Адресація памʼяті та змінні

1. Будова памʼяті

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

Кожна програма (зокрема й програми, написані на Kotlin) перед виконанням завантажується в оперативну памʼять. В оперативній памʼяті є код програми (його виконує процесор) і дані програми (їх у памʼять записує сама програма).

То що ж таке оперативна памʼять і на що вона схожа?

Уявіть собі Excel. Аркуш Excel складається з комірок, і кожна комірка має унікальний номер (A1, A2, … B1, B2). Знаючи номер комірки, ви завжди можете записати в неї якесь значення або отримати те, що там зберігається. Памʼять компʼютера влаштована схожим чином.

Під час роботи програма та її дані зберігаються в памʼяті. Уся памʼять компʼютера подана у вигляді маленьких комірок — байтів. Кожна комірка має унікальний номер — 0, 1, 2, 3, … (нумерація починається з нуля). Знаючи номер комірки, ми можемо зберегти в ній якісь дані або прочитати їх. 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 програми, завантаженої в памʼять. Майже всі команди процесора — це щось на кшталт: взяти дані з певних 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, для неї виділяється шматочок іще не використаної памʼяті. Зазвичай це кілька байтів. Під час оголошення змінної обовʼязково потрібно вказати тип інформації, яку програма зберігатиме в ній: числа, текст або інші дані. Без знання типу незрозуміло, якого розміру блок памʼяті потрібно виділити під змінну.

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

2. Змінні в памʼяті

У Kotlin є чотири основні типи даних для зберігання цілих чисел. Це Byte, Short, Int і Long.

Byte

1

Short

2

Int

4

Long

8

Також у Kotlin є два дійсні типи — Float і Double:

Float

4

Double

8

Щоразу, коли виконання програми доходить до команди створення змінної, для неї виділяється невелика ділянка памʼяті (її розмір залежить від типу змінної).

Kotlin-програмам заборонено безпосередньо звертатися до памʼяті. Уся робота з памʼяттю відбувається лише через віртуальну машину (JVM).

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) поміщаються в спеціальний обʼєкт, під який виділяється памʼять. А вже адресу цього обʼєкта записують у 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. У звичайних текстах числа іноді записують як 10 555, де пробіл — це не дробова частина, а розділювач розрядів. У коді Kotlin для розділення розрядів можна використовувати символ _. Дробову частину відокремлюють крапкою.
• Змінна d типу Double займає 8 байтів і зберігає значення 13.001.
• Змінна str типу String зберігає значення D12 — адресу першої комірки обʼєкта, що містить текст.

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

4. Що відбувається, коли ми присвоюємо

Ще одна важлива річ — як працює присвоювання. Наприклад:

fun main() {
    val a = 10
    var b = a
    b = 20
    println(a) // 10
}

У цьому прикладі в памʼяті створюються дві комірки: одна для a, друга — для b. Коли ми пишемо b = a, копіюється значення (10), а не сам «ящик». Зміни в b ніяк не впливають на a.

Тепер аналогічно, але з рядками:

fun main() {
    val s1 = "Hello"
    var s2 = s1
    s2 = s2 + " World"
    println(s1) // "Hello"
    println(s2) // "Hello World"
}

Тут обидві змінні s1 і s2 посилаються на один і той самий рядок "Hello" — до моменту зміни. Але коли ми виконуємо s2 = s2 + " World", для s2 створюється новий рядок "Hello World", а s1, як і раніше, вказує на старий рядок "Hello".

5. Чому в програмуванні все нумерують із 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 трапляються й такі, де зручніше рахувати з 1).

Спробую підібрати аналогію. Уявіть, що ви стоїте в довгій черзі в магазині. І тут касир каже: усі покупці, починаючи з 20-го, нехай переходять на другу касу. Які будуть у них номери? 20, 21, 22, 23, … Логічно. А якщо відраховувати від 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 байтів памʼяті й у вас є X — адреса першого байта, то які будуть адреси в усіх байтів? X+0, X+1, X+2, …, X+99. Ось ми й отримали групу байтів з індексами 0, 1, 2, 99.

Коли ми думаємо про відносну адресу всередині будь-якого блока даних, ми майже завжди отримуємо нумерацію з нуля. Це й є перша та найпоширеніша причина рахунку з нуля.