Wykład 14. Środowisko przetwarzania

Transkrypt

1 Wykład 14 Środowisko przetwarzania

2 Środowisko przetwarzania Przed generacją kodu, musimy umieć powiązać statyczny kod źródłowy programu z akcjami, wykonywanymi w trakcie działania i implementującymi program; Ta sama nazwa w programie źródłowym może oznaczać różne obiekty danych w maszynie docelowej; Przydzielanie i zwalnianie pamięci dla obiektów danych jest zarządzane przez pakiet wspomagania przetwarzania,, składający się z procedur ładowanych wraz z wygenerowanym kodem wynikowym; Projekt pakietu wspomagania zależy od semantyki procedur; Każde działanie procedury jest nazywane aktywacją tej procedury; Jeśli procedura jest rekurencyjna to w danej chwili może istnieć jednocześnie kilka jej aktywacji.

3 Język źródłowy procedury Definicją procedury jest deklaracja, która, w najprostszej postaci, związuje identyfikator z instrukcją. Identyfikator jest nazwą procedury,, a instrukcja treścią procedury; Przykład: poniższy kod z Pascala w wierszach (3)-(7) zawiera definicję procedury nazwanej czytajtab.. Treść tej procedury jest w wierszach (5)-(7); Procedury zwracające wartość, w wielu językach są nazywane funkcjami, chociaż wygodniej jest odnosić się do nich jak do procedur; Cały program jest również traktowany jak procedura.

4 Procedury 1. program sort(input, output) ; 2. var a: array [0..10] of integer; 3. procedure czytajtab; 4. var i : integer; 5. begin 6. for i := 1 to 9 do read(a[i]) (1) 7. end; 8. function podzial (y,z : integer) : integer; 9. var i, j, x, v: integer; 10. begin end

5 Procedura - cd 12. procedur quicksort (m, n: integer); 13. var i: integer; 14. begin 15. if ( n > m ) then begin 16. i := podzial(m, n); 17. quicksort(m, i-1); 18. quciksort(i+1, n); 19. end 20. end; 21. begin 22. a[0] := -9999; a[10] := 9999; 23. czytajtab; 24. quicksort(1,9); 25. end.

6 Język źródłowy procedury Jeżeli nazwa procedury pojawia się wewnątrz instrukcji, mówimy, że procedura jest w tym miejscu wywoływana; Wywołanie procedury powoduje wykonanie treści procedury i jest to podstawowa zasada jej działania; Główny program w wierszach (21) (25) wywołuje w wierszu (23) procedurę czytajtab i następnie, w wierszu (24) wywołuje procedurę quicksort; Zauważmy, że wywołania procedur mogą również nastąpić w wyrażeniach tak jak w wierszu (16).

7 Język źródłowy procedury Niektóre z identyfikatorów, pojawiające się w definicji procedury, są specjalne i nazywamy je parametrami formalnymi procedury.. ( W języku C nazywam je argumentami formalnymi a w Fortranie argumentami ślepymi ); Identyfikatory m i n w wierszu (12) są parametrami formalnymi procedury quicksort; Argumenty zwane parametrami aktualnymi,, mogą być przekazywane do wywoływanej procedury i podstawione w miejscu formalnych w treści procedury; Wiersz (18) kodu jest wywołaniem procedury quicksort,, z parametrami aktualnymi i+1 i n.

8 Drzewa aktywacji Wprowadźmy dwa założenia na temat przepływu sterowania między procedurami w trakcie wykonywania programu: - Wykonanie programu jest sekwencyjne, czyli składa się z sekwencji kroków, w których może znaleźć się sterowanie programu w trakcie działania; - Każde wykonanie procedury rozpoczyna się na początku treści procedury i po zakończeniu powraca do miejsca bezpośrednio za samym wywołaniem. Oznacza to, że przepływ sterowania między procedurami można przedstawić za pomocą drzew.

9 Drzewa aktywacji Każde wykonanie treści procedury nazywa się aktywacją tej procedury; Czas istnienia aktywacji procedury p jest sekwencją kroków między pierwszym a ostatnim krokiem wykonywania treści procedury, włączając w to czas wykonywania procedur wywoływanych z p, procedur wywoływanych przez te ostatnie, itd.; Na ogół termin czas istnienia odnosi się do sekwencji kolejnych kroków wykonywanych w trakcie działania programu.

