Hledáme nové posily do ITnetwork týmu. Podívej se na volné pozice a přidej se do nejagilnější firmy na trhu - Více informací.
Pouze tento týden sleva až 80 % na e-learning týkající se Swiftu. Zároveň využij výhodnou slevovou akci až 30 % zdarma při nákupu e-learningu - více informací.
swift week + discount 30

Lekce 4 - Referenční a hodnotové datové typy

V předešlém cvičení, Řešené úlohy k 3. lekci OOP v C# .NET, jsme si procvičili nabyté zkušenosti z předchozích lekcí.

Začínáme pracovat s objekty a objekty jsou referenčními datovými typy, které se v některých ohledech chovají jinak, než typy hodnotové (např. int). 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. int, float, double, char, bool 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 int. Její hodnota je 56 a uložila se nám přímo do zásobníku. Kód by mohl vypadat takto:

int a = 56;

Můžeme to chápat tak, že proměnná a má přidělenu část paměti v zásobníku (velikosti datového typu int, 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:

class Uzivatel
{
    public int vek;
    public string jmeno;

    public Uzivatel(string jmeno, int vek)
    {
        this.jmeno = jmeno;
        this.vek = vek;
    }

    public override string ToString()
    {
        return jmeno;
    }
}

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

int a = 56;
Uzivatel u = 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.

Tento výukový obsah pomáhají rozvíjet následující firmy, které dost možná hledají právě tebe!

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.

Např. v C++ je velký rozdíl mezi pojmem ukazatel a reference. C# 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 C# 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 int a 2 proměnné typu Uzivatel:

int a = 56;
int b = 28;
Uzivatel u = new Uzivatel("Jan Novák", 28);
Uzivatel v = 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:

int a = 56;
int b = 28;
Uzivatel u = new Uzivatel("Jan Novák", 28);
Uzivatel v = 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 Program.cs a zpravidla se to ani moc nedělá, pro vážnější práci bychom si měli udělat třídu. Upravme tedy kód na následující:

            // založení proměnných
            int a = 56;
            int b = 28;
            Uzivatel u = new Uzivatel("Jan Novák", 28);
            Uzivatel v = new Uzivatel("Josef Nový", 32);
            Console.WriteLine("a: {0}\nb: {1}\nu: {2}\nv: {3}\n", a, b, u, v);
            // přiřazování
            a = b;
            u = v;
            Console.WriteLine("a: {0}\nb: {1}\nu: {2}\nv: {3}\n", a, b, u, v);
            Console.ReadKey();
    class Uzivatel
    {
        public int vek;
        public string jmeno;

        public Uzivatel(string jmeno, int vek)
        {
            this.jmeno = jmeno;
            this.vek = vek;
        }

        public override string ToString()
        {
            return jmeno;
        }
    }

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

Konzolová aplikace
a: 56
b: 28
u: Jan Novák
v: Josef Nový

a: 28
b: 28
u: Josef Nový
v: Josef Nový

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);
                class Uzivatel
    {
        public int vek;
        public string jmeno;

        public Uzivatel(string jmeno, int vek)
        {
            this.jmeno = jmeno;
            this.vek = vek;
        }

        public override string ToString()
        {
            return jmeno;
        }
    }

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

Konzolová aplikace
a: 56
b: 28
u: Jan Novák
v: Josef Nový

a: 28
b: 28
u: Josef Nový
v: Josef Nový

u: John Doe
v: John Doe

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 v C# 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 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 nekontrolovanému 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 C# a Java. 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 C#, 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 C#, 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.

Hodnota null

Poslední věc, o které se zmíníme, je tzv. hodnota null. Referenční typy mohou, na rozdíl od hodnotových, nabývat speciální hodnoty a to null. Klíčové slovo null označuje, že reference neukazuje na žádná data. Když nastavíme proměnnou v na null, 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 = null;
            Console.WriteLine("u: {0}\nv: {1}\n", u, v);

Výstup:

Konzolová aplikace
a: 56
b: 28
u: Jan Novák
v: Josef Nový

a: 28
b: 28
u: Josef Nový
v: Josef Nový

u: John Doe
v:

Vidíme, že objekt stále existuje a ukazuje na něj proměnná u, v proměnné v již není reference. Hodnota null se bohatě využívá jak uvnitř .NET, tak v databázích. K referenčním typům se ještě jednou vrátíme.

V následujícím cvičení, Řešené úlohy k 4. lekci OOP v C# .NET, si procvičíme nabyté zkušenosti z předchozích lekcí.


 

Měl jsi s čímkoli problém? Stáhni si vzorovou aplikaci níže a porovnej ji se svým projektem, chybu tak snadno najdeš.

