4. díl - Referenční a hodnotové datové typy

Ostatní jazyky Visual Basic .NET Objektově orientované programování Referenční a hodnotové datové typy

V minulém tutoriálu pro VB.NET jsme si vytvořili svůj první pořádný objekt, byla jím hrací kostka. Začínáme pracovat s objekty a objekty jsou referenčními datovými typy, které se v některých ohledech chovají jinak, než typy hodnotové (např. Integer). Je důležité, abychom přesně věděli, co se uvnitř programu děje, jinak by nás v budoucnu mohlo leccos překvapit.

Zopakujme si pro jistotu ještě jednou, co jsou to hodnotové typy. Obecně jsou to jednoduché struktury, např. jedno číslo, jeden znak. Většinou se chce, abychom s nimi pracovali co nejrychleji, v programu se jich vyskytuje velmi mnoho a zabírají málo místa. V anglické literatuře jsou často popisovány slovy light-weight. Mají pevnou velikost. Příkladem jsou např. Integer, Float, Double, Char, Boolean a další.

Aplikace (resp. její vlákno) má operačním systémem přidělenou paměť v podobě tzv. zásobníku (stack). Jedná se o velmi rychlou paměť s přímým přístupem, její velikost aplikace nemůže ovlivnit, prostředky jsou přidělovány operačním systémem. Tato malá a rychlá paměť je využívána k ukládání lokálních proměnných hodnotového typu (až na výjimky při iteracích, kterými se nebudeme zabývat). Proměnnou si v ní můžeme představit asi takto:

Zásobník vb paměti počítače

Na obrázku je znázorněna paměť, kterou může naše aplikace využívat. V aplikaci jsme si vytvořili proměnnou a typu Integer. Její hodnota je 56 a uložila se nám přímo do zásobníku. Kód by mohl vypadat takto:

Dim a As Integer = 56

Můžeme to chápat tak, že proměnná a má přidělenu část paměti v zásobníku (velikosti datového typu Integer, tedy 32 bitů), ve které je uložena hodnota 56.

Vytvořme si novou konzolovou aplikaci a přidejme si k ní jednoduchou třídu, která bude reprezentovat uživatele nějakého systému. Pro názornost vypustím komentáře a nebudu řešit viditelnosti:

Public Class Uzivatel
        Public vek As Integer
        Public jmeno As String

        Public Sub New(jmeno As String, vek As Integer)
                Me.vek = vek
                Me.jmeno = jmeno
        End Sub

        Public Overrides Function ToString() As String
                Return jmeno
        End Function
End Class

Třída má 2 jednoduché veřejné atributy, konstruktor a přetížený ToString(), abychom uživatele mohli jednoduše vypisovat. Do našeho původního programu přidejme vytvoření instance této třídy:

Dim a As Integer = 56
Dim u As Uzivatel = New Uzivatel("Jan Novák", 28)

Proměnná u je nyní referenčního typu. Podívejme se na novou situaci v paměti:

Zásobník a halda v paměti počítače

Vidíme, že objekt (proměnná referenčního datového typu) se již neukládá do zásobníku, ale do paměti zvané halda. Je to z toho důvodu, že objekt je zpravidla složitější než hodnotový datový typ (většinou obsahuje hned několik dalších atributů) a také zabírá více místa v paměti.

Zásobník i halda se nacházejí v paměti RAM. Rozdíl je v přístupu a velikosti. Halda je prakticky neomezená paměť, ke které je však přístup složitější a tím pádem pomalejší. Naopak zásobník je paměť rychlá, ale velikostně omezená.

Proměnné referenčního typu jsou v paměti uloženy vlastně nadvakrát, jednou v zásobníku a jednou v haldě. V zásobníku je uložena pouze tzv. reference, tedy odkaz do haldy, kde se poté nalézá opravdový objekt.

Pozn.: Např. v C++ je velký rozdíl mezi pojmem ukazatel a reference. VB.NET žádné ukazatele naštěstí nemá a používá termín reference, ty se paradoxně principem podobají spíše ukazatelům v C++. Pojmy ukazatel a reference zde zmíněné tedy znamenají referenci ve smyslu VB.NET a nemají s C++ nic společného.

Můžete se ptát, proč je to takto udělané. Důvodů je hned několik, pojďme si některé vyjmenovat:

  1. Místo ve stacku je omezené.
  2. Když budeme chtít použít objekt vícekrát (např. ho předat jako parametr do několika metod), nemusíme ho v programu předávat jako kopii. Předáme pouze malý hodnotový typ s referencí na objekt místo toho, abychom obecně paměťově náročný objekt kopírovali. Toto si vzápětí ukážeme.
  3. Pomocí referencí můžeme jednoduše vytvářet struktury s dynamickou velikostí, např. struktury podobné poli, do kterých můžeme za běhu vkládat nové prvky. Ty jsou na sebe navzájem odkazovány referencemi, jako řetěz objektů.

