Dynamiczna alokacja pamięci

Maszyna wirtualna Javy przy uruchomieniu programu rezerwuje miejsce w pamięci RAM, które jest przeznaczone dla różnych komponentów maszyny. Wyjaśnimy działanie jedynie dwóch głównych sektorów wirtualnej pamięci Java, czyli sterty i stosu wątków.

Stos w wirtualnej maszynie Java to sekcja pamięci, która zawiera metody, zmienne lokalne i zmienne referencyjne. Dostęp do zawartości stosu jest zawsze wykonywany w kolejności LIFO. Gdy wywoływana jest funkcja, na szczycie stosu rezerwowany jest blok zawierający zmienne lokalne i referencje. Kiedy funkcja zakończy działanie blok odpowiadający funkcji zostaje zdjęty ze stosu, a wszystkie zmienne niezbędne do działania funkcji zostają usunięte.

Sterta to pamięć zarezerwowana na potrzeby alokacji dynamicznej. W przeciwieństwie do stosu nie ma wzorca określającego kolejność przydziału i zwalniania bloków. Można przydzielić blok w dowolnym momencie i w dowolnym czasie go zwolnić. Sterta służy do przechowywania typów obiektowych.

Zmienne referencyjne przechowują informację, gdzie obiekt, do którego się odwołują, przechowywany jest na stercie.

Garbage collector jest komponentem wirtualnej maszyny Java, który odpowiada za czyszczenie sterty. Śledzi obiekty w stercie i sprawdza, ile referencji odwołuje się do każdego z nich. Jeśli komponent zauważy obiekt, do którego nie odwołuje się żadna referencja, zwalnia obiekt ze sterty.

Tablice dynamiczne

W języku Java klasyczne tablice mają stałą wielkość. Oznacza to, że po tym jak nadamy im określony rozmiar, nie można ich rozszerzać ani zmniejszać. Aby zmienić rozmiar, trzeba utworzyć nową tablicę i skopiować dotychczasowe elementy. Operacja taka jest wysoce nieefektywna i uciążliwa.

Na szczęście istnieje już zdefiniowana kolekcja, która dostosowuje swój rozmiar, kiedy tylko zajdzie taka potrzeba. Kolekcja ta nazywa się ArrayList (znana także jako lista tablicowa) i jest jedną z klas Java Collection Framework. Listy tablicowe są również nazywane tablicami dynamicznymi, ponieważ ich rozmiar może się zmieniać w trakcie działania programu.

By skorzystać z tejże kolekcji, zaimportujemy zarówno klasę java.util.ArrayList, jak i interfejs java.util.List. Obiekt tej kolekcji deklarujemy następująco:

// Importowanie klasy ArrayList z pakietu java.util
import java.util.ArrayList;
// Importowanie interfejsu List z pakietu java.util
import java.util.List;

// Deklaracja klasy publicznej TabliceDynamiczne
public class TabliceDynamiczne {
    // Główna metoda programu
    public static void main(String[] args) {
        // Deklaracja zmiennej listaTablicowa typu interfejsu List, która przechowuje obiekty typu Integer
        // Inicjalizacja zmiennej listaTablicowa jako nowy obiekt ArrayList
        // ArrayList to klasa implementująca interfejs List, która używa tablicy do przechowywania elementów
        List<Integer> listaTablicowa = new ArrayList<>();
    }
}

Lista tablicowa jest klasą generyczną z parametrem określonego typu, dlatego należy określić wewnątrz nawiasów ostrych typ przechowywanych wyrazów. Jedynym ograniczeniem jest to, że wyrazy muszą być obiektem. Dla typów prymitywnych należy wpisać ich obiektowy odpowiednik. Na przykład, jeśli lista tablicowa ma składać się z liczb całkowitych, musimy wpisać Integer tam, gdzie określamy typ przechowywanych elementów.

Sama lista tablicowa w tym momencie jest pusta, ale możemy modyfikować zawartość kolekcji niektórymi z metod opisanych w tabeli.

Metodę remove najlepiej stosować tylko dla elementów znajdujących się na końcu kolekcji. Wtedy nie tracimy zbyt dużo na szybkości działania, ponieważ złożoność czasowa takiej operacji wynosi $O(1)$. W sytuacjach, które wymagają usuwania elementów niekoniecznie znajdujących się na końcu, stosujemy inną kolekcję, np. LinkedList.