Stáhnout

Stažením následujícího souboru souhlasíš s licenčními podmínkami

Staženo 757x (25.3 kB)
Aplikace je včetně zdrojových kódů v jazyce C#

 

Předchozí článek
Řešené úlohy k 3. lekci OOP v C# .NET
Všechny články v sekci
Objektově orientované programování v C# .NET
Přeskočit článek
(nedoporučujeme)
Řešené úlohy k 4. lekci OOP v C# .NET
Článek pro vás napsal David Čápka
Avatar
Uživatelské hodnocení:
193 hlasů
David je zakladatelem ITnetwork a programování se profesionálně věnuje 13 let. Má rád Nirvanu, sushi a svobodu podnikání.
Unicorn university David se informační technologie naučil na Unicorn University - prestižní soukromé vysoké škole IT a ekonomie.
Aktivity

 

 

Komentáře
Zobrazit starší komentáře (40)

Avatar
Petr Žákavec:2.5.2020 23:50

také by mě to zajímalo (string - referenční typ)

 
Odpovědět
2.5.2020 23:50
Avatar
Savi
Člen
Avatar
Savi:20.7.2020 9:55

Ahoj, tak jsem u další lekce a mám zase dotaz :-/.

int a = 56;
            int b = 28;
            Uzivatel u = new Uzivatel("Karel Havlíček", 50);
            Uzivatel v = new Uzivatel("Vlastimil Hebr", 30);

            Console.WriteLine("{0}  {1}  {2}  {3}", a, b, u, v);

            u = v;
            u.jmeno = "Václav Havel";


            Console.WriteLine("{0}  {1}  {2}  {3}", a, b, u, v);

            Console.ReadKey();

Z textu jsem pochopil, že u=v zařídí to, že u ukazuje na Vlastimila. Proč když změním jméno v u až "po u=v", tak se mi vypíše 2x Havel? Představil jsem si ten obrázek v článku, kdy mi obě reference ukazují na Vlastimila a já měním jméno nevyužitého objektu. Může za to ten GC? :-O Nebo to chápu úplně blbě ? Děkuji !!

 
Odpovědět
20.7.2020 9:55
Avatar
Radek Veverka
Tvůrce
Avatar
Odpovídá na Savi
Radek Veverka:20.7.2020 10:25

Představil jsem si ten obrázek v článku, kdy mi obě reference ukazují na Vlastimila a já měním jméno nevyužitého objektu.

Když ti obě reference ukazují na Vlastimila, tak jak můžeš měnit jméno nevyužitého objektu? Měníš jméno Vlastimila a je jedno jestli přes u nebo v.

 
Odpovědět
20.7.2020 10:25
Avatar
Savi
Člen
Avatar
Odpovídá na Radek Veverka
Savi:20.7.2020 10:50

Perfektní. Už to asi chápu. Koukal jsem na to trochu jinak ;) Děkuji !

 
Odpovědět
20.7.2020 10:50
Avatar
Bohumír Bednařík:22.7.2020 11:08

Řekl bych, že string je tak trošku jiný typ. Viz např. https://docs.microsoft.com/…ystem.string?…

Důležitá bude nejspíš ta pasáž:
The value of the String object is the content of the sequential collection of System.Char objects, and that value is immutable (that is, it is read-only).

Když do proměnné typu string zapíšeš nový řetzec, vlastně ji znovu vytváříš, bez ohledu na to, že jsi si ji před tím "zkopíroval" z jiné proměnné typu string.

Pokud se pletu, nechť mě někdo opraví (nejsem programátor).

 
Odpovědět
22.7.2020 11:08
Tento výukový obsah pomáhají rozvíjet následující firmy, které dost možná hledají právě tebe!
Avatar
Poledno Martin:8.9.2021 12:40

Super článek! díky

 
Odpovědět
8.9.2021 12:40
Avatar
Petr Mašek
Člen
Avatar
Petr Mašek:10. července 18:24

Ahoj, mám dotaz.. řídil jsem se návodem a dokonce si i stáhnul soubor v lekci, a přesto mi VS vyhazuje chybu a nelze jej spustit. Věděl by někdo co s tím? Kódy mám identické a stejně nejede. Děkuji za odezvu

 
Odpovědět
10. července 18:24
Avatar
Martin McDermot:25. července 10:21

Jen si odložím, že klasické proměnné (int, float. atd) můžou také mít hodnotu "null".

Tato hodnota nepůjde

public int hodnota = null;

Ale tato ano

public int ?hodnota = null;
 
Odpovědět
25. července 10:21
Avatar
Odpovídá na Petr Mašek
Jaroslav Drobek:2. srpna 6:18

Máš tam namespace Ref_a_hodnot - pokud zařídíš stejný jmenný prostor i u třídy Uzivatel.cs, mělo by to fungovat. V poskytnutých zdrojácích (Program.cs, Uzivatel.cs) bylo namespace referencni_typy.

 
Odpovědět
2. srpna 6:18
Avatar
Petr Mašek
Člen
Avatar
Odpovídá na Jaroslav Drobek
Petr Mašek:2. srpna 8:24

Já jsem trubka.. díky už to funguje

 
Odpovědět
2. srpna 8:24
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 10 zpráv z 50. Zobrazit vše