10 Drzewa aktywacji W językach, na przykład w Pascalu, sterowanie po każdym wejściu do procedury q z procedury p (w przypadku niewystąpienia błędu krytycznego) ostatecznie musi powrócić do p. Ogólniej, za każdym razem, gdy sterowanie programu przechodzi z aktywacji procedury p do aktywacji procedury q,, musi powrócić do tej samej aktywacji dla p; Jeśli a i b są aktywacjami procedur, to ich czasy istnienia albo są rozłączne, albo jeden jest zawarty w drugim; Sterowanie wchodzi do b i przed opuszczeniem a,, to przed opuszczeniem a musi opuścić b.

11 Drzewa aktywacji Tę własność zawierania czasów istnienia można zilustrować, wstawiając dwie instrukcje print do każdej procedury: jedną przed pierwszą instrukcją z treści procedury, a drugą za ostatnią; Pierwsza instrukcja drukuje napis wejście oraz nazwę procedury i wartości parametrów aktualnych, druga drukuje napis opuszczenie i te same informacje; Przykładowy wynik powyższego programu ze wstawionym instrukcjami print prezentujemy poniżej. Czas istnienia aktywacji quicksort(1,9) składa się z sekwencji kroków wykonywanych od wpisania wejście quicksort(1,9) do opuszczenie quicksort(1,9). Zakładamy że podzial(1,9) zwraca liczbę 4.

12 Wyjście odzwierciedlające aktywację Wykonanie rozpoczete wejscie czytajtab opuszczenie czytajtab wejscie wejscie quicksort(1,9) podzial(1,9) opuszczenie podzial(1,9) wejscie (2) quicksort(1,3) opuszczenie quicksort(1,3) wejscie quicksort(5,9) opuszczenie quicksort(5,9) opuszczenie quicksort(1,9) procedury

13 Język źródłowy procedury Procedura jest rekurencyjna,, jeśli nowa jej aktywacja może rozpocząć się przed zakończeniem wcześniejszej aktywacji tej samej procedury; Na wyjściu odzwierciedlającym wywołanie, widać że sterowanie wchodzi do aktywacji quicksort(1,9), w wierszu (24), na początku wykonywania programu, a opuszcza ją prawie na samym końcu; W międzyczasie, kilkakrotnie następuje kolejne wejście do aktywacji procedury quicksort, więc procedura ta jest rekurencyjna; Rekurencyjna procedura p nie musi wywoływać siebie bezpośrednio: p może wywołać inną procedurę q,, która z kolei może wywołać p w pewnej sekwencji wywołań procedur.

14 Drzewo aktywacji Do zobrazowania kolejności w jakej sterowanie wchodzi i opuszcza aktywację można użyć drzewa, zwanego drzewem aktywacji: Tworzymy je w oparciu o następujące reguły: - każdy węzeł reprezentuje aktywację procedury; - korzeń reprezentuje aktywacje programu głównego; - węzeł dla a jest rodzicem węzła dla b wtdey i tylko wtedy, gdy sterowanie przechodzi z aktywacji a do b; - węzeł dla a znajduje się po lewej stronie węzła dla b wtedy i tylko wtedy, gdy a jest przed b. Ponieważ każdy węzeł reprezentuje odrębną aktywację, a każda aktywacja odrębny węzel, wygodnie jest mówić o sterowaniu znajdującym się w węźle, gdy znajduje się ono w aktywacji reprezentowanej przez ten węzeł.

15 Drzewo aktywacji-przykład Drzewo aktywacji odpowiadającej wyjściu (2). (3)

16 Przykład - interpretacja Na diagramie zaprezentowano jedynie pierwsze litery nazw procedur; Podczas wykonywania sortuj następuje aktywacja czytajtab,, reprezentowana przez pierwsze dziecko korzenia z etykietą c; Następna aktywacja, reprezentowana przez drugie dziecko korzenia, jest dla procedury quicksort z parametrami aktualnymi 1 i 9. Podczas tej aktywacji, wywołania podzial i quicksort z wierszy (16), (17) procedury (1), prowadzą do aktywacji p(1,9), q(1,3) i q(4,9); Zauważmy że aktywacje q(1,3) i q(5,9) są rekurencyjne i że zaczynają się i kończą przed zakończeniem q(1,9).

