Адресація памʼяті та змінні

1. Влаштування памʼяті

У кожного компʼютера є оперативна памʼять. Що це таке, які вона має властивості, і, найголовніше, яка з цього вам користь?

Кожна програма (зокрема написана на Java) перед виконанням завантажується в оперативну памʼять. В оперативній памʼяті містяться код програми (який виконує процесор) та дані програми (які в памʼять поміщає сама програма).

То що таке оперативна памʼять і на що вона схожа?

Уявіть собі Excel. Аркуш в Excel складається з комірок, і кожна комірка має свій унікальний номер (A1, A2, … B1, B2). Знаючи номер комірки, завжди можна записати в неї значення або отримати значення, яке там зберігається. Памʼять компʼютера влаштована подібно.

Програма та її дані під час роботи зберігаються в памʼяті. Уся памʼять компʼютера представлена у вигляді маленьких комірок — байтів. Кожна комірка має свій унікальний номер — 0, 1, 2, 3, … (нумерація починається з нуля). Знаючи номер комірки, ми можемо зберегти в ній дані або взяти їх із неї. В одних комірках зберігається код програми — набір команд для процесора, в інших — дані цієї програми. Номер комірки також називають адресою комірки.

Процесор уміє виконувати команди із завантаженої в памʼять програми. Більшість команд процесора — це послідовність на кшталт: взяти дані з деяких комірок → зробити з ними щось → результат помістити в інші комірки.

Обʼєднуючи сотні простих команд, ми отримуємо складні й корисні дії.

Коли в коді програми оголошується змінна, їй виділяється шматочок ще не використаної памʼяті. Зазвичай це кілька байтів. Під час оголошення змінної обовʼязково потрібно вказати тип інформації, яку програма зберігатиме в ній: числа, текст чи інші дані. Адже без знання типу незрозуміло, який розмір блоку памʼяті потрібно виділити для змінної.

На початку компʼютерної індустрії програми працювали просто з номерами комірок памʼяті, але згодом для зручності програмістів коміркам почали давати імена. Унікальне імʼя змінної — це насамперед для зручності програмістів: програма під час роботи чудово впоралася б і з номерами.

2. Змінні в памʼяті

У Java є чотири основні типи даних для зберігання цілих чисел: byte, short, int і long.

byte

1

short

2

int

4

long

8

Також у Java є два дійсні типи — float і double:

float

4

double

8

Кожного разу, коли виконання програми доходить до оголошення змінної, для неї виділяють невелику ділянку памʼяті (розмір залежить від типу змінної).

Java-програмам заборонено безпосередньо звертатися до памʼяті. Уся робота з памʼяттю відбувається тільки через Java-машину.

3. Тип String у памʼяті

Тип String може зберігати великі обсяги даних, тож це не просто тип даних, а повноцінний обʼєкт.

Самі дані типу String (текст) зберігаються в спеціальному обʼєкті, під який виділяється памʼять, а вже адреса цього обʼєкта поміщається в змінну, під яку теж виділяється памʼять.

• Змінна a типу int займає 4 байти й зберігає значення 1.
• Змінна b типу int займає 4 байти й зберігає значення 10 555. Тут пробіл — це не десяткова кома, а розділення розрядів. Дробову частину в коді відокремлює крапка.
• Змінна d типу double займає 8 байт і зберігає значення 13.001.
• Змінна str типу String зберігає значення D12 — адресу першої комірки обʼєкта, що містить текст.

Обʼєкт типу String (що містить текст) зберігається окремим блоком памʼяті. Адреса його першої комірки зберігається в змінній str.

4. Що відбувається, коли ми присвоюємо

Ще один важливий момент — як працює присвоювання. Наприклад:

int a = 10;
int b = a;
b = 20;
System.out.println(a); // 10

У цьому прикладі в памʼяті створюються дві комірки: одна для a, одна для b. Коли ми пишемо b = a;, копіюється значення (10), а не сама «скринька». Зміни в b жодним чином не впливають на a.

Тепер аналогічно, але з рядками:

String s1 = "Привіт";
String s2 = s1;
s2 = s2 + " Світ";
System.out.println(s1); // "Привіт"
System.out.println(s2); // "Привіт Світ"

Тут обидві змінні s1 і s2 вказують на один і той самий рядок "Привіт" до моменту зміни. Але коли ми виконуємо s2 = s2 + " Світ";, для s2 створюється новий рядок "Привіт Світ", а s1 і надалі вказує на старий рядок "Привіт".

5. Чому в програмуванні усе нумерують з нуля

Люди дуже часто дивуються, чому в програмуванні майже всюди прийнято рахувати з нуля. Річ у тім, що є багато ситуацій, коли рахувати з нуля зручніше (хоча є й ситуації, коли зручніше рахувати з 1).

Спробуймо провести аналогію. Ось ви стоїте в довгій черзі в магазині. І тут касир каже, що всі покупці, починаючи з 20-го, хай ідуть на другу касу. Які в них будуть номери? 20, 21, 22, 23, … Логічно. А відносно 20-го? 0, 1, 2, 3, …

Коли ми задаємо групу як «номер першого елемента» + «кількість», то всередині групи відносні номери виходять +0, +1, +2, …

У програмуванні те саме. Якщо вашій змінній виділили 100 байт памʼяті й у вас є X — адреса першого байта, то якими будуть адреси всіх байтів? X+0, X+1, X+2, …, X+99. Ось ми вже й отримали групу байтів з індексами 0, 1, 2, 99.

Коли ми думаємо про відносну адресу всередині якогось блоку даних, завжди отримуємо нумерацію з нуля. Це і є перша й найпоширеніша причина рахунку з нуля.