Адресация памяти и переменные

1. Устройство памяти

У каждого компьютера есть оперативная память. Что же это такое, какими свойствами обладает и, самое главное, какая нам от этого польза?

Каждая программа (в том числе и программы, написанные на Java) перед выполнением загружается в оперативную память. В оперативной памяти находится код программы (который исполняется процессором) и данные программы (которые в память помещает сама программа).

Что же такое оперативная память и на что она похожа?

Представьте себе Excel 😎 Страница в Exсel'е состоит из ячеек, и у каждой ячейки есть её уникальный номер (A1, A2, ... B1, B2). Зная номер ячейки, всегда можно записать в неё какое-то значение или же получить значение, которое там хранится. Память компьютера устроена очень похоже.

Программа и её данные во время работы хранятся в памяти. Вся память компьютера представлена в виде маленьких ячеек – байт. У каждой ячейки есть её уникальный номер – 0, 1, 2, 3, ...; (нумерация начинается с нуля). Зная номер ячейки, мы можем сохранить в эту ячейку какие-то данные. Или взять их из неё. В одних ячейках хранится код программы – набор команд для процессора, в других – данные этой программы. Номер ячейки также называют адресом ячейки.

Процессор умеет исполнять команды из загруженной в память программы. Почти все команды процессора — это что-то типа: взять данные из некоторых ячеек → сделать с ними что-то → результат поместить в другие ячейки

Объединяя сотни простых команд, мы получаем сложные и полезные команды.

Когда в коде программы объявляется переменная, ей выделяется кусочек ещё не использованной памяти. Обычно это несколько байт. При объявлении переменной обязательно нужно указать тип информации, которую программа будет хранить в ней: числа, текст, или другие данные. Ведь не зная тип информации, не ясно, какого размера блок памяти нужно выделить под переменную.

На заре компьютерной отрасли программы работали просто с номерами ячеек памяти, но потом для удобства программистов ячейкам стали давать имена. Уникальное имя переменной — это в первую очередь для удобства программистов: программа во время работы отлично справилась бы и с номерами.

2. Переменные в памяти

Всего в Java есть 4 типа данных для хранения целых чисел. Это byte, short, int и long.

Также в Java есть 2 вещественных типа — float и double:

Каждый раз, когда выполнение программы доходит до команды создания переменной, ей выделяется небольшая область памяти (размер зависит от типа переменной).

Java-программам запрещено напрямую обращаться к памяти. Вся работа с памятью происходит только через Java-машину.

3. Тип String в памяти

Тип String может хранить большие объемы данных, поэтому это не просто тип данных, а полноценный класс.

Сами данные типа String (текст) помещаются в специальный объект, под который выделяется память, а уже адрес этого объекта помещается в переменную, под которую тоже выделяется память.

Переменная a типа int занимает 4 байта и хранит значение 1.

Переменная b типа int занимает 4 байта и хранит значение 10,555. Запятая - это не дробная часть числа, а разделение разрядов. Дробная часть отделяется точкой

Переменная d типа double занимает 8 байт и хранит значение 13.001.

Переменная str типа String занимает 4 байта и хранит значение G13 — адрес первой ячейки объекта, содержащего текст.

Объект типа String (содержащий текст) хранится отдельным блоком памяти. Адрес его первой ячейки хранится в переменной str.

4. Почему в программировании всё нумеруют с нуля

Люди очень часто удивляются, почему в программировании почти везде принято считать с нуля. Дело в том, что есть очень много ситуаций, когда считать с нуля удобнее (хотя есть и ситуации, когда удобнее считать с 1).

Самая простая из таких ситуаций — это адресация памяти. Если вашей переменной выделили 4 байта памяти и у вас есть X – адрес первого байта, то какие будут адреса у всех байтов? X+0, X+1, X+2, X+3. Вот мы уже и получили группу байтов с индексами 0, 1, 2, 3.

Когда мы думаем об относительном адресе внутри какого-либо блока данных, всегда получаем нумерацию с нуля. Это и есть первая и самая распространенная причина счета с нуля.