Adresowanie pamięci i zmienne

1. Budowa pamięci

Każdy komputer ma pamięć operacyjną. Czym ona jest, jakie ma właściwości i, co najważniejsze, jaką mamy z niej korzyść?

Każdy program (w tym programy napisane w Java) przed wykonaniem jest ładowany do pamięci operacyjnej. W pamięci operacyjnej znajdują się kod programu (który wykonuje procesor) oraz dane programu (które do pamięci umieszcza sam program).

Czym właściwie jest pamięć operacyjna i do czego można ją porównać?

Wyobraź sobie Excela 😎 Arkusz w Excelu składa się z komórek, a każda komórka ma swój unikalny numer (A1, A2, ... B1, B2). Znając numer komórki, zawsze można wpisać do niej jakąś wartość albo odczytać wartość, która jest w niej przechowywana. Pamięć komputera jest zbudowana w podobny sposób.

Program i jego dane podczas działania są przechowywane w pamięci. Cała pamięć komputera jest przedstawiona jako małe komórki – bajty. Każda komórka ma swój unikalny numer – 0, 1, 2, 3, ... (numeracja zaczyna się od zera). Znając numer komórki, możemy zapisać do niej jakieś dane lub je z niej pobrać. W jednych komórkach przechowywany jest kod programu – zestaw instrukcji dla procesora, w innych – dane tego programu. Numer komórki nazywa się także adresem komórki.

Procesor potrafi wykonywać instrukcje z programu załadowanego do pamięci. Prawie wszystkie instrukcje procesora to coś w rodzaju: pobierz dane z pewnych komórek → zrób z nimi coś → wynik umieść w innych komórkach.

Łącząc setki prostych instrukcji, otrzymujemy złożone i użyteczne działania.

Gdy w kodzie programu deklaruje się zmienną, zostaje dla niej przydzielony fragment nieużywanej jeszcze pamięci. Zwykle to kilka bajtów. Przy deklarowaniu zmiennej koniecznie trzeba wskazać typ informacji, którą program będzie w niej przechowywał: liczby, tekst lub inne dane. Bez znajomości typu nie wiadomo bowiem, jak duży blok pamięci należy przydzielić dla zmiennej.

U zarania informatyki programy operowały po prostu numerami komórek pamięci, ale później dla wygody programistów komórkom zaczęto nadawać nazwy. Unikalna nazwa zmiennej jest przede wszystkim dla wygody programistów: program w trakcie działania poradziłby sobie i z samymi numerami.

2. Zmienne w pamięci

W Java są 4 podstawowe typy danych do przechowywania liczb całkowitych. To byte, short, int i long.

byte

1

short

2

int

4

long

8

W Java są także 2 typy zmiennoprzecinkowe — float i double:

float

4

double

8

Za każdym razem, gdy wykonanie programu dochodzi do instrukcji tworzenia zmiennej, przydzielany jest dla niej niewielki obszar pamięci (rozmiar zależy od typu zmiennej).

Programom w Java nie wolno bezpośrednio odwoływać się do pamięci. Cała praca z pamięcią odbywa się wyłącznie za pośrednictwem maszyny wirtualnej Java.

3. Typ String w pamięci

Typ String może przechowywać duże ilości danych, dlatego nie jest to po prostu typ danych, lecz pełnoprawny obiekt.

Same dane typu String (tekst) umieszcza się w specjalnym obiekcie, dla którego przydziela się pamięć, a adres tego obiektu umieszcza się w zmiennej, dla której również przydziela się pamięć.

• Zmienna a typu int zajmuje 4 bajty i przechowuje wartość 1.
• Zmienna b typu int zajmuje 4 bajty i przechowuje wartość 10,555. Przecinek – to nie część ułamkowa liczby, lecz separator rzędów. Część ułamkową oddziela się kropką.
• Zmienna d typu double zajmuje 8 bajtów i przechowuje wartość 13.001.
• Zmienna str typu String przechowuje wartość D12 – adres pierwszej komórki obiektu zawierającego tekst.

Obiekt typu String (zawierający tekst) jest przechowywany jako osobny blok pamięci. Adres jego pierwszej komórki jest przechowywany w zmiennej str.

4. Co się dzieje podczas przypisania

Jeszcze jedna ważna rzecz – jak działa przypisanie. Na przykład:

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

W tym przykładzie w pamięci tworzone są dwie komórki: jedna dla a, druga dla b. Gdy piszemy b = a;, kopiowana jest wartość (10), a nie sam „pudełko”. Zmiany w b w żaden sposób nie wpływają na a.

Teraz analogicznie, ale z łańcuchami:

String s1 = "Hello";
String s2 = s1;
s2 = s2 + " World";
System.out.println(s1); // "Hello"
System.out.println(s2); // "Hello World"

Tutaj obie zmienne s1 i s2 wskazują na ten sam łańcuch "Hello" do momentu modyfikacji. Jednak gdy wykonujemy s2 = s2 + " World";, dla s2 tworzony jest nowy łańcuch "Hello World", a s1 wciąż wskazuje na stary łańcuch "Hello".

5. Dlaczego w programowaniu liczy się od zera

Ludzie bardzo często się dziwią, dlaczego w programowaniu prawie wszędzie przyjęto liczenie od zera. Chodzi o to, że jest bardzo wiele sytuacji, gdy liczenie od zera jest wygodniejsze (choć są i takie, w których wygodniej jest liczyć od 1).

Spróbuję podać analogię. Stoisz w długiej kolejce w sklepie. I nagle kasjer mówi, że wszyscy klienci, zaczynając od 20., niech przejdą do drugiej kasy. Jakie będą ich numery? 20, 21, 22, 23, ... Logiczne. A względem dwudziestego? 0, 1, 2, 3, ...

Gdy definiujemy grupę jako „numer pierwszego elementu” + „liczebność”, to wewnątrz grupy numery względne wychodzą +0, +1, +2, ...

W programowaniu jest tak samo. Jeśli twojej zmiennej przydzielono 100 bajtów pamięci i masz adres X – adres pierwszego bajtu, to jakie będą adresy wszystkich bajtów? X+0, X+1, X+2, ..., X+99. Oto otrzymaliśmy grupę bajtów z indeksami 0, 1, 2, 99.

Gdy myślimy o adresie względnym wewnątrz jakiegoś bloku danych, zawsze otrzymujemy numerację od zera. To jest pierwszy i najczęstszy powód liczenia od zera.