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Cours JAVA : les references et la memoire


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Cours JAVA : les références et la mémoire

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3.2 Noms, valeurs et contexte d’exécution

Une méthode comporte des paramètres et des variables qui sont déclarées avec leurs types. Chaque paramètre et chaque nom est associé à un espace mémoire suffisant pour stocker une valeur du type. La liste des associations



entre noms et valeurs qui existent dans une fonction donnée, nous l’appellerons contexte d’exécution de la méthode. Ce contexte d’exécution, comme son nom l’indique, sert à l’exécution pour stocker les valeurs des variables et paramètres. Une instruction comme Terminal.ecrireIntln(x+1) ne peut pas s’exécuter sans connaître la valeur de x. Dans un contexte où x vaut 10, elle affichera 11. Dans un contexte où x vaut autre chose, elle affichera une autre valeur.

On peut se réprésenter un contexte d’exécution comme un tableau avec dans la première colonne le nom et la deuxième colonne, la valeur associée. Lorsqu’une variable est déclarée, une nouvelle ligne est ajoutée dans ce tableau.

Prenons un exemple.

static int puissance(int x, int y){

if (y<0)

throw new Error();

int res=1;

for (int i=1; i<=y; i++){

res=res*x;

}

return res;

 }

Cette méthode doit être exécutée lorsque dans le corps d’une autre méthode, par exemple la méthode main, on trouve un appel tel que : n=puissance(3,2);. Pour exécuter cette instruction, il faut exécuter la méthode puissance avec pour valeurs des paramètres 3 et 2. Cette exécution commence avec la création d’un contexte comportant les noms des deux paramètres.

contexte de puissance

A la ligne 2 de la méthode, il y a un test (y<0). Pour exécuter ce test, il faut connaître la valeur de y. Cette valeur, on va la chercher dans le contexte d’exécution. Associé au nom y, il y a la valeur 2. Le test (2<0) a pour résultat false.

A la ligne 4 de la méthode, il y a déclaration d’une variable res et donc création d’un nouveau nom utilisable dans la méthode. Cela se traduit par l’ajout d’une nouvelle association (nom, valeur) dans le contexte. Comme la variable est initialisée à 1, c’est cette valeur qui est associée au nom res.

contexte de puissance

x             3

y             2

res         1

L’exécution de la boucle comporte la déclaration de la variable i initialisée à 1. Elle est ajoutée au contexte.

contexte de puissance

x             3

y             2

res         1

i               1

Au fil de l’exécution de la méthode, i prendra d’autres valeurs : 2, puis 3 et res prendra les valeurs 3 puis 9. Ainsi, les valeurs stockées dans les variables varient au fil du temps.

Le Contexte évolue de la façon suivante :

– A sa création, le contexte contient les noms des paramètres initialisés avec les valeurs données dans l’appel.

– Chaque déclaration de variable ajoute une ligne dans le contexte.

– Chaque affectation à une variable change la valeur associée au nom de cette variable.

3.3 Organisation de la mémoire

Lors du démarrage d’un programme, une partie de la mémoire de l’ordinateur lui est attribuée par le système d’exploitation. Chaque programme qui s’exécute a son propre espace mémoire où il peut écrire des informations et relire ce qu’il a écrit. Dans le cas d’un programme Java, l’espace mémoire est divisé en deux partie distinctes : la pile (stack en anglais) qui contient les contextes d’exécution des méthodes et le tas (heap en anglais) qui contient les objets et les tableaux.

Nous reviendrons sur le fonctionnement de la pile plus tard. Pour l’instant, nous y mettrons le contexte d’exécution de la méthode main.

Les objets et les tableaux sont créés dans le tas lors de l’exécution d’une instruction new. Dans la réalité, les éléments ne sont pas forcément rangé dans un ordre déterminé dans le tas. Mais pour simplifier la représentation, nous supposerons que les objets seront rangés dans l’ordre de création. Selon le nombre de cases du tableau, le nombre de variables d’un objet et selon leurs types, il faut plus ou moins de mémoire. Par exemple, pour un int, il faut 4 octets soit 32 bits. Pour un tableau de 5 int, il faut 5 fois 4 octets, 20 octets. Autre exemple, si un objet contient une variable de type int et une autre de type char (2 octets), il faut en tout 6 octets pour représenter l’objet.

L’instruction new calcule la place nécessaire, la réserve pour l’objet créé, initialise les valeurs en exécutant le constructeur de la classe ou en mettant la valeur par défaut du type dans toutes les cases du tableau. Chaque objet ou tableau créé dans le tas est identifié par son adresse mémoire qui est le numéro de la première case mémoire utilisée pour stocker le tableau ou l’objet.

A partir de maintenant, on représentera les adresses par une notation commençant par adr suivi d’un nombre à trois chiffres (par exemple adr017).