17 Stosy sterowania Przepływ sterowania w programie odpowiada przechodzeniu w głąb drzewa aktywacji; Przechodzenie w głąb drzewa aktywacji polega na starcie w korzeniu, odwiedzeniu węzła zanim odwiedzimy dzieci i na rekurencyjnych odwiedzinach kolejnych dzieci w kolejności od lewej do prawej; Wynik z (2) może zatem zostać odtworzony przez przejście drzewa aktywacji, w którym wypiszemy wejście w momencie wchodzenia po raz pierwszy do węzła dla aktywacji i wypiszemy opuszczenie po przejściu całego poddrzewa tego węzła.

18 Stosy sterowania Do przechowywania istniejących w danej chwili aktywacji dla procedur możemy wykorzystać stos zwany stosem sterowania; Metoda polega na umieszczaniu a stosie węzła dla aktywacji, w momencie jej rozpoczęcia i zdejmowaniu jej ze stosu w momencie, gdy się kończy; Zawartość stosu sterowania ma związek ze ścieżkami z korzenia drzewa aktywacji; Gdy na wierzchołku drzewa sterowania znajduje się węzeł n,, stos ten zawiera węzły wzdłuż ścieżki z n do korzenia.

19 Stos sterowania-przykład Stos sterowania zawiera węzły wzdłuż ścieżki do korzenia. (4)

20 Interpretacja przykładu Na stosie widać węzły z drzewa aktywacji (3), które zostały osiągnięte, gdy sterowanie weszło do aktywacji reprezentowanej za pomocą q(2,3); Aktywacje z etykietami c, p(1,9), p(1,3), q(1,0) zostały wykonane do końca, więc rysunek zawiera prowadzące do nich linie przerywane; Linie ciągłe stanowią ścieżkę z q(2,3) do korzenia; W tej chwili stos sterowania zawiera następujące węzły znajdujące się na tej ścieżce do korzenia (w kolejności od liścia do korzenia) s, q(1,9), q(1,3), q(2,3) i nie zawiera żadnych innych.

21 Zakres deklaracji Deklaracja w języku jest konstrukcją składniową, która związuje informację z nazwą; Deklaracje mogą być jawne przekład następująca deklaracja w Pascalu var i : integer; lub niejawne przykład w Fortranie dla każdej zmiennej zaczynającej się od I zakłada się że oznacza ona liczbę całkowitą; W różnych częściach programu mogą znajdować się niezależne deklaracje tej samej nazwy;

22 Zakres deklaracji Zasady widzialności dla danego języka wyznaczają, która deklaracja ma być stosowana do nazwy pojawiającej się w tekście programu; W programie (1) w Pascalu, zmienna i jest zadeklarowana trzykrotnie, w wierszach (4), (9) i (13), i program wykorzystuje tę nazwę niezależnie w procedurach czytajtab, podzial i quicksort. Deklaracja w wierszu (4) jest stosowana do zmiennej i w wierszu (6); Dwa wystąpienia i w wierszu (6) znajdują się w zakresie deklaracji z wiersza (4). Trzy wystąpienia i w wierszach (16)-(18) znajdują się w zakresie deklaracji z wiersza (13).

23 Zakres deklaracji Fragment programu, którego dana deklaracja dotyczy, jest zakresem tej deklaracji. Gdy deklaracja nazwy znajduje się wewnątrz procedury, a jej zakres zawiera się w procedurze, to nazwana jest ona lokalną, w przeciwnym wypadku nielokalną; Rozróżnienie między nazwami lokalnymi i nielokalnymi dotyczy wszystkich konstrukcji składniowych, które mogą zawierać deklaracje;

24 Zakres deklaracji Chociaż zakres jest własnością deklaracji nazw, często wygodniej jest mówić o zakresie zmiennej x zamiast o zakresie deklaracji nazwy x, która jest stosowana do tego wystąpienia ; Wtedy zakresem zmiennej i z wiersza (17) programu (1) jest treść quicksort; W trakcie kompilacji, tablica symboli może zostać użyta do znalezienia deklaracji dla konkretnego wystąpienia danej nazwy; Gdy deklaracja jest wczytywana, w tablicy symboli tworzony jest wpis; Tak długo, jak znajdujemy się w zakresie tej deklaracji, jej wpis jest zwracany, gdy ta nazwa jest poszukiwana w tablicy symboli.

