To jest jeden z artykułów w ramach darmowego kursu programowania w Javie. Proszę zapoznaj się z pozostałymi częściami, mogą one być pomocne w zrozumieniu materiału z tego artykułu.

Sterta i stos w wirtualnej maszynie Java

Z poprzednich artykułów wiesz, że maszyna wirtualna Javy zarządza za Ciebie pamięcią. Oznacza to tyle, że miejsce na obiekty, które tworzysz jest rezerwowane (i zwalniane jeśli obiekt nie jest już wykorzystywany) w tej pamięci. Pamięć ta nazywana jest stertą (ang. heap space).

Maszyna wirtualna Javy startuje zapewniając sobie miejsce na stertę w pamięci RAM (ang. Random Access Memory). Mówimy, ze alokuje tę pamięć. Na przykład jeśli Twój komputer ma 4GB pamięci RAM maszyna wirtualna podczas startu może przydzielić sobie 512MB. Obszar ten potencjalnie może się powiększyć w zależności od ustawień maszyny wirtualnej i dostępnej pamięci.

Tutaj drobna dygresja na temat dysku i pamięci operacyjnej. W czasach dysków HDD (ang. Hard Disk Drive) czas dostępu do pamięci RAM był znacząco krótszy. Obecnie przy dyskach SSD (ang. Solid State Drive) różnica nadal istnieje jednak nie jest tak duża.

Dzięki temu krótkiemu czasowi dostępu do pamięci RAM programy mogły być bardziej wydajne – działać “szybciej”. Załóżmy że przeczytanie 1MB z pamięci ram zajmuje 1 sekundę (w rzeczywistości jest to około 250 nanosekundy więc cztery miliony razy krócej!), w takiej skali przeczytanie 1MB z dysku HDD zajmuje 1 minutę i 20 sekund, a przesłanie pakietu (paczki danych mniejszej niż 1MB) przez internet z Kalifornii do Holandii i z powrotem aż 10 minut!

Pobierz opracowania zadań z rozmów kwalifikacyjnych

Przygotowałem rozwiązania kilku zadań algorytmicznych z rozmów kwalifikacyjnych. Rozkładam je na czynniki pierwsze i pokazuję różne sposoby ich rozwiązania. Dołącz do grupy ponad 6147 Samouków, którzy jako pierwsi dowiadują się o nowych treściach na blogu, a prześlę je na Twój e-mail.

Czym różni się obiekt od referencji i zmiennej?

Każdy obiekt w Javie zajmuje jakiś obszar na wspomnianej stercie. Zmienne, które wskazują na obiekty na stercie zawierają referencje. Referencje możemy przedstawić jako „sznurki” łączące zmienną z właściwym obiektem na stercie (obszarem pamięci na stercie gdzie znajduje się obiekt). Referencji (sznurków) do obiektu może być wiele. Proszę spójrz na przykład:

public class ObjectVersusReference {
    public static void main(String[] args) {
        Object referenceToObjectX = new Object();
        Object anotherReferenceToObjectX = referenceToObjectX;
        Object refferenceToObjectY = new Object();

        System.out.println(referenceToObjectX.toString());
        System.out.println(anotherReferenceToObjectX.toString());
        System.out.println(refferenceToObjectY.toString());
    }
}

W pierszej linijce metody main tworzona jest nowa zmienna typu Object o nazwie referenceToObjectX. W kolejnej linijce tworzona jest kolejna zmienna, która jest kopią isteniejącej już zmiennej. Trzecia linijka to wywołanie konstruktora, czyli utworzenie nowego obiektu i przypisanie go do zmiennej referenceToObjectY. Innymi słowy zmienne referenceToObjectX oraz anotherReferenceToObjectX zawierają tę samą referencję do tego samego obiektu na stercie.

Poniżej pokazałem to co zostanie wypisane na konsoli po uruchomieniu powyższego przykładu

java.lang.Object@7f31245a
java.lang.Object@7f31245a
java.lang.Object@6d6f6e28

java.lang.Object@7f31245a to nic innego jak wynik domyślnej implementacji metody toString znajdującej się w klasie Object. Metoda ta zwraca nazwę klasy wraz z pakietem oraz adres obiektu na stercie. 7f31245a to adres obiektu (oczywiście w Twoim przypadku te numery mogą być różne – Java może przydzielić tym obiektom inny adres przy każdym uruchomieniu)1.