Založme si 2 proměnné typu Integer a 2 proměnné typu Uzivatel:

Dim a As Integer = 56
Dim b As Integer = 28
Dim u As Uzivatel = New Uzivatel("Jan Novák", 28)
Dim v As Uzivatel = New Uzivatel("Josef Nový", 32)

Situace v paměti bude následující:

Referenční hodnoty v C# v paměti počítače

Nyní zkusme přiřadit do proměnné a proměnnou b. Stejně tak přiřadíme i proměnnou v do proměnné u. Hodnotový typ se v zásobníku jen zkopíruje, u objektu se zkopíruje pouze reference (což je vlastně také hodnotový typ), ale objekt máme stále jen jeden. V kódu vykonáme tedy toto:

Dim a As Integer = 56
Dim b As Integer = 28
Dim u As Uzivatel = New Uzivatel("Jan Novák", 28)
Dim v As Uzivatel = New Uzivatel("Josef Nový", 32)
a = b
u = v

V paměti bude celá situace vypadat následovně:

Referenční hodnoty v C# v paměti počítače

Přesvědčme se o tom, abyste viděli, že to opravdu tak je :) Nejprve si necháme všechny čtyři proměnné vypsat před a po změně. Protože budeme výpis volat vícekrát, napíši ho poněkud úsporněji. Mohli bychom dát výpis do metody, ale ještě nevíme, jak deklarovat metody přímo v Module1.vb a zpravidla se to ani moc nedělá, pro vážnější práci bychom si měli udělat třídu. Upravme tedy kód na následující:

' založení proměnných
Dim a As Integer = 56
Dim b As Integer = 28
Dim u As Uzivatel = New Uzivatel("Jan Novák", 28)
Dim v As Uzivatel = New Uzivatel("Josef Nový", 32)
Console.WriteLine("a: {0}{4}b: {1}{4}u: {2}{4}v: {3}{4}", a, b, u, v, vbCrLf)
' přiřazování
a = b
u = v
Console.WriteLine("a: {0}{4}b: {1}{4}u: {2}{4}v: {3}{4}", a, b, u, v, vbCrLf)
Console.ReadKey()

Na výstupu programu zatím rozdíl mezi hodnotovým a referenčním typem nepoznáme:

uživatelé jako referenční typy v VB.NET

Nicméně víme, že zatímco v a a b jsou opravdu 2 různá čísla se stejnou hodnotou, v u a v je ten samý objekt. Pojďme změnit jméno uživatele v a dle našich předpokladů by se měla změna projevit i v proměnné u. K programu připíšeme:

' změna
v.jmeno = "John Doe"
Console.WriteLine("u: {0}\nv: {1}\n", u, v)

Změnili jsme objekt v proměnné v a znovu vypíšeme u a v:

uživatelé jako referenční typy v Visual Basic .NET

Spolu se změnou v se změní i u, protože proměnné ukazují na ten samý objekt. Jestli se ptáte, jak vytvořit opravdovou kopii objektu, tak nejjednodušší je objekt znovu vytvořit pomocí konstruktoru a dát do něj stejná data. Dále můžeme použít klonování, ale o tom zas až někdy jindy. Připomeňme si situaci v paměti ještě jednou a zaměřme se na Jana Nováka.

Referenční hodnoty ve Visual Basic v paměti počítače

Co se sním stane? "Sežere" ho tzv. Garbage collector.

Garbage collector

Garbage collector a dynamická správa paměti

Paměť můžeme v programech alokovat staticky, to znamená, že ve zdrojovém kódu předem určíme, kolik jí budeme používat. Doposud jsme to tak vlastně dělali a neměli jsme s tím problém, hezky jsme do zdrojového kódu napsali potřebné proměnné. Brzy se ale budeme setkávat s aplikacemi (a už jsme se vlastně i setkali), kdy nebudeme před spuštěním přesně vědět, kolik paměti budeme potřebovat. Vzpomeňte si na program, který zprůměroval zadané hodnoty v poli. Na počet hodnot jsme se uživatele zeptali až za běhu programu. CLR (pojem viz 1. lekce) tedy musel za běhu programu pole v paměti založit. V tomto případě hovoříme o dynamické správě paměti.

V minulosti, hlavně v dobách jazyků C, Pascal a C++, se k tomuto účelu používaly tzv. pointery, neboli přímé ukazatele do paměti. Vesměs to fungovalo tak, že jsme si řekli operačnímu systému o kus paměti o určité velikosti. On ji pro nás vyhradil a dal nám její adresu. Na toto místo v paměti jsme měli pointer, přes který jsme s pamětí pracovali. Problém byl, že nikdo nehlídal, co do paměti dáváme (ukazatel směřoval na začátek vyhrazeného prostoru). Když jsme tam dali něco většího, zkrátka se to stejně uložilo a přepsala se data za naším prostorem, která patřila třeba jinému programu nebo operačnímu systému (v tom případě by naši aplikaci OS asi zabil - zastavil). Často jsme si však my v paměti přepsali nějaká další data našeho programu a program se začal chovat chaoticky. Představte si, že si uložíte uživatele do pole a v tu chvíli se vám najednou změní barva uživatelského prostředí, tedy něco, co s tím vůbec nesouvisí. Hodiny strávíte tím, že kontrolujete kód pro změnu barvy, poté zjistíte, že je chyba v založení uživatele, kdy dojde k přetečení paměti a přepsání hodnot barvy.