25 Wiązanie nazw Nawet jeśli każda nazwa w programie jest zadeklarowana jednokrotnie, może ona oznaczać różne obiekty danych w czasie działania; Nieformalne określenie obiekt danych odpowiada miejscu w pamięci, które może przechowywać wartość; W semantyce języków programowania, określenie środowisko odnosi się do funkcji, która nazwie przyporządkowuje miejsce w pamięci, a określenie stan funkcji, która z kolei miejscu w pamięci przypisuje wartość tam przechowywaną;

26 Wiązanie nazw Środowiska i stany różnią się przypisanie zmienia stan, ale nie środowisko; Przykład - załóżmy, że adres pamięci 100, związany ze zmienną pi, przechowuje 0. Po przypisaniu pi:=3.14 ten t sam adres pamięci jest związany z pi,, lecz przechowywaną w nim wartością staje się 3.14; Gdy środowisko związuje adres pamięci s z nazwą x, mówi się, że x jest związane z s,, a sam związek jest wiązaniem x.. Określenie miejsce pamięci jest symboliczne, ponieważ jeśli x nie jest typem podstawowym, miejsce pamięci s dla x może stanowić wiele słów pamięci.

27 Wiązanie nazw Związanie jest dynamicznym odpowiednikiem deklaracji; Pojęcie statyczne definicja procedury deklaracja nazwy zakres deklaracji Odpowiednik dynamiczny aktywacje procedury wiązanie nazwy czas istnienia wiązania W tym samym czasie może istnieć wiele aktywacji pojedynczej procedury rekurencyjnej; W Pascalu nazwa zmiennej lokalnej jest przypisana do innego miejsca w pamięci w każdej aktywacji procedury.

28 Pojawiające się pytania Sposób, w jaki kompilator języka organizuje swoją pamięć i wiąże nazwy, w dużym stopniu zależy od odpowiedzi na następujące pytania: - Czy procedury mogą być rekurencyjne? - Co się dzieje z wartościami nazw lokalnych, gdy sterowanie powraca z aktywacji procedury? - Czy procedury mogą odwoływać się do zmiennych nielokalnych? - Jakie parametry są przekazywane w momencie wywołania procedur?

29 Pojawiające się pytania - cd Sposób, w jaki kompilator języka organizuje swoją pamięć i wiąże nazwy, w dużym stopniu zależy od odpowiedzi na następujące pytania: - Czy procedury mogą być przekazywane jako parametry? - Czy procedury mogą być zwracane jako rezultaty? - Czy pamięć może być przydzielana dynamicznie pod kontrolą programu? - Czy pamięć musi być zwalniana jawnie?

30 Podział pamięci w czasie wykonania Załóżmy, że kompilator otrzymuje blok pamięci od systemu operacyjnego w celu uruchomienia w nim skompilowanego programu; Pamięć w czasie wykonywania możemy podzielić na: - wygenerowany kod wynikowy; - obiekty danych; - odpowiednik stosu do przechowywania aktywacji procedur. Rozmiar wygenerowanego kodu jest ustalany w trakcie kompilacji, więc kompilator może umieścić go w obszarze wyznaczonym statycznie, na przykład na początku pamięci.

31 Podział pamięci w czasie wykonania Podobnie, rozmiar niektórych obiektów danych może być znany w czasie kompilacji i te obiekty również mogą zostać umieszczone w obszarze inicjowanym statycznie. (7)

32 Podział pamięci w czasie wykonania Jednym z powodów rezerwacji pamięci dla jak największej liczby obiektów danych jest możliwość wkompilowania konkretnych adresów tych obiektów w kod wynikowy; Wszystkie obiekty w Fortranie mogą być umieszczane w pamięci statycznie; Implementacje języków takich jak Pascal i C używają rozszerzeń stosu sterowania do zarządzania aktywacjami procedur; Gdy wykonywane jest wywołanie procedury, wykonanie aktywacji jest wstrzymywane i informacja o stanie maszyny, jak wartość licznika rozkazów i rejestry procesora, jest zapisywana na stosie.