Zauważyłeś, że dwie pierwsze linijki są takie same? To nic innego jak konsekwencja tego, że referencje są “sznurkami” wskazującymi na obiekty. Mamy dwie różne zmienne, które wskazują na ten sam adres na stercie. Jaka jest tego konsekwencja? Jeśli zmienimy zawartość obiektu pod tym adresem obie referencje będą pokazywały, nową, zmienioną wersję obiektu. Rzuć okiem na przykład.

public class ObjectFieldsChanging {
    private int attribute;
 
    public ObjectFieldsChanging(int attribute) {
        this.attribute = attribute;
    }
 
    public int getAttribute() {
        return attribute;
    }
 
    public void setAttribute(int attribute) {
        this.attribute = attribute;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        ObjectFieldsChanging reference1 = new ObjectFieldsChanging(123);
        ObjectFieldsChanging reference2 = reference1;
 
        System.out.println(reference1.getAttribute());
        System.out.println(reference2.getAttribute());
 
        reference1.setAttribute(1);
 
        System.out.println(reference1.getAttribute());
        System.out.println(reference2.getAttribute());
    }
}

Zmieniliśmy obiekt tylko pod jedną ze zmiennych, ale w związku z tym, że obie pokazują na ten sam adres na stercie zmiana dotyczyła obu.

Przypisanie nowej instancji obiektu do istniejącej zmiennej oczywiście “przepina sznurek” do innego miejsca na stercie (zmienna jest referencją do nowego obiektu, innego miejsca w pamięci).

ObjectFieldsChanging reference1 = new ObjectFieldsChanging(123);
ObjectFieldsChanging reference2 = reference1;
reference2 = new ObjectFieldsChanging(3);

Kolejna dygresja, jeśli po powyższych wyjaśnieniach masz mętlik w głowie pomiń ten akapit przy pierwszym czytaniu. Obiekty trzymane są na stercie, zmienne trzymane są na stosie (ang. stack) :). “Niestety” nie wszystkie zmienne wskazują na obiekty na stercie. Jeśli utworzysz zmienną lokalną (nie będącą atrybutem klasy) typu prostego (np. int czy double) wylądują one bezpośrednio na stosie. Referencja to nic innego jak numer, adres w pamięci. W przypadku zmiennych przechowywanych na stosie ten adres zostaje zastąpiony właściwą wartością zmiennej (np. liczbą 123).

Różnica między "string" a new String("string")

Wiesz już, że obiekty zajmują obszar na stercie. Java stara się być trochę mądrzejsza i ograniczać ilość zajętego miejsca. Jedną z takich optymalizacji jest zachowanie w przypadku literałów reprezentujących typ String.

String x1 = new String("x");
String x2 = new String("x");
String x3 = "x";
String x4 = "x";

Dwie pierwsze linijki to dwie zmienne, dwie referencje i dwa różne obiekty (które mają w taką samą zawartość). Dwie ostatnie linijki to dwie zmienne, dwie referencje i jeden obiekt. Obie referencje pokazują na obiekt utworzony w 3 linijce. Innymi słowy konstruktor tworzy kopię przekazanego literału. Literał może czasami ograniczyć ilość zużytego miejsca na stercie.

Garbage Collector w wirtualenej maszynie Javy

Zbieracz śmieci :) Gargage collector, inaczej GC, jest komponentem wirtualnej maszyny Javy odpowiedzialnym za czyszczenie sterty2. Jeśli na stercie znajdą się obiekty, które już nie są używane zostają one usunięte aby zwolnić miejsce dla nowych obiektów.

Gdyby nie było tego mechanizmu pamięć nie byłaby zwalniana i po pewnym czasie program nie mógłby działać, nie miałby miejsca na alokację pamięci dla nowo tworzonych obiektów. GC używa różnych zaawansowanych algorytmów, które pozwalają zdecydować czy dany obiekt jest aktualnie wykorzystywany przez działający program.

GC działa w tle, w większości przypadków nawet nie będziesz wiedział kiedy. Wirtualna maszyna sama decyduje kiedy powinna go uruchomić. Istnieją sposoby aby zasugerować uruchomienie GC ale w rzeczywistości nie masz na to wpływu.