Když naopak nějaký objekt přestaneme používat, musíme po něm místo sami uvolnit, pokud to neuděláme, paměť zůstane blokovaná. Pokud toto děláme např. v nějaké metodě a zapomeneme paměť uvolňovat, naše aplikace začne padat, případně zasekne celý operační systém. Taková chyba se opět špatně hledá, proč program přestane po několika hodinách fungovat? Kde tu chybu v několika tisících řádků kódu vůbec hledat? Nemáme jedinou stopu, nemůžeme se ničeho chytit, musíme projet celý program řádek po řádku nebo začít prozkoumávat paměť počítače, která je v binárce. Brrr. Podobný problém nastane, když si někde paměť uvolníme a následně pointer opět použijeme (zapomeneme, že je uvolněný, to se může lehce stát), povede někam, kde je již uloženého něco jiného a tato data budou opět přepsána. Povede to k nekontorolovanému chování naší aplikace a může to dopadnout i takto:

Blue Screen Of Death – BSOD ve Windows

Můj kolega jednou pravil: "Lidský mozek se nedokáže starat ani o správu paměti vlastní, natož aby řešil memory management programu." Měl samozřejmě pravdu, až na malou skupinu géniů lidi přestalo bavit řešit neustálé a nesmyslné chyby. Za cenu mírného snížení výkonu vznikly řízené jazyky (managed) s tzv. garbage collectorem, jedním z nich je i VB.NET a C#. C++ se samozřejmě nadále používá, ale pouze na specifické programy, např. části operačního systému nebo 3D enginy komerčních her, kde je potřeba z počítače dostat maximální výkon. Na 99% všech ostatních aplikací se hodí VB.NET, kvůli možnosti používat .NET a hlavně automatické správě paměti. Používat .NET bylo umožněno i v C++, hovoříme o tzv. managed C++, kde výsledná aplikace používala garbage collector. Projekt se však neuchytil, protože C++ tak již nemělo žádné výhody oproti VB.NET, který je modernější.

Garbage collector

Garbage collector je vlastně program, který běží paralelně s naší aplikací, v samostatném vlákně. Občas se spustí a podívá se, na které objekty již v paměti nevedou žádné reference. Ty potom odstraní. Ztráta výkonu je minimální a značně to sníží procento sebevražd programátorů, ladících po večerech rozbité pointery. Zapnutí GC můžeme dokonce z kódu ovlivnit, i když to není v 99% případů vůbec potřeba. Protože je jazyk řízený a nepracujeme s přímými pointery, není vůbec možné paměť nějak narušit, nechat ji přetéct a podobně, interpret se o paměť automaticky stará.

Poslední věc, o které se zmíníme, je tzv. hodnota Nothing. Referenční typy mohou, na rozdíl od hodnotových, nabývat speciální hodnoty a to Nothing. Nothing je klíčové slovo a označuje, že reference neukazuje na žádná data. Když nastavíme proměnnou v na Nothing, zrušíme pouze tu jednu referenci. Pokud na náš objekt existuje ještě nějaká reference, bude i nadále existovat. Pokud ne, bude uvolněn GC. Změňme ještě poslední řádky našeho programu na:

' změna
v.jmeno = "John Doe"
v = Nothing

Výstup:

uživatelé jako referenční typy ve Visual Basic .NET

Vidíme, že objekt stále existuje a ukazuje na něj proměnná u, v proměnné v již není reference. Nothing se bohatě využívá jak uvnitř .NET, tak v databázích (často pod označením null). K referenčním typům se ještě jednou vrátíme, příště si zas něco praktického naprogramujeme, ať si znalosti zažijeme. Prozradím, že půjde o objekt bojovníka do naší arény. To je zatím vše :)


 

  Aktivity (2)

Článek pro vás napsal Michal Žůrek (misaz)
Avatar
Autor se věnuje tvorbě aplikací pro počítače, mobilní telefony, mikroprocesory a tvorbě webových stránek a webových aplikací. Nejraději programuje ve Visual Basicu a TypeScript. Ovládá HTML, CSS, JavaScript, TypeScript, C# a Visual Basic.

Jak se ti líbí článek?
Celkem (3 hlasů) :
4.666674.666674.666674.666674.66667


 



 

 

Komentáře

Avatar
Jaroslav Trojan:

Velmi dobrý tutoriál, mnoho jsem se naučil.

 
Odpovědět 28. června 10:14
Děláme co je v našich silách, aby byly zdejší diskuze co nejkvalitnější. Proto do nich také mohou přispívat pouze registrovaní členové. Pro zapojení do diskuze se přihlas. Pokud ještě nemáš účet, zaregistruj se, je to zdarma.

Zobrazeno 1 zpráv z 1.