Java技术之System.arrayCopy方法详解

看 JDK 源码的时候，Java 开发设计者在对数组的复制时，通常都会使用 System.arraycopy() 方法。

其实对数组的复制，有四种方法：

• for
• clone
• System.arraycopy
• arrays.copyof

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本文章主要分析 System.arraycopy() ，带着几个问题去看这个方法：

• 深复制，还是浅复制
• String 的一维数组和二维数组复制是否有区别
• 线程安全，还是不安全
• 高效还是低效

System.arraycopy() 的 API ：

public static void arraycopy(
                             Object src,  //源数组
                             int srcPos,  //源数组的起始位置
                             Object dest, //目标数组
                             int destPos, //目标数组的起始位置
                             int length   //复制长度
                             )

1. 深复制还是浅复制

代码：对象数组的复制：

public class SystemArrayCopyTestCase {

    public static void main(String[] args) {
        User[] users = new User[] { 
                new User(1, "seven", "seven@qq.com"), 
                new User(2, "six", "six@qq.com"),
                new User(3, "ben", "ben@qq.com") };// 初始化对象数组
        
        User[] target = new User[users.length];// 新建一个目标对象数组
        
        System.arraycopy(users, 0, target, 0, users.length);// 实现复制
        
        System.out.println("源对象与目标对象的物理地址是否一样：" + (users[0] == target[0] ? "浅复制" : "深复制"));  //浅复制
        
        target[0].setEmail("admin@sina.com");
        
        System.out.println("修改目标对象的属性值后源对象users：");
        for (User user : users) {
            System.out.println(user);
        }
        //
        //
        //
    }
}

class User {
    private Integer id;
    private String username;
    private String email;

    // 无参构造函数
    public User() {
    }

    // 有参的构造函数
    public User(Integer id, String username, String email) {
        super();
        this.id = id;
        this.username = username;
        this.email = email;
    }

    public Integer getId() {
        return id;
    }

    public void setId(Integer id) {
        this.id = id;
    }

    public String getUsername() {
        return username;
    }

    public void setUsername(String username) {
        this.username = username;
    }

    public String getEmail() {
        return email;
    }

    public void setEmail(String email) {
        this.email = email;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User [id=" + id + ", username=" + username + ", email=" + email + "]";
    }
}

图示：对象复制的图示

所以，得出的结论是，System.arraycopy() 在拷贝数组的时候，采用的使用潜复制，复制结果是一维的引用变量传递给副本的一维数组，修改副本时，会影响原来的数组。

2. 一维数组和多维数组的复制的区别

代码：一维数组的复制

String[] st  = {"A","B","C","D","E"};
String[] dt  = new String[5];
System.arraycopy(st, 0, dt, 0, 5);

//改变dt的值
dt[3] = "M";
dt[4] = "V";

System.out.println("两个数组地址是否相同：" + (st == dt)); //false

for(String str : st){
    System.out.print(" " + str +" ");   // A  B  C  D  E 
    
}
System.out.println(); 
for(String str : dt){
    System.out.print(" " + str +" ");   // A  B  C  M  V 
}

使用该方法对一维数组在进行复制之后，目标数组修改不会影响原数据，这种复制属性值传递，修改副本不会影响原来的值。

但是，请重点看以下代码：

String[] st  = {"A","B","C","D","E"};
String[] dt  = new String[5];
System.arraycopy(st, 0, dt, 0, 5);

for(String str : st){
    System.out.print(" " + str +" ");   // A  B  C  D  E 
    
}
System.out.println(); 
for(String str : dt){
    System.out.print(" " + str +" ");   // A  B  C  D  E 
}

System.out.println("数组内对应位置的String地址是否相同:" + st[0] == dt[0]); // true

既然是属性值传递，为什么 st[0] == dt[0] 会相等呢? 我们再深入验证一下：

String[] st  = {"A","B","C","D","E"};
String[] dt  = new String[5];
System.arraycopy(st, 0, dt, 0, 5);
dt[0] = "F" ;

for(String str : st){
    System.out.print(" " + str +" ");   // A  B  C  D  E 
    
}
System.out.println(); 
for(String str : dt){
    System.out.print(" " + str +" ");   // F  B  C  D  E 
}


System.out.println("数组内对应位置的String地址是否相同:" + st[0] == dt[0]); // false

为什么会出现以上的情况呢？

通过以上两段代码可以推断，在System.arraycopy()进行复制的时候，首先检查了字符串常量池是否存在该字面量，一旦存在，则直接返回对应的内存地址，如不存在，则在内存中开辟空间保存对应的对象。

代码：二维数组的复制

String[][] s1 = {
            {"A1","B1","C1","D1","E1"},
            {"A2","B2","C2","D2","E2"},
            {"A3","B3","C3","D3","E3"}
                };
String[][] s2 = new String[s1.length][s1[0].length];  

System.arraycopy(s1, 0, s2, 0, s2.length);  

for(int i = 0;i < s1.length ;i++){ 
 
   for(int j = 0; j< s1[0].length ;j++){  
      System.out.print(" " + s1[i][j] + " ");
   }  
   System.out.println();  
}  

