Gestion des objets en mémoire

L’objectif de ce chapitre est de découvrir les spécificités des variables de type objet, ainsi que la notion de référence.

Les exemples de code associés sont disponibles en ligne.

Préambule

Ce chapitre utilise une classe Cercle définie de la manière suivante.

Diagramme UML de la classe Cercle

// Modélise un cercle
public class Cercle
{
    private double rayon;  // rayon du cercle

    public double Rayon
    {
        get { return rayon; }
        set { rayon = value; }
    }

    // constructeur
    public Cercle(double rayon)
    {
        this.rayon = rayon;
    }

    // calcule le périmètre du cercle
    public double CalculerPerimetre()
    {
        double perimetre = 2 * Math.PI * rayon;
        return perimetre;
    }
}

Création d’un nouvel objet

Nous savons déjà que la création d’un nouvel objet se fait en deux étapes :

1. déclaration de l’objet

2. instanciation de l’objet

Le code ci-dessous crée un nouvel objet monCercle de la classe Cercle.

Cercle monCercle;             // déclaration
monCercle = new Cercle(7.5);  // instanciation

On peut rassembler ces deux étapes sur une seule ligne. Cependant, il est important de bien les distinguer conceptuellement.

Cercle monCercle = new Cercle(7.5);   // déclaration et instanciation

Avant son instanciation, la “valeur” d’un objet en mémoire, observable au débogueur, est null. Elle correspond à un objet non instancié. L’instanciation permet de réserver une zone mémoire spécifique pour y stocker les données de l’objet.

Affectation d’objets

La spécificité des objets

Nous allons découvrir une différence fondamentale entre le fonctionnement d’une variable de type prédéfini (types C# de base : int, double, bool, etc) et le fonctionnement d’un objet.

Le code suivant utilise deux variables entières.

int nombre1;
nombre1 = 5;
int nombre2 = 3;

nombre2 = nombre1;
nombre1 = 10;

Console.WriteLine("nombre1 = " + nombre1);
Console.WriteLine("nombre2 = " + nombre2);

A la fin de son exécution, la variable nombre1 vaut 10 et la variable nombre2 vaut 5. Pas de surprise ici.

Ecrivons un code similaire, mais qui utilise cette fois deux variables objets.

Cercle cercle1;           // déclaration
cercle1 = new Cercle(5);  // instanciation
Cercle cercle2 = new Cercle(3);   // déclaration et instanciation

cercle2 = cercle1;
cercle1.Rayon = 10;

Console.WriteLine("cercle1.Rayon = " + cercle1.Rayon); // 10
Console.WriteLine("cercle2.Rayon = " + cercle2.Rayon); // 10 (???)

Résultat de l'exécution

A la fin de l'exécution, le rayon de cercle1 vaut 10 et celui de cercle2 vaut... 10.

OMG !

Le résultat précédent devrait vous surprendre... On peut le compléter en observant ce qui se passe au débogueur. Voici le contenu des variables avant le changement du rayon de cercle1.

Débogage affectation d'objets

Et voici le contenu des variables après le changement du rayon de cercle1.

Débogage affectation d'objets

L'instruction cercle1.Rayon = 10 a simultanément modifié le rayon de cercle2. Comment expliquer ce mystère ?

La notion de référence

Revenons à notre exemple initial. Nous savons que la création d'une variable déclenche la réservation en mémoire d'une zone dédiée au stockage de sa valeur.

Stockage d'entiers en mémoire

Les variables nombre1 et nombre2 correspondent à des zones mémoire distinctes. Toute modification de l'une (exemple : nombre1 = 10) n'a aucun impact sur l'autre.

Les objets fonctionnent de manière différente. Une variable objet ne stocke pas directement les données de l'objet, mais une référence vers l'emplacement mémoire où se trouvent ces données. De manière simpliste, on peut considérer une référence comme une adresse mémoire.

Une instanciation d'objet comme monCercle = new Cercle(7.5) provoque la réservation d'une zone mémoire pour stocker les données de l'objet, et affecte à la variable monCercle la référence vers cette zone mémoire.

