，则：
- 如果 T 是 Class 类型，则 S 必须与 T 属于同一类，或者 S 必须是 `T 的子类；
- 如果 T 是接口类型，则 S 必须实现接口 T。
如果 S 是接口类型，则：
- 如果 T 是 Class 类型，则 T 必须是 Object。
- 如果 T 是接口类型，则 T 必须是与 S 相同的接口或 S 的超接口。
如果 S 是数组类型 SC[]，即数组组件为 SC 类型，则：
- 如果 T 是 Class 类型，则 T 必须是 Object。
- 如果 T 是接口类型，则 T 必须是由数组实现的接口之一（JLS§4.10.3）。
- 如果 T 为数组类型 TC[]，即数组组件为 TC 类型，则以下条件之一必须为 true：
  - TC 和 SC 是相同的原始类型。
  - TC 和 SC 是引用类型，类型 SC 可赋给 TC。

所以，根据上面的最后一条规则，String[] 是可以赋给 Object[]，因为：

String[] 和 Object[] 都为引用类型
String 可以赋给 Object

既然这样，那么，下面这段代码的结果是怎样的呢？

public static void main(String[] args) {
    String[] a = new String[2];
    Object[] b = a;
    System.out.println(String[].class.getSuperclass());
    System.out.println(Object[].class.getSuperclass());
    System.out.println(Object[].class.isAssignableFrom(String[].class));
}

运行一下，结果为：

1
2
3

class java.lang.Object
class java.lang.Object
true

这说明了什么问题：

数组不存在继承关系
不存在继承关系的两种不同的引用类型之间可以赋值（这难道不是与多态的定义相违悖？）

Kotlin 的表现

如果把上面的代码翻译成 Kotlin，会不会有不一样的结果呢？

看来 Kotlin 的类型系统相对于 Java 来说更严谨。