//  A1  B1  C1  D1  E1 
//  A2  B2  C2  D2  E2 
//  A3  B3  C3  D3  E3 


s2[0][0] = "V";
s2[0][1] = "X";
s2[0][2] = "Y";
s2[0][3] = "Z";
s2[0][4] = "U";

System.out.println("----修改值后----");  


for(int i = 0;i < s1.length ;i++){  
       for(int j = 0; j< s1[0].length ;j++){  
          System.out.print(" " + s1[i][j] + " ");
       }  
       System.out.println();  
 }  

//  Z   Y   X   Z   U 
//  A2  B2  C2  D2  E2 
//  A3  B3  C3  D3  E3

上述代码是对二维数组进行复制，数组的第一维装的是一个一维数组的引用，第二维里是元素数值。对二维数组进行复制后后，第一维的引用被复制给新数组的第一维，也就是两个数组的第一维都指向相同的“那些数组”。而这时改变其中任何一个数组的元素的值，其实都修改了“那些数组”的元素的值，所以原数组和新数组的元素值都一样了。

3. 线程安全，还是不安全

代码：多线程对数组进行复制 (java中System.arraycopy是线程安全的吗？ )

public class ArrayCopyThreadSafe {
    private static int[] arrayOriginal = new int[1024 * 1024 * 10];
    private static int[] arraySrc = new int[1024 * 1024 * 10];
    private static int[] arrayDist = new int[1024 * 1024 * 10];
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private static void modify() {
        for (int i = 0; i < arraySrc.length; i++) {
            arraySrc[i] = i + 1;
        }
    }

    private static void copy() {
        System.arraycopy(arraySrc, 0, arrayDist, 0, arraySrc.length);
    }

    private static void init() {
        for (int i = 0; i < arraySrc.length; i++) {
            arrayOriginal[i] = i;
            arraySrc[i] = i;
            arrayDist[i] = 0;
        }
    }

    private static void doThreadSafeCheck() throws Exception {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("run count: " + (i + 1));
            init();
            Condition condition = lock.newCondition();

            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    lock.lock();
                    condition.signalAll();
                    lock.unlock();
                    copy();
                }
            }).start();


            lock.lock();
            // 这里使用 Condition 来保证拷贝线程先已经运行了.
            condition.await();
            lock.unlock();

            Thread.sleep(2); // 休眠2毫秒, 确保拷贝操作已经执行了, 才执行修改操作.
            modify();

            if (!Arrays.equals(arrayOriginal, arrayDist)) {
                throw new RuntimeException("System.arraycopy is not thread safe");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        doThreadSafeCheck();
    }
}

这个例子的具体操作是:

• 1.arrayOriginal 和 arraySrc 初始化时是相同的, 而 arrayDist 是全为零的.
• 2.启动一个线程运行 copy() 方法来拷贝 arraySrc 到 arrayDist 中.
• 3.在主线程执行 modify() 操作, 修改 arraySrc 的内容. 为了确保 copy() 操作先于 modify() 操作, 我使用 Condition, 并且延时了两毫秒, 以此来保证执行拷贝操作(即System.arraycopy) 先于修改操作.
• 4.根据第三点, 如果 System.arraycopy 是线程安全的, 那么先执行拷贝操作, 再执行修改操作时, 不会影响复制结果, 因此 arrayOriginal 必然等于 arrayDist; 而如果 System.arraycopy 是线程不安全的, 那么 arrayOriginal 不等于 arrayDist.

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根据上面的推理, 运行一下程序, 有如下输出:

run count: 1
run count: 2
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: System.arraycopy is not thread safe
    at com.test.ArrayCopyThreadSafe.doThreadSafeCheck(ArrayCopyThreadSafe.java:62)
    at com.test.ArrayCopyThreadSafe.main(ArrayCopyThreadSafe.java:68)

所以，System.arraycopy是不安全的。

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4. 高效还是低效

代码：for vs System.arraycopy 复制数组

String[] srcArray = new String[1000000];
String[] forArray = new String[srcArray.length];
String[] arrayCopyArray  = new String[srcArray.length];

//初始化数组
for(int index  = 0 ; index  < srcArray.length ; index ++){
    srcArray[index] = String.valueOf(index);
}

long forStartTime = System.currentTimeMillis();
for(int index  = 0 ; index  < srcArray.length ; index ++){
    forArray[index] = srcArray[index];
}
long forEndTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("for方式复制数组："  + (forEndTime - forStartTime));

long arrayCopyStartTime = System.currentTimeMillis();
System.arraycopy(srcArray,0,arrayCopyArray,0,srcArray.length);
long arrayCopyEndTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("System.arraycopy复制数组："  + (arrayCopyEndTime - arrayCopyStartTime));

通过以上代码，当测试数组的范围比较小的时候，两者相差的时间无几，当测试数组的长度达到百万级别，System.arraycopy的速度优势就开始体现了，根据对底层的理解，System.arraycopy是对内存直接进行复制，减少了for循环过程中的寻址时间，从而提高了效能。