内存寻址与变量

1. 内存的结构

每台计算机都有内存（RAM）。它究竟是什么、具有什么特性，更重要的是，这对我们有什么用？

每个程序（包括用 Java 编写的程序）在执行前都会被加载到内存中。内存中包含程序代码（由处理器执行）和程序数据（由程序自身写入内存）。

那么，内存到底是什么？它像什么？

想象一下 Excel 😎。Excel 的工作表由单元格组成，每个单元格都有其唯一编号（A1、A2、... B1、B2）。知道单元格编号，就可以向其中写入某个值，或读取其中存储的值。计算机内存的组织方式与此相似。

程序及其数据在运行时存放在内存中。整个计算机内存可以看作许多很小的单元——字节。每个单元都有唯一编号——0、1、2、3、...（编号从 0 开始）。知道单元编号，我们就能把数据写入该单元，或从中读取。在一些单元中存放的是程序代码——供处理器执行的指令集合；在另一些单元中存放的是程序数据。单元的编号也被称为单元地址。

处理器会执行加载到内存中的程序指令。几乎所有处理器指令都是类似这样的流程：从若干单元中取数据 → 对其进行处理 → 将结果放入其他单元。

通过组合数百条简单指令，我们可以得到复杂而有用的操作。

当在程序代码中声明变量时，会为它分配一段尚未使用的内存，通常是几个字节。声明变量时必须指定程序要在其中存储的数据类型：数字、文本或其他数据。因为如果不知道数据类型，就无法确定应为变量分配多大的内存块。

在计算机发展的早期，程序直接使用内存单元编号来工作；后来为了方便程序员，给这些单元起了名字。变量的唯一名称首先是为了程序员的便利：程序在运行时仅靠编号也完全可以工作。

2. 内存中的变量

在 Java 中有 4 种用于存储整数的基本数据类型：byte、short、int 和 long。

byte

1

short

2

int

4

long

8

此外，在 Java 中还有 2 种浮点类型——float 和 double：

float

4

double

8

每当程序执行到创建变量的语句时，都会为该变量分配一小块内存（大小取决于变量的类型）。

Java 程序不允许直接访问内存。所有与内存的交互只能通过Java 虚拟机进行。

3. 内存中的 String 类型

String 类型可以存储大量数据，因此它不只是一个数据类型，而是一个完整的对象。

String 类型的数据（文本）存放在一个专门的对象中，会为该对象分配内存；而该对象的地址会被存入变量中，变量本身也会分配内存。

• 变量 a 类型为 int，占用 4 字节，存储值 1。
• 变量 b 类型为 int，占用 4 字节，存储值 10,555。逗号不是小数点，而是千位分隔符。小数部分用点分隔。
• 变量 d 类型为 double，占用 8 字节，存储值 13.001。
• 变量 str 类型为 String，存储值 D12——包含文本的对象首单元的地址。

对象类型为 String（包含文本）时，会单独存放在一块内存中。其首地址存储在变量 str 中。

4. 赋值时会发生什么

另一件重要的事情——赋值是如何工作的。例如：

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

在这个例子中，内存中会创建两个单元：一个给 a，一个给 b。当我们写 b = a; 时，复制的是值（10），而不是“盒子”本身。对 b 的更改不会影响 a。

现在看一个关于字符串的类似情况：

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

在这里，s1 和 s2 两个变量在修改之前都指向同一个字符串 "Hello"。但当我们执行 s2 = s2 + " World"; 时，会为 s2 创建一个新的字符串 "Hello World"，而 s1 依然指向旧的字符串 "Hello"。

5. 为什么编程中几乎一切都从 0 开始编号

人们常常会好奇，为什么在编程里几乎处处都从 0 开始计数。原因在于，有许多场景从 0 开始更方便（当然也有从 1 开始更方便的情况）。

举个类比。你在商店里排着一条长队，这时收银员说：所有从第 20 位开始的顾客，请到第二个收银台。他们的号码会是多少？20、21、22、23、... 很合理。那么相对于第 20 位呢？0、1、2、3、...

当我们把一组元素表示为“第一个元素的编号” + “数量”时，组内的相对编号自然就是 +0、+1、+2、...

在编程中也是如此。如果为你的变量分配了100 字节内存，并且你有 X——第一个字节的地址，那么所有字节的地址是什么？X+0、X+1、X+2、...、X+99。于是我们得到一组字节，其索引为 0、1、2、99。

当我们从某个数据块的相对地址来思考时，编号总是从 0 开始。这就是从 0 开始计数的第一条、也是最普遍的原因。