Оперативна пам'ять та представлення даних

8.1 Оперативна пам'ять

Оперативна пам'ять (RAM, ОЗП) комп'ютера представляє собою масив комірок пам'яті, кожна з яких має унікальну адресу. Ці комірки можуть зберігати дані різних типів, такі як числа, символи та вказівники. Коли програма виконується, вона розміщує свої дані та інструкції в цій пам'яті для швидкого доступу.

Приклад комірок пам'яті:

У кожної комірки є її порядковий номер, його ще називають адресою комірки в пам'яті або просто адресою. Якщо у вашого комп'ютера 8 ГБ пам'яті, то у нього 8 мільярдів таких комірок, в яких можна зберігати щось корисне.

Біти і байти

Кожна комірка може зберігати один байт інформації. Кожен байт складається з 8 бітів, а кожен біт може містити тільки 0 або 1. Приклад (для цілих додатніх чисел):

Чим більше байт займає змінна, тим більше значень в ній можна зберігати. Приклад:

• 1 байт — 256 унікальних значень
• 2 байти — 65 тис. унікальних значень
• 3 байти — 16 мільйонів
• 4 байти — 4 мільярди

8.2 Як дані представляються в пам'яті

Типи даних і їх представлення

Числові дані всередині процесора і в пам'яті

• Цілі числа: зберігаються в двійковій формі. Розмір може варіюватися (1 байт, 2 байти, 4 байти).
• Речові числа: зберігаються у форматі з плаваючою комою (наприклад, формат IEEE 754 для 4-байтних і 8-байтних чисел).

x = 42  # Ціле число
y = 3.14  # Речове число

Важливо! В Python вбудовані типи int і float — це повноцінні класи, які можуть реалізувати складні обчислення з числами нескінченної довжини. Проте, якщо ти будеш використовувати бібліотеки для наукових обчислень або ІІ, то зіткнешся саме з тим форматом даних, про який я розповів вище.

Символьні дані в пам'яті комп'ютера

Символи і рядки зберігаються в пам'яті у вигляді послідовностей байтів. Наприклад, в кодуванні ASCII кожен символ займає 1 байт, в кодуванні UTF-8 може займати від 1 до 4 байтів.

В Python 3.x за замовчуванням для рядків використовується кодування UTF-8, але ти можеш читати файли, де текст зберігається в інших форматах, або пересилати дані мережею не в кодуванні UTF-8.

Приклад:

char = 'A'  # Символ
string = "Hello, world!"  # Рядок

Окремі символи в Python не мають свого типу — для них також використовується тип str. Проте в пам'яті ці рядки зберігаються посимвольно. Один символ зазвичай займає 1—4 байти.

Вказівники

Вказівники зберігають адреси інших комірок пам'яті. Вони дозволяють програмам працювати з динамічними структурами даних і ефективніше управляти пам'яттю.

Приклад:

list = [1, 2, 3, 4]  # Список
list_pointer = id(list)  # Вказівник на початок списку

8.3 Приклади представлення даних в оперативній пам'яті

1. Представлення цілих чисел

Цілі числа зберігаються в пам'яті у вигляді двійкових чисел (бітів). Залежно від типу даних вони можуть займати різну кількість байтів. Наприклад, int зазвичай займає 4 байти (32 біти).

Ось так в пам'яті буде представлено число 42:

2. Представлення речових чисел (з плаваючою комою)

Речові числа (наприклад, тип float) зберігаються в пам'яті у форматі з плаваючою комою, зазвичай по стандарту IEEE 754. float зазвичай займає 4 байти (32 біти), а double — 8 байтів (64 біти).

Важливо! Це стандартні типи даних, прив'язаних до пам'яті і процесора. Тип float в Python відповідає загальновживаному типу double і займає 8 байт.

Ось так в пам'яті буде представлено число 3.14:

3. Представлення символів і рядків

Символи (наприклад, тип char) зберігаються в пам'яті у вигляді послідовності байтів. Рядки представляють собою масив символів. В мовах C/C++ рядки закінчуються нульовим байтом (\0), але в Python це не так.

Ось так в пам'яті буде представлено рядок Hello:

Що в свою чергу буде представлено у вигляді 0 і 1:

8.4 Адресація динамічної пам'яті

Динамічна пам'ять виділяється і звільняється під час виконання програми, по мірі необхідності. Всі об'єкти, які ти створюєш в Python, створюються в цій пам'яті.

Вона поділяється на 2 типи:

Куча (Heap): Область пам'яті, з якої виділяються динамічні об'єкти. Управління цією пам'яттю здійснюється через функції виділення (наприклад, malloc в C) і звільнення (наприклад, free в C).

Стек (Stack): Область пам'яті, що використовується для зберігання локальних змінних і даних виклику функцій. Пам'ять автоматично виділяється і звільняється при вході і виході з функції.

Знову ж таки, я не можу привести приклад на мові Python, оскільки він занадто високорівневий для таких дій. Можу знову дати приклад на мові С:

// Динамічне виділення пам'яті для масиву з 10 цілих чисел
int *dynamic_var = (int *)malloc(sizeof(int) * 10); 

// Звільнення пам'яті
free(dynamic_var);  

Адресація пам'яті — це процес визначення унікальної адреси для кожної комірки пам'яті. Кожна адреса вказує на конкретне місцезнаходження в пам'яті, яке може містити дані або інструкції.

Типи адресації

Фізична адресація: прямий доступ до фізичних адрес комірок пам'яті. Управляється апаратним забезпеченням (наприклад, контролером пам'яті).

Віртуальна адресація: використовує механізм управління пам'яттю, такий як сторінкова пам'ять або сегментна пам'ять, щоб надати процесам ізольований і захищений простір адрес.