記憶體位址與變數

1. 記憶體的結構

每一台電腦都有隨機存取記憶體（RAM）。那麼，它是什麼、有什麼特性，最重要的是，對我們有什麼用呢？

每個程式（包括用 Java 撰寫的程式）在執行前都會被載入到隨機存取記憶體中。RAM 中同時存放程式碼（由處理器執行）以及程式的資料（由程式自己放入記憶體）。

那麼，RAM 到底是什麼，又像什麼呢？

想像一下 Excel 😎 Excel 的工作表由儲存格組成，而每個儲存格都有其唯一編號（A1、A2、… B1、B2）。只要知道儲存格的編號，就可以往裡面寫入某個值，或讀取其中儲存的值。電腦記憶體的運作方式與此相似。

程式及其資料在執行時儲存在記憶體中。整個電腦記憶體由許多小格子（位元組，byte）組成。每個格子都有唯一的編號——0、1、2、3、…（編號從 0 開始）。知道格子的編號，我們就可以把資料存入該格，或從中取出。在一些格子裡存著程式碼——也就是處理器的指令集，在另一些格子裡則存著該程式的資料。格子的編號也稱為格子的位址。

處理器能夠執行載入記憶體中的程式指令。幾乎所有處理器指令都是這種形式：從若干格子取出資料 → 對它們進行某些運算 → 將結果放入其他格子。

把數百個簡單指令組合起來，我們就能得到複雜且有用的操作。

當在程式碼中宣告變數時，系統會為它配置一塊尚未使用的記憶體。通常是幾個位元組。宣告變數時一定要指定它要儲存的資料型別：數字、文字或其他資料。因為如果不知道資料型別，就無法判斷需要為該變數配置多大的記憶體區塊。

在電腦產業的早期，程式直接與記憶體格子的編號打交道，但後來為了讓程式設計更方便，這些格子就被賦予了名稱。變數的唯一名稱主要是為了讓程式設計師方便；實際上，程式在執行時僅用編號也完全沒問題。

2. 記憶體中的變數

在 Java 中有 4 種主要的整數型別：byte、short、int 和 long。

byte

1

short

2

int

4

long

8

另外在 Java 中還有 2 種浮點數型別——float 與 double：

float

4

double

8

每當程式執行到建立變數的指令時，系統都會為它配置一小塊記憶體（大小取決於變數型別）。

Java 程式不允許直接存取記憶體。所有與記憶體的互動都只能透過 JVM 完成。

3. 型別 String 在記憶體中的樣子

String 型別可以儲存大量資料，因此它不只是資料型別，而是完整的物件。

String 型別的實際資料（文字）會被放入一個特殊的物件中，會為該物件配置記憶體；而這個物件的位址則會被放入變數中，變數本身也會分配記憶體。

• a 變數的型別為 int，佔用 4 位元組，並儲存值 1。
• b 變數的型別為 int，佔用 4 位元組，並儲存值 10,555。逗號不是小數點，而是千分位分隔符；小數部分用句點分隔。
• d 變數的型別為 double，佔用 8 位元組，並儲存值 13.001。
• str 變數的型別為 String，其值是 D12——指向包含文字之物件的第一個格子的位址。

物件（內含文字）的 String 以獨立的記憶體區塊儲存。其第一個格子的位址存放在變數 str 中。

4. 指派（賦值）時會發生什麼

另一個重要的概念——指派是如何運作的。例如：

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

在這個例子中，記憶體中會建立兩個格子：一個給 a，一個給 b。當我們寫下 b = a; 時，被複製的是值（10），而不是那個「盒子」本身。對 b 的更動不會影響 a。

現在來看字串的類似情況：

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

在變更前，s1 與 s2 兩個變數都指向同一個字串 "Hello"。但當我們執行 s2 = s2 + " World"; 時，會為 s2 建立一個新的字串 "Hello World"，而 s1 仍然指向原本的 "Hello"。

5. 為什麼在程式設計中幾乎都從 0 開始編號

人們常常好奇，為什麼在程式設計中幾乎處處都從 0 開始計數。其實在許多情況下，從 0 開始更方便（當然也有從 1 開始更方便的情況）。

試著用一個比喻。你正在商店的長隊中，收銀員說：從第 20 位開始的顧客請到第二個櫃台。那他們的編號會是多少？20、21、22、23、… 很合理。那相對於第 20 位呢？0、1、2、3、…

當我們用「第一個元素的編號」加上「數量」來界定一組範圍時，組內的相對編號自然就是 +0、+1、+2、…

在程式設計中也是如此。如果系統為你的變數分配了 100 個位元組，且你有 X——第一個位元組的位址，那麼所有位元組的位址會是什麼？X+0、X+1、X+2、…、X+99。這樣我們就得到了一組索引為 0、1、2、…、99 的位元組。

當我們思考某個資料區塊內的相對位址時，編號自然就會從 0 開始。這就是從 0 開始計數的第一個、也是最常見的原因。