L’instruction new commence par calculer la taille de la chose à créer, attribue un emplacement mémoire de cette taille de sorte que toutes les cases d’un tableau ou toutes les variables d’un objet soient stockés dans des cases mémoires contingües. Puis l’espace réservé est initialisé. Enfin, l’instruction se termine en renvoyant l’adresse de la chose créée.

Par exemple new int[5] réserve un espace de 20 octets pour le tableau, initialise chaque case avec 0, la valeur par défaut du type int et renvoie l’adresse du tableau créé, par exemple adr001.

Si l’on fait une affectation, par exemple t=new int[5]; c’est l’adresse renvoyée par l’instruction new qui est stockée dans t ou pour être plus précis, qui est associée au nom t dans le contexte d’exécution de la méthode qui contient cette affectation.

3.4 Exemple de programme avec new

class Objet{

public int x;

Objet(int y){

x = y;

}}

public class ExempleNew{

public static void main(String[] args){

int nb=0;

int[] tab;

Objet unobj;

tab = new int[3];

unobj = new Objet(3);

nb = 17;

tab[1]=12;

unobj.x = 7;

}}

Lorsque le programme commence, le contexte de la méthode main est créée avec le nom du paramètre et sa valeur. Dans ces notes de cours, nous allons supposer que cette valeur est null 1. Le Contexte de main est dans la pile et il n’y a encore rien dans le tas.

...

Chaque case d’un tableau et chaque case de la colonne de droite d’un environnement peut être désignée au moyen d’un chemin d’accès. Ce chemin peut être utilisé pour changer le contenu de la case (à gauche d’une affectation) ou pour utiliser la valeur stockée dans la case pour un calcul.

Trois exemples de chemin sont utilisés dans autant d’affectations à la fin du programme, lignes 14 à 16. Ces chemins sont nb, qui désigne la case contenant la valeur 17 dans le contexte de main, tab[1] qui désigne la deuxième case du tableau et unobj.x qui désigne la case de l’objet contenant la valeur 3. Le contenu des trois cases correspondantes est modifié par les trois affectation, si bien qu’à la fin de l’exécution du programme, l’état de la mémoire est le suivant.

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3.5 Utilisation d’une variable à droite d’une affectation

Voyons le cas d’un petit programme qui utilise la valeur d’une variable en partie droite d’une affectation.

class Objet{

public int x;

Objet(int y){

x = y;

}

}

public class ExempleVarD{

public static void main(String[] args){

int[] tab1, tab2;

Objet obj1, obj2;

obj1 = new Objet(3);

obj2 = obj1; obj2.x = 17;

Terminal.ecrireIntln(obj1.x);

tab1 = new int[3];

tab2 = tab1; tab2[1]=12;

Terminal.ecrireIntln(tab1[1]);

}

}

Avant même de détailler l’exécution du programme, à sa simple lecture, on sait déjà qu’il y aura deux choses dans le tas parce qu’il y a deux instructions new dans ce programme. Il y aura un objet créé ligne 11 et un tableau créé ligne 15.

L’exécution du programme commence avec la création du contexte de main dans la pile avec le nom du paramètre args. Les deux premières lignes de la méthodes (lignes 9 et 10) sont des déclara

3.5. UTILISATION D’UNE VARIABLE ÀDROITE

CHAPITRE 3. D’UNE LES AFFECTATION

RÉFÉRENCES ET LA MÉMOIRE

tions de variables qui ajoutent de nouveaux noms dans le contexte de main. A la fin de l’exécution de la ligne 10 on a l’état mémoire suivant.

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Ligne 14, lorsqu’on demande l’affichage de obj1.x, on va chercher dans le contexte de l’objet de l’adresse adr001 la valeur de x pour l’afficher. On trouve la valeur 17 et c’est elle qui est affichée. Affecter une valeur à obj2.x à la ligne 13 a également changé la valeur de obj1.x. On a deux chemins différents, obj1.x et obj2.x, qui aboutissent à la même case du tas.

On a le même phénomène aux lignes 15 à 18 avec un tableau : un seul tableau est créé ligne 15. Ce tableau est associé aux deux noms tab1 et tab2. Changer le contenu de la case 1 de tab2 (ligne 17) change aussi la case 1 de tab1 puisque c’est le même tableau. On a ici encore deux chemins différents qui aboutissent à la même case.

L’état mémoire à la fin du programme est le suivant.