Stockage d'objets en mémoire

Les observations précédentes ont maintenant une explication : l'affectation cercle2 = cercle1 provoque la copie de la référence de cercle1 dans cercle2. Après cette assignation, les deux variables "pointent" vers la même zone mémoire contenant les données du premier cercle.

Stockage d'objets en mémoire

DEFINITION : l'affectation d'un objet à un autre ne déclenche pas la copie du contenu des objets. La référence (adresse mémoire) du premier objet est affectée au second, et les deux objets "pointent" vers la même zone mémoire.

Pour dupliquer l'objet lui-même et non sa référence, il faut utiliser d'autres techniques que vous découvrirez ultérieurement.

Types valeurs et types références

DEFINITION : les types de données C# se répartissent en deux catégories :

• les types valeurs, où la valeur est directement stockée dans la variable.

• les types références, où la variable stocke l'emplacement mémoire de la valeur.

Les types prédéfinis (int, double, etc) sont des types valeurs. Les classes et les tableaux sont des types référence.

Pourquoi avoir introduit la notion de référence dans le langage ? Essentiellement pour des raisons de performances. Contrairement aux types valeur, un objet (ou une liste d'objets) peut occuper une taille non négligeable en mémoire. De trop nombreuses copies d'objets auraient donc pu ralentir l'exécution d'un programme. Grâce aux références, une affectation entre objets est quasi-instantanée : la seule information copiée est une adresse mémoire, et non l'objet lui-même.

Le langage Java fait aussi la distinction entre types valeurs et références (Parameter passing in Java). Les objets en Python stockent également des références. Le langage C++ va encore plus loin : il distingue références et pointeurs.

Il est très important de savoir si une variable est de type valeur ou de type référence car cela a un impact sur la comparaison d'objets et le passage d'un objet en paramètre.

Comparaison d'objets

Etudions ce qui ce produit lorsque l'on compare deux variables de type valeur, comme des entiers.

int nombre1;
nombre1 = 5;

int nombre2 = 3;

if (nombre1 == nombre2)
   Console.WriteLine("nombre1 et nombre2 sont égaux");
else
   Console.WriteLine("nombre1 et nombre2 sont différents");

nombre2 = 5;

if (nombre1 == nombre2)
   Console.WriteLine("nombre1 et nombre2 sont égaux");
else
   Console.WriteLine("nombre1 et nombre2 sont différents");

Comparaison d'entiers

L'exécution de ce code indique d'abord que les variables sont différentes, puis qu'elles sont égales. Ceci est attendu puisque nous avons donné à nombre2 la même valeur que nombre1.

Ecrivons un code similaire, mais qui utilise des objets.

Cercle cercle1;
cercle1 = new Cercle(5);

Cercle cercle2 = new Cercle(3);

if (cercle1 == cercle2)
   Console.WriteLine("cercle1 et cercle2 sont égaux");
else
   Console.WriteLine("cercle1 et cercle2 sont différents");

cercle2.Rayon = 5;

if (cercle1 == cercle2)
   Console.WriteLine("cercle1 et cercle2 sont égaux");
else
   Console.WriteLine("cercle1 et cercle2 sont différents");

Comparaison d'objets

Son exécution indique que les objets sont différents, puis qu'ils sont différents. Et pourtant, leurs états (valeur du rayon) sont identiques... Pour comprendre, il est utile de représenter ce qui se passe en mémoire pendant l'exécution.

Représentation mémoire de la comparaison d'objets

Le contenu des deux objets est bien identique, mais ils se trouvent à des emplacements mémoire distincts. Les variables cercle1 et cercle2 stockent des références vers deux objets distincts, qui dans ce cas particulier ont le même état.

L'expression cercle1 == cercle2 compare les valeurs des références et non les états des objets eux-mêmes : elle renvoie toujours false dans notre exemple.

La notion "d'égalite d'objets" est donc plus complexe qu'elle n'y paraît. Ici encore, il existe d'autres techniques pour comparer les objets et non leurs références.