Lista tablicowa jest stosowana w każdej sytuacji, gdy priorytetem jest szybki dostęp do elementów kolekcji, które usuwać będziemy tylko w ostateczności.

Na pewno spotkamy się z sytuacją, w której potrzeba będzie iterować po każdym elemencie listy tablicowej. Sposobów iteracji jest wiele, my skupimy się na dwóch najefektywniejszych - przy użyciu pętli for oraz jej rozszerzonej wersji.

Iteracja pętlą for

Zapoznajmy się z przykładem iterowania po każdym elemencie listy tablicowej, w którym wykorzystujemy pętlę for.

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Dynamiczne {
    public static void main(String[] args) {
        // Tworzenie listy tablicowej listaTablicowa, która przechowuje obiekty typu Integer
        List<Integer> listaTablicowa = new ArrayList<>();

        // Dodanie elementów do listy
        listaTablicowa.add(5);
        listaTablicowa.add(9);
        listaTablicowa.add(1);
        listaTablicowa.add(8);
        listaTablicowa.add(7);

        // Używanie zwykłej pętli for do iteracji po każdym elemencie listy
        for (int i = 0; i < listaTablicowa.size(); i++) {
            int wyraz = listaTablicowa.get(i); // Pobieranie elementu z listy na indeksie i
            // Wyświetlanie każdego elementu listy oddzielonego spacją
            System.out.print(wyraz + " ");
        }
        // Po zakończeniu pętli lista zostanie wyświetlona w jednej linii w formacie: 5 9 1 8 7 
    }
}

Wynik działania programu:

5 9 1 8 7 	// Wynik działania programu to
    		// wyświetlenie wszystkich elementów listy
    		// w jednej linii oddzielonych spacjami.

Iteracja rozszerzoną pętlą for

W tym przykładzie wykorzystujemy rozszerzoną pętlę for‑each. Rozszerzona pętla for‑each umożliwia prostsze i bardziej czytelne iterowanie po elementach kolekcji, takich jak tablice czy listy, bez konieczności korzystania z tradycyjnej pętli for z indeksami.

Pętla for‑each jest używana w następujący sposób:

for (typ elementu : kolekcja)

W przypadku tego kodu int wyraz : listaTablicowa, typ elementu to int, ponieważ listaTablicowa przechowuje obiekty typu Integer.

Wewnątrz pętli for‑each każdy element wyraz z listy listaTablicowa jest dostępny w każdej iteracji, a kod w bloku pętli może operować na tym elemencie. W tym przypadku każdy element listy jest wyświetlany za pomocą System.out.print(wyraz + " "), co powoduje wyświetlenie elementów listy oddzielonych spacją w jednej linii.

Rozszerzona pętla for‑each jest użyteczna, gdy chcemy przeiterować po wszystkich elementach kolekcji bez konieczności śledzenia indeksów ani długości kolekcji. Jest to prosty i czytelny sposób przeglądania elementów w kolekcji, który pomaga uniknąć błędów związanych z indeksami oraz skraca kod.

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Dynamiczne {
    public static void main(String[] args) {
        // Tworzenie listy tablicowej listaTablicowa, która przechowuje obiekty typu Integer
        List<Integer> listaTablicowa = new ArrayList<>();

        // Dodanie elementów do listy
        listaTablicowa.add(5);
        listaTablicowa.add(9);
        listaTablicowa.add(1);
        listaTablicowa.add(8);
        listaTablicowa.add(7);

        // Używanie pętli for-each do iteracji po każdym elemencie listy
        for (int wyraz : listaTablicowa) {
            // Wyświetlanie każdego elementu listy oddzielonego spacją
            System.out.print(wyraz + " ");
        }
        // Po zakończeniu pętli lista zostanie wyświetlona w jednej linii w formacie: 5 9 1 8 7 
    }
}

Wynik działania programu:

5 9 1 8 7 	// Wynik działania programu to
    		// wyświetlenie wszystkich elementów listy
    		// w jednej linii oddzielonych spacjami.