3.6 Tableau d’objets et objet dans un objet

Les cases d’un tableau et les contextes d’un objet peuvent contenir des adresses aussi bien que des entiers ou des booléens.

class Entier{

public int val;

Entier(int x){

val = x;

}

}

class EntBool{

Entier ent;

boolean bool;

EntBool(Entier e, boolean b){

ent = e;

bool = b;

}

}

public class ExempleRefs{

public static void main(String[] args){

Entier nomb;

Entier[] tab;

EntBool ebx;

nomb = new Entier(5);

tab = new Entier[2];

tab[0] = nomb;

tab[1] = new Entier(2);

ebx = new EntBool(nomb,true);

}

}

L’exécution du main commence avec la création d’un contexte et les lignes 17 à 19 ajoutent de nouveaux noms à cet contexte.

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L’affectation de la ligne 22 va changer la valeur de la case 0 du tableau de nom tab, pour y mettre la valeur associée au nom nomb. Cette valeur est l’adresse adr001. C’est elle qui va être inscrite dans la case 0 du tableau situé à l’adresse adr002Cette affectation n’a pas créé de nouvel objet. Une affectation ne crée jamais ni objet ni tableau. Ce sont des appels à new qui créent des objets et des tableaux.

Ligne 23, il y a création d’un nouvel objet et son adresse est inscrite non pas dans le contexte de main mais dans la deuxième case du tableau tab.

On a maintenant deux instances de la classe Entier, deux objets différents qui ont chacun leur variable val propre avec une valeur différente. Le premier objet a deux noms ou plus précisément, deux chemins d’accès : nomb et tab[0]. Le deuxième n’a qu’un chemin d’accès : tab[1].

La dernière ligne du programme contient la création d’un objet ayant deux variables : une variable de type boolean qui contiendra directement une valeur (true ou false) et une variable de type Entier qui contiendra l’adresse d’un objet de type Entier.

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3.7 La notion de référence

Une référence est une adresse mémoire désignant un objet ou un tableau dans le tas. On appelle type référence en java les types des objets et des tableaux, alors que les types primitifs sont un petit nombre de types prédéfinis tels qu’int, boolean, char et double. Les valeurs des types primitifs existent sans qu’il n’y ait besoin de les créer. Il n’est pas nécessaire de créer 17 ou true avant de les utiliser. Il faut créer les tableaux et les objets, sans quoi ils n’existent pas. Une valeur d’un type référence est une référence, une adresse.

Pour ce qui est de l’évolution de la mémoire, voici les opérations qui ont une incidence :

– l’appel d’une méthode crée un nouveau contexte d’exécution dans la pile. Nous reviendrons là-dessus dans les sections suivantes.

– une déclaration de variable ajoute une ligne au contexte de la méthode qui la contient. Si c’est un objet qui est créé, un nouveau contexte d’exécution est créé dans le tas.

– un new crée une nouvelle chose dans le tas. Cette chose peut être un objet ou un tableau.

– une affectation va modifier le contenu d’un contexte ou d’un tableau. Si la chose à gauche de l’affectation se termine par un crochet fermant (par exemple tab[1]=3;), c’est une case de tableau qui est modifiée et cette case est nécessairement dans le tas. Si la chose à gauche de l’affectation ne se termine pas par un crochet fermant, c’est une case d’un contexte qui est modifiée. S’il y a un point à gauche de l’affectation (par exemple obj.x=3;), cet contexte est dans le tas (dans un objet). S’il n’y a pas de point (par exemple x=3;), cet contexte est celui de la méthode en cours d’exécution.

Il faut bien distinguer entre les nom de variables d’un type objet et les instances d’une classes, les objets proprement dits. Il peut y avoir des noms sans qu’il n’y ait d’objets (les variables contiennent la valeur null) et il peut y avoir des objets sans nom de variable, par exemple dans le cas où les objets sont dans un tableau. Le nombre de noms et le nombre d’objets ne sont pas nécessairement égaux (ni nécessairement différents d’ailleurs).

3.8 Appels de méthodes

A chaque appel de méthode, un nouveau contexte d’exécution est créé en sommet de pile. A chaque moment, seul le contexte situé le plus haut dans la pile est utilisé. On dira que c’est le contexte actif. C’est celui de la méthode qui est en cours d’exécution. En-dessous de lui, dans la pile, il y a les contextes des méthodes qui sont en cours d’exécution et qui attendent le résultat d’un appel de méthode pour se poursuivre.

Lorsque l’exécution d’une méthode est terminée, son contexte est effacé du sommet de la pile. Ce contexte, c’est le contexte actif. Lorsqu’il est effacé, c’est le contexte situé juste en dessous qui redevient actif.