Passage d'un objet en paramètre

Il est important de comprendre la manière dont un objet est passé en paramètre à un sous-programme ou à une méthode. Pour cela, nous allons revenir en détail sur le fonctionnement du passage de paramètre.

Le code ci-dessous permet d'illustrer le passage d'un paramètre entier.

static void Main(string[] args)
{
   int nombre = 5;

   Console.WriteLine("Avant l'appel, nombre = " + nombre);
   Augmenter(nombre);
   Console.WriteLine("Après l'appel, nombre = " + nombre);
}

static void Augmenter(int unNombre)
{
   Console.WriteLine("Avant l'augmentation, unNombre = " + unNombre);
   unNombre = unNombre + 1;
   Console.WriteLine("Après l'augmentation, unNombre = " + unNombre);
}

Passage d'un entier en paramètre

Nous savons expliquer ce résultat : il est dû au fait que les paramètres sont passé par valeur. Au moment de l'appel à Augmenter, la valeur de l'argument nombre est copiée dans l'espace mémoire du paramètre unNombre. La même valeur 5 est donc stockée à deux emplacements mémoire distincts. Toute modification de unNombre dans le sous-programme n'aura aucun impact sur la valeur de nombre dans le programme principal.

Représentation mémoire du passage d'un entier en paramètre

Voyons à présent ce qui se produit dans le cas d'objets.

static void Main(string[] args)
{
   Cercle cercle = new Cercle(5);

   Console.WriteLine("Avant l'appel, cercle.Rayon = " + cercle.Rayon);
   AugmenterRayon(cercle);
   Console.WriteLine("Après l'appel, cercle.Rayon = " + cercle.Rayon);
}

static void AugmenterRayon(Cercle unCercle)
{
   Console.WriteLine("Avant l'augmentation, unCercle.Rayon = " + unCercle.Rayon);
   unCercle.Rayon = unCercle.Rayon + 1;
   Console.WriteLine("Après l'augmentation, unCercle.Rayon = " + unCercle.Rayon);
}

Passage d'un entier en paramètre

L'appel au sous-programme a modifié la valeur de l'objet ! Ceci semble contradictoire avec le mode de passage des paramètres par valeur, où l'argument est copié dans le paramètre.

Tentons de comprendre pourquoi avec une représentation mémoire de l'exécution.

Représentation mémoire du passage d'un objet en paramètre

Au moment de l'appel du sous-programme, la valeur de l'argument cercle, autrement dit la référence vers l'objet associé, est copiée dans le paramètre unCercle. Les variables cercle et unCercle contiennent la même référence et "pointent" donc vers le même emplacement mémoire. Cela explique que la modification faite dans le sous-programme ait un impact au niveau du programme principal : l'objet référencé est le même.

DEFINITION : par défaut, tous les paramètres sont passés par valeur en C#.

• Dans le cas d'un type valeur, la valeur est copiée de l'argument vers le paramètre. Paramètre et argument concernent des zones mémoires différentes. Les modifications du paramètre n'ont pas d'impact sur l'argument.

• Dans le cas d'un type référence, la référence est copiée de l'argument vers le paramètre. Paramètre et argument concernent la même zone mémoire. Les modifications du paramètre modifient aussi l'argument.

Destruction d'un objet

L'instanciation d'un objet provoque la réservation d'espace mémoire. Sans libération de cet espace une fois que l'objet sera devenu inutile, le risque existe d'une saturation de la mémoire de l'application, voire du système.

Dans certains langages comme le C++, la libération de la mémoire est de la responsabilité du programmeur, ce qui est source de problèmes complexes. Heureusement pour vous, le C# a suivi l'exemple de Java et dispose d'une fonctionnalité de libération mémoire automatique appelée ramasse-miettes (garbage collector).

Cela fonctionne de manière simple : tout objet, une fois qu'il n'est plus pointé par aucune référence, devient éligible pour la destruction (c'est-à-dire la libération de l'espace mémoire associé).

Desctruction d'un objet

Dans l'exemple ci-dessus, l'objet initialement pointé par cercle2 n'est plus pointé par aucune référence et sera prochainement détruit automatiquement par le ramasse-miettes.