GC jest dość skomplikowanym mechanizmem, którego na tym etapie nie musisz w 100% rozumieć. Powinieneś wiedzieć o tym, że jest i odwala za Ciebie mnóstwo pracy :)

GC nie jest rozwiązaniem wszystkich problemów. Dalej możesz napisać program, który zajmie całą dostępną stertę i maszyna wirtualna nie będzie miała możliwości tworzenia nowych obiektów. W takiej sytuacji Twój program zostanie zamknięty, rzucony zostanie wyjątek java.lang.OutOfMemoryError.

null i NullPointerException

Oj, ten wyjątek zobaczysz wiele razy w trakcie swojej kariery :) Zanim jednak przejdziemy do wyjątku przeczytaj o magicznym null.

Będzie to trochę abstrakcyjne ale właśnie tak jest zdefiniowane w specyfikacji języka Java. Null jest typem, który nie ma nazwy. W związku z tym, że nie ma nazwy nie ma możliwości utworzyć zmiennej typu null. Wyrażenie null zwraca referencję do null.

Object object = new Object(); // ok
null something = new null(); // compilation error

W praktyce jednak można zapomnieć o typie null i uznać to jako specjalny literał, który możemy przypisać do zmiennej każdego innego typu (który nie jest typem prostym). Możemy też założyć, że to jest “pusta” wartość zmiennej przechowującej referencję do obiektu.

A co się stanie jeśli wywołamy metodę na referencji wskazującej na null? Zostanie rzucony wyjątek java.lang.NullPointerException. Innymi słowy za każdym razem kiedy zobaczysz NullPointerException (a zobaczysz go nie raz) oznacza to, że zmienna ma wartość null.

Dodatkowe materiały do nauki

Zadanie

Zadanie będzie nietypowe :) Spróbuj napisać program, który spowoduje przepełnienie sterty i skończy się wyjątkiem java.lang.OutOfMemoryError. Od razu powiem, że dla początkującego programisty nie jest to zadanie proste więc należy Ci się podpowiedź. Jak myślisz jak duża tablica z liczbami typu Long zmieści się w pamięci? Czy jeden wymiar tablicy zapełni pamięć? :)

Podsumowanie

Bardzo się cieszę, że dotrwałeś do końca :) Mam nadzieję, że artykuł przypadł Ci do gustu. Na koniec mam do Ciebie prośbę – polub nasz profil na Facebook’u i podziel się artykułem ze znajomymi. Dzięki temu dotrę do większej grupy czytelników a właśnie na tym mi zależy.

Jeśli masz jakiekolwiek pytania proszę zadaj je w komentarzach, postaram się pomóc :)

Miłego dnia i do następnego razu!

  1. Właściwie to zależy od implementacji maszyny wirtualnej Javy, nie mamy gwarancji, że ten numerek będzie adresem. ↩

  2. Nie tylko sterty, wirtualna maszyna Javy alokuje też pamięć w innych celach, na przykład tak zwany “metaspace”, który też jest czyszczony przez GC. ↩

Pobierz opracowania zadań z rozmów kwalifikacyjnych

Przygotowałem rozwiązania kilku zadań algorytmicznych z rozmów kwalifikacyjnych. Rozkładam je na czynniki pierwsze i pokazuję różne sposoby ich rozwiązania. Dołącz do grupy ponad 6147 Samouków, którzy jako pierwsi dowiadują się o nowych treściach na blogu, a prześlę je na Twój e-mail.

Kategorie:

Ostatnia aktualizacja:

Autor: Marcin Pietraszek

Nie popełnia błędów tylko ten, kto nic nie robi ;). Bardzo możliwe, że znajdziesz błąd, literówkę, coś co wymaga poprawy. Jeśli chcesz możesz samodzielnie poprawić tę stronę. Jeśli nie chcesz poprawiać błędu, który udało Ci się znaleźć będę wdzięczny jeśli go zgłosisz. Z góry dziękuję!

Zostaw komentarz

Także może Ci się spodobać

Wątki w języku Java

10 minut(y)

Artykuł ten opisuje wątki w języku Java. Po jego lekturze dowiesz się czym jest wątek, jaki ma cykl życia i jak go uruchomić. Dowiesz się czym jest synchroni...

Typy generyczne w języku Java

11 minut(y)

Dzień dobry! Nadszedł czas na poznanie typów generycznych. Dowiesz się o “szablonach” w języku Java, które pozwalają na tworzenie bardziej uniwersalnych typó...

Wyrażenia regularne w języku Java

17 minut(y)

Artykuł ten poświęcony jest wyrażeniom regularnym. Dowiesz się w nim czym są wyrażenia regularne, jak i kiedy ich używać. Poznasz klasy biblioteki standardow...