Voyons un exemple.

public class ExempleMet{

static int carre(int x){

int res = x *x;

return res;

}

static int carreDeMoitie(int nb){

int res;

res = carre(nb/2);

return res;

}

public static void main(String[] args){

int x, y;

x = 5;

y = carreDeMoitie(x+1); Terminal.ecrireIntln(y); }}

L’exécution de la méthode main commence avec la création d’un contexte pour main comportant son paramètre args. La première ligne du main (ligne 12 du listing) ajoute les deux noms x et y au contexte courant. On ne sait pas bien quelle valeur il y a dans ces variables avant qu’on ne leur ait affecté une valeur. On représente cela ici par un point d’interrogation. De toute façon, ça ne peut pas être null parce qu’en java, null n’est pa sune valeur de type int. Cette valeur null n’est utilisée que pour l’initialisation des variables de types références (objets et tableaux). La ligne 13 affecte la valeur 5 à la variable x. A la fin de l’exécution de la ligne 13, l’état de la mémoire est le suivant.

Vient ensuite l’exécution de la ligne 14. Pour toute affectation, il y a d’abord calcul de la valeur de la partie droite (ici : carreDeMoitie(x+1)), puis inscription de la valeur en question dans la variable désignée par la partie gauche (ici y). L’appel de la méthode commence par le calcul de la valeur des paramètres. Ici, il s’agit de calculer la valeur de x+1 dans le contexte de main. La valeur de x dans cet contexte est 5, donc x+1 vaut 6. La méthode carreDeMoitie est appelée avec 6 comme valeur de son paramètre. La méthode main n’est pas terminée, mais elle ne peut pas continuer avant d’avoir le résultat de la méthode carreDeMoitie. L’exécution de carreDeMoitie commence avec la création d’un contexte contenant son paramètre nb auquel la valeur 6 est associée.

A l’appel d’une méthode, il y a comme une affectation nb=x+1 mais nb appartient au contexte de la méthode appelée alors que x+1 est évalué dans le contexte de la méthode appelante. La ligne 7 ajoute une ligne au contexte courant pour le nom res.

Ligne 8, il y a à peu près la même chose qu’à la ligne 14 : une affectation avec appel de méthode. C’est maintenant au tour de la méthode carreDeMoitie d’être en attente du résultat de Carre. La valeur du paramètre nb/2 est évaluée dans le contexte de carreDeMoitie et inscrite comme valeur du paramètre x dans le nouvel contexte créé pour Carre. Cette valeur est 6/2=3.

Notez que chaque variable a son propre contexte et si le même nom est utilisé par deux méthodes (ici le nom x est utilisé dans main et carre), cela correspond à deux emplacements différents de la mémoire et leurs valeurs peuvent être différentes (ici, 5 et 3). La ligne 3 déclare une nouvelle variable et lui affecte la valeur obtenue par un calcul. Ce calcul est effectué dans le contexte courant, avec une valeur de x qui est 3. Dans cet contexte, x*x vaut donc 9.

Ligne 4 : l’expression res est évaluée dans le contexte courant. La valeur de res est 9. L’instruction return termine la méthode et renvoie la valeur 9. L’exécution de la méthode carre étant terminée, le contexte de cette méthode est retiré de la pile.

L’exécution de la ligne 8 qui était en attente du résultat de carre peut reprendre. La valeur 9 renvoyée par la méthode est inscrite dans le contexte courant à la ligne res.

La ligne 9 consiste à calculer la valeur de res dans le contexte courant. C’est 9. Puis à la renvoyer. La méthode étant terminée, le contexte correspondant est retiré de la pile.

...

La ligne 15 s’exécute : la valeur à afficher est recherchée à la ligne y du contexte courant. C’est 9 et cette valeur est affichée par la méthde Terminal.ecrireIntln. Notons au passage que c’est un nouvel appel de méthode : un contexte est créé dans la pile pour la méthode Terminal.ecrireIntln et la valeur 9 est inscrite en face du nom de son paramètre.

A la fin de l’exécution de main, le contexte de main est retiré de la pile et plus généralement, toute la mémoire affectée au programme , c’est-à-dire la pile et le tas, est libérée pour d’autres programmes et son contenu est perdu pour toujours.

3.9 Paramètres de types références

Lorsqu’on passe un tableau ou un objet en paramètre à une méthode, c’est la référence, l’adresse qui est recopiée dans le contexte de la méthode appelée, pas le tableau ni l’objet. Les deux méthodes peuvent travailler sur le même objet avec deux noms différents, un dans chaque contexte.

class Entier{ public int val; Entier(int x){

val = x;}}

public class ExempleMetRef{

public static void main(String[] args){

Entier obj = new Entier(10);

ajouterUn(obj);

ajouterUn(obj);

Terminal.ecrireIntln(obj.val);

}

public static void ajouterUn(Entier e){

e.val = e.val + 1; }}

L’exécution commence avec la création d’un contexte pour main, avec une ligne pour le paramètre args. Puis la ligne 9 crée un objet et l’associe au nom obj qui est ajouté dans le contexte. A ce stade, la mémoire est la suivante.

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