33 Podział pamięci w czasie wykonania Gdy sterowanie powraca z wywołania, aktywacja może zostać wznowiona po przywróceniu właściwych wartości rejestrów i ustawieniu licznika rozkazów na miejsce bezpośrednio za wywołaniem; Miejsce na obiekty danych, których czasy istnienia są zawarte w czasie istnienia aktywacji, może zostać zarezerwowane na stosie, razem z innymi informacjami związanymi z aktywacją; Odrębny obszar pamięci w czasie wykonywania, zwany stertą,, przechowuje wszystkie pozostałe informacje;

34 Podział pamięci w czasie wykonania Pascal pozwala, aby pamięć dla danych była reprezentowana przez sam program; Pamięć na te dane jest pobierana ze sterty; Implementacje języków, w których czasy istnienia aktywacji nie mogą być reprezentowane przez drzewo aktywacji, mogą używać sterty do przechowywania informacji o tych aktywacjach; Kontrolowany sposób rezerwowania i zwalniania pamięci na stosie jest tańszy od takich operacji na stercie; Rozmiar stosu i sterty mogą zmieniać się w trakcie działania programu, więc na rys (7) mamy je umieszczone na przeciwnych krańcach pamięci, aby mogły łatwo zwiększać swój rozmiar.

35 Podział pamięci w czasie wykonania Zgodnie z konwencją stosy rosną w dól, to znaczy, że wierzchołek stosu znajduje się na dole strony; Ponieważ adresy pamięci rosną w czasie poruszania się w dół strony, wzrost w dół oznacza: przejście w kierunku wyższych adresów; Jeśli wskaźnik wierzchołek oznacza wierzchołek stosu, przesunięcia względem wierzchołka stosu mogą być obliczane przez odjęcie przesunięcia od wierzchołka; Na wielu maszynach obliczenia te mogą być wykonane wydajnie przez przechowywanie wartości wierzchołek w rejestrze; Adresy na stosie mogą zatem być reprezentowane jako przesunięcia względem wierzchołka.

36 Rekordy aktywacji Informacja potrzebna do pojedynczego wykonania procedury jest przechowywana w ciągłym bloku pamięci, zwanym rekordem aktywacji lub ramką, składającym się z pól.

37 Rekordy aktywacji Nie wszystkie języki ani kompilatory używają wszystkich tych pól; Często rejestry zawierają tylko niektóre z tych informacji; W językach takich jak Pascal lub C, rekord aktywacji procedury zwykle jest umieszczany na stosie sterowania, gdy procedura jest wywoływana, i zdejmowany ze stosu, gdy sterowanie powraca z jej wywołania;

38 Pola w rekordzie aktywacji Przeznaczenia poszczególnych pól w rekordzie aktywacji są następujące: 1. W polu danych tymczasowych są przechowywane wartości tymczasowe, pojawiające się w trakcie obliczeń wyrażeń; 2. W polu danych lokalnych przechowuje się dane lokalne dla tego wykonania procedury; 3. W polu do zapamiętania stanu procesora przechowuje się informacje o nim bezpośrednio sprzed wywołania procedury. To pole zawiera wartości licznika rozkazów, rejestrów procesora, które powinny być przywrócone po powrocie z procedury;

39 Pola w rekordzie aktywacji -cd 4. Opcjonalne wiązanie dostępu jest używane do odwołania się do danych nielokalnych przetrzymywanych w innych rekordach aktywacji. Dla języków takich jak Fortran, wiązania dostępu nie są potrzebne, ponieważ wszystkie dane nielokalne są trzymane w stałym miejscu. Wiązania dostępu lub podobny mechanizm, nazywany tablicą display, są wykorzystywane w Pascalu; 5. Opcjonalne wiązanie sterowania wskazuje rekord aktywacji procedury wywołującej;

40 Pola w rekordzie aktywacji -cd 6. Pole z parametrami aktualnymi jest używane przez procedurę wywołującą do przekazania parametrów do wywoływanej procedury (na rys jest miejsce na parametry aktualne, lecz w praktyce w celu uzyskania większej wydajności parametry są przekazywane do rejestrów procesora); 7. Pole dla wartości zwracanej jest wykorzystywane przez wywoływaną procedurę do przekazywania rezultatu do procedury wywołującej. W praktyce, wartość ta jest zwracana w rejestrze, w celu uzyskania większej wydajności.

41 Rekord aktywacji Rozmiar wszystkich tych pól można wyznaczyć w czasie wywoływania procedury; W rzeczywistości, rozmiary prawie wszystkich pól można wyznaczyć w czasie kompilacji; Wyjątek stanowi procedura mająca tablice lokalne, których wielkość jest wyznaczana przez wartość parametru aktualnego, dostępnego dopiero wtedy, gdy procedura jest wywoływana w trakcie działania programu.

42 Koniec wykładu czternastego