Файл: СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ (Структура современной системы программирования).pdf

1.4. Загрузчики и отладчики

Большинство объектных модулей в современных системах программирования строятся на основе так называемых относительных адресов. Компилятор, порождающий объектные файлы, а затем и компоновщик, объединяющий их в единое целое, не могут знать точно, в какой реальной области памяти компьютера будет располагаться программа в момент ее выполнения. Поэтому они работают не с реальными адресами ячеек ОЗУ, а с некоторыми относительными адресами. Такие адреса отсчитываются от некоторой условной точки, принятой за начало области памяти, занимаемой результирующей программой (обычно это точка начала первого модуля программы).

Конечно, ни одна программа не может быть исполнена в этих относительных адресах. Поэтому требуется модуль, который бы выполнял преобразование относительных адресов в реальные (абсолютные) адреса непосредственно в момент запуска программы на выполнение. Этот процесс называется трансляцией адресов и выполняет его специальный модуль, называемый загрузчиком.

Однако загрузчик не всегда является составной частью системы программирования, поскольку выполняемые им функции очень зависят от архитектуры вычислительной системы, в которой выполняется результирующая программа, созданная системой программирования С развитием архитектуры вычислительных средств компьютера появилась возможность выполнять трансляцию адресов непосредственно в момент запуска программы на выполнение. Для этого потребовалось в состав исполняемого файла включить соответствующую таблицу, содержащую перечень ссылок на адреса, которые необходимо подвергнуть трансляции. В момент запуска исполняемого файла ОС обрабатывала эту таблицу и преобразовывала относительные адреса в абсолютные. Такая схема, например, характерна для ОС типа MS-DOS. В этой схеме модуль загрузчика как таковой отсутствует (фактически он входит в состав ОС), а система программирования ответственна только за подготовку таблицы транс­ляции адресов – эту функцию выполняет компоновщик.

В современных ОС существуют сложные методы преобразования адресов, которые работают непосредственно уже во время выполнения программы. Эти ме­тоды основаны на возможностях, заложенных в архитектуру вычис­лительных комплексов. Методы трансляции адресов могут быть основаны на сегментной, страничной и сегментно-страничной организации памяти Тогда для выполнена трансляции адресов в момент запуска программы должны быть подготовлены соответствующие системные таблицы. Эти функции целиком ложатся на ОС, поэтому они не выполняются в системах программирования.

Еще одним модулем системы программирования, функции которого тесно связаны с выполнением программы, является отладчик.

Отладчик – это программный модуль, который позволяет выполнить основные задачи, связанные с мониторингом процесса выполнения результирующей прикладной программы. Этот процесс называется отладкой и включает в себя следующие основные возможности:

• последовательное пошаговое выполнение результирующей программы на основе шