Файл: Отчеты оформляются в виде файлов формата Microsoft Word (файлы других форматов не принимаются), размер шрифта 1214.docx

Будем считать, что для исполнения программы операционная системы компьютера выделяет один связный блок элементов памяти. Способ выделения этого блока (будем называть его памятью задачи) и его отображения на физическую память компьютера может быть различен для разных операционных систем и тем более – для разных аппаратных платформ. Если программа запускается неоднократно, то вполне вероятно, что при разных запусках место расположения памяти задачи в физической памяти компьютера будет различным. Ясно, что в этих условиях транслятору не может быть известно будущее местоположение программы в памяти. Известными могут быть:

• 
  максимально возможный размер памяти задачи;
  
• 
  ограничения на использование некоторых фрагментов этой памяти, занятых модулями поддержки периода исполнения;
  
• 
  аппаратные особенности (направление роста аппаратного стека, количество байт, извлекаемых из памяти за одно обращение и, соответственно, рекомендации по выравниванию объектов, и т.д.).
  

Некоторые возможные варианты внутреннего устройства памяти задачи для разных программно-аппаратных платформ представлены на рис. 8.5 (предполагается, что адреса памяти возрастают по направлению сверху вниз).

Здесь под функциями понимается совокупность исполняемых инструкций, под областью подгрузки – фрагмент памяти, выделенный для динамически подгружаемых в процессе исполнения программы библиотек (тоже совокупностей функций), под кучей – специально организованная область памяти, блоки которой выделяются/освобождаются динамически по явным запросам из программы. Статические данные – совокупность объектов, существующих в течение всего времени работы программы (в некоторых языках в явном виде возможность использования статических данных может отсутствовать). Аппаратно реализуемый стек используется многопланово. В частности, именно в стеке, как правило, размещаются локальные данные функций.

Функции и статические данные Куча Свободная память Стек а

Функции Статические данные Стек Свободная память Куча б

Статические данные Функции Область подгрузки Куча Свободная память Стек в

---

Рис. 8.5. Варианты размещения совокупностей объектов в памяти задачи
Организация памяти образа задачи, представленная на рис. 8.5 (все варианты), предполагает, что память времени исполнения состоит из единого непрерывного блока, выделенного программе при запуске. При этом суммарный размер стека и кучи, обычно растущих навстречу друг другу в процессе исполнения программы, должен быть достаточно большим, чтобы эти две области никогда не пересекались. Столкновение границ стека и кучи (т.е. пересечение этих областей) обычно приводит к аварийному завершению программы, поскольку для ее выполнения оказалось недостаточно отведенной системой памяти. Для обнаружения такой ситуации предусматриваются программные и/или аппаратные средства контроля значений границ стека и кучи.

В этих условиях при трансляции логично и естественно считать, что адресация памяти задачи для транслятора начинается с нуля и что процессор компьютера обеспечивает эффективное отображение такой памяти на любой предоставленный операционной системой блок. Именно на такие потребности запуска и исполнения программ и ориентированы базируемые и индексируемые способы адресации памяти современных процессоров, обеспечивающие «на лету» модификацию адресов, сформированных трансляторами, в реальные адреса памяти. Заметим, что термин «реальные» здесь относится только к адресам памяти внутри образа выполняемой программы. Фактическая система адресации памяти может быть значительно сложнее и предусматривать страничную, сегментную либо странично-сегментную организацию виртуальной памяти, при которой последовательно расположенным областям (страницам или сегментам) образа памяти ставятся в соответствие участки физической памяти компьютера, выделяемые операционной системой по мере необходимости и возможности. При этом отнюдь не обязательно весь образ программы в течение всего времени ее исполнения присутствует в оперативной памяти. Делается это «прозрачным» для исполняемых программ образом и поэтому на логику работы трансляторов влияния не оказывает.

В том случае, когда язык программирования сконструирован для совместной трансляции, компилятор может распоряжаться всеми известными ему в пределах памяти задачи свободными участками по собственному усмотрению (естественно, с учетом ограничений и особенностей аппаратной платформы) для размещения всей совокупности объектов программы: функций и обрабатываемых ими данных. Задачи компилятора при раздельной трансляции могут показаться несколько более сложными в связи с тем, что в этом случае ему уже не может быть известным будущее размещение транслируемых частей единой программы внутри памяти задачи.

---

В действительности все сложности по размещению раздельно транслируемых частей программы в одной линейно организованной памяти задачи выпадают на долю других компонент программного обеспечения: либо редактора связей (другие названия: линковщик, компоновщик, сборщик, …), либо загрузчика операционной системы. Компилятор же, как и в случае совместной трансляции, обеспечивает размещение объектов транслируемых частей программы в линейном образе памяти.

Отметим, что размеры сгенерированных при трансляции последовательностей инструкций каждой функции становятся известны во время компиляции, так что компилятор может разместить их в образе памяти задачи при генерации объектного кода. Под размещением здесь пока что понимается просто связывание инструкций и адресов элементов памяти задачи, отводимых компилятором для хранения этих инструкций.

