Адресація пам'яті та змінні

1. Будова пам'яті

У кожного комп'ютера є оперативна пам'ять. Що ж це таке, які має властивості та, найголовніше, яка нам із цього користь?

Кожна програма (включно з програмами, написаними мовою Java) перед виконанням завантажується в оперативну пам'ять. В оперативній пам'яті містяться код програми (який виконується процесором) і дані програми (які в пам'ять поміщає сама програма).

Що ж таке оперативна пам'ять і на що вона схожа?

Уявіть собі Excel 😎 Сторінка в Exсel складається з клітинок (комірок), і кожна комірка має свій унікальний номер (A1, A2, ... B1, B2). Якщо знати номер комірки, завжди можна записати в неї якесь значення або ж отримати значення, що там зберігається. Пам'ять комп'ютера побудована за схожим принципом.

Під час роботи програма та її дані зберігаються в пам'яті. Уся пам'ять комп'ютера складається з маленьких комірок — байтів. Кожна комірка має свій унікальний номер — 0, 1, 2, 3, ...; (нумерація починається з нуля). Знаючи номер комірки, ми зможемо зберегти в ній певні дані. Або взяти їх із цієї комірки. 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 пам'ять програми. Майже всі команди процесора — це щось на кшталт узяти з деяких комірок дані → щось із ними зробити → результат помістити в інші комірки.

Поєднуючи сотні простих команд, ми отримуємо складні та корисні команди.

Коли в коді програми відбувається оголошення змінної, їй виділяється шматочок іще не використаної пам'яті. Зазвичай це кілька байтів. Під час оголошення змінної обов'язково треба вказати тип інформації, яку програма буде зберігати в ній: числа, текст або інші дані. Адже якщо тип інформації невідомий, то незрозуміло, якого розміру блок пам'яті потрібно виділити для змінної.

На світанку комп'ютерної ери програми працювали просто з номерами комірок пам'яті, але потім для зручності коміркам почали надавати імена. Унікальне ім'я змінної створюється насамперед для полегшення життя програмістів: програма під час роботи чудово впоралася б і з номерами.

2. Змінні в пам'яті

Загалом у Java є 4 типи даних для зберігання цілих чисел. Це byte, short, int і long.

Також у Java є 2 дійсні типи — float і double:

Щоразу, коли виконання програми доходить до команди створення змінної, цій змінній виділяється невелика область пам'яті (розмір області залежить від типу змінної).

Java-програмам заборонено звертатися безпосередньо до пам'яті. Уся робота з пам'яттю відбувається лише через Java-машину.

3. Тип String у пам'яті

Тип String може зберігати великі обсяги даних, тому це не просто тип даних, а повноцінний клас.

Дані типу String (текст) поміщаються в спеціальний об'єкт, для якого виділяється пам'ять, а вже адреса цього об'єкта поміщається в змінну, для якої теж виділяється пам'ять.

Змінна a типу int займає 4 байти і зберігає значення 1.

Змінна b типу int займає 4 байти і зберігає значення 10,555. Кома тут не відокремлює дробову частину числа, а розділяє групи розрядів. Дробову частину відокремлюють крапкою.

Змінна d типу double займає 8 байтів та зберігає значення 13.001.

Змінна str типу String займає 4 байти і зберігає значення G13 — адресу першої комірки об'єкта, який містить текст.

Об'єкт типу String (який містить текст) зберігається в окремому блоці пам'яті. Адреса його першої комірки зберігається в змінній str.

4. Чому в програмуванні все нумерують починаючи з нуля

Люди часто дивуються, чому в програмуванні майже скрізь починають відлік з нуля. Річ у тім, що є дуже багато ситуацій, коли рахувати починаючи з нуля зручніше (хоча трапляються й такі ситуації, коли зручніше рахувати починаючи з 1).

Найпростіша з таких ситуацій — це адресація пам'яті. Якщо вашій змінній виділили 4 байти пам'яті й ви знаєте, що X — адреса першого байта, то яку адресу буде мати кожен із цих байтів? X+0, X+1, X+2, X+3. Ось ми вже й отримали групу байтів із індексами 0, 1, 2, 3 (тобто для визначення адрес усіх байтів знадобилася група чисел саме від 0 до 3).

Коли ми думаємо про відносну адресу всередині будь-якого блоку даних, завжди отримуємо нумерацію з нуля. Це і є перша й найпоширеніша причина починати відлік з нуля.