Аналогично инструкциям формируются и связываются с памятью и такие объекты данных, которые должны в единственном экземпляре существовать в течение всего периода исполнения программы. Совокупность таких объектов названа статическими данными. Одной из причин стремления к статическому выделению памяти для как можно большего количества объектов данных является то, что адреса этих объектов могут быть использованы прямо при компиляции для формирования использующих эти объекты инструкций. Ниже мы увидим, что для преобразования операторов исходной программы, работающих не со статическими объектами, в инструкции целевой машины приходится формировать дополнительные структуры данных и специальные последовательности машинных команд для их создания и обработки. Это приводит к появлению накладных расходов как памяти, так и затрат процессорного времени при исполнении программы. В некоторых языках, в частности в языке Fortran, память для всех объектов данных может быть выделена статически, т.е. доля таких накладных расходов равна нулю. Однако цена этого «преимущества» – запрет рекурсивных вызовов функции – может оказаться слишком большой.

В тех языках, которые предполагают возможность рекурсивных вызовов функций, неизбежно появляются и не статические данные – локальные данные активаций функций и некоторые другие объекты, необходимые для реализации доступа из функций к не принадлежащим им данным. Понятие активации функции необходимо рассмотреть во всех деталях.

6. 
   Активация функции
   

---

Активацией функции называется процесс ее выполнения в результате одного конкретного вызова. Этот процесс включает следующие действия (возможно, не все из перечисленных ниже и не обязательно выполняемые в приведенном порядке):

1. 
   Формирование адреса точки входа в вызываемую функцию (в том случае, если функция является частью динамически загружаемой библиотеки и этой библиотеки еще нет в памяти выполняемой программы, может выполняться предварительное обращение к операционной системе с целью ее подгрузки).
   
2. 
   Формирование значений, которые должна обработать вызываемая функция, – фактических параметров. Обеспечение доступности этих значений для инструкций вызываемой функции.
   
3. 
   Формирование и сохранение адреса возврата – адреса той инструкции вызывающей функции, которая должна получить управление в момент завершения выполнения вызываемой функции.
   
4. 
   Обеспечение возможности доступа к значениям локальных объектов текущей активации вызывающей функции (и, возможно, функций, находящихся еще раньше в цепочке вызовов) из вызываемой функции, если такая возможность предусмотрена языком программирования.
   
5. 
   Сохранение содержимого регистров процессора, необходимых для восстановления правильного выполнения текущей активации вызывающей функции.
   
6. 
   Собственно вызов функции, т.е. передача управления в ее точку входа.
   
7. 
   Создание локальных объектов (выделение памяти для их размещения).
   
8. 
   Выполнение функции, т.е. обработка значений фактических параметров, протекающая путем:
   

• 
  формирования и использования значений локальных объектов текущей активации;
  
• 
  формирования и последующего использования результатов промежуточных вычислений;
  
• 
  использования/модификации локальных объектов других существующих активаций этой же или других функции;
  
• 
  использования/модификации значений статических данных программы.
  

9. 
   Формирование результата – значения, возвращаемого из функции. Обеспечение доступности этого значения для инструкций вызывающей функции (как правило, только для той инструкции, к которой возвращается управление и которая должна обработать или сохранить результат вызова).
   
10. 
    Уничтожение объектов, созданных исключительно для выполнения данной активации функции.
    
11. 
    Восстановление содержимого ранее сохраненных регистров.
    
12. 
    Возврат из функции – передача управления в ту точку вызывающей функции, адрес которой сформирован на шаге 3.
    

---

Заметим, что в тексте исходной программы (имеются в виду, естественно, языки высокого уровня) в явном виде обычно присутствует только вызов функции и ее описание (определение типов параметров и типа возвращаемого значения) или объявление – то же самое описание, за которым следует тело. Все вышеперечисленные действия подразумеваются, но явно не указываются. Задача транслятора – обеспечить выполнение этих действий. От того, каким образом будут реализовываться эти действия в процессе исполнения программы, зависит и то, как должны выполняться семантические проверки во время трансляции.

Некоторые из описанных выше действий (например, 1–3, 6) могут быть выполнены только инструкциями вызывающей функции. В свою очередь, действия 8, 9, 12 могут быть выполнены только инструкциями вызываемой функции. Остальные действия (4, 5, 7, 10, 11) в принципе могут выполняться инструкциями как вызывающей, так и вызываемой функций. В разных языках (и даже в разных реализациях одного и того же языка) могут приниматься различные решения по отнесению этих действий к вызывающей или вызываемой функции.

7. 
   Запись активации функции
   

Все данные, необходимые только для однократного исполнения функции, обычно размещаются в одном связном блоке памяти и называются записью активации. Запись активации может содержать следующие поля (все или только часть – определяется свойствами языка, его реализации и текущими условиями) (рис. 8.6):

Локальные данные

Результаты промежуточных вычислений

Регистры процессора

Связь по доступу (необязательная)

Связь по управлению (необязательная)

Фактические параметры

Возвращаемое значение

Рис. 8.6. Состав записи активации функции
Для последующего рассмотрения важно знать, в какой момент и каким образом может быть определен размер всей записи активации в целом, а следовательно, размер каждого из ее полей. Поэтому кратко рассмотрим назначение и, соответственно, способ формирования содержимого записи активации.

1. 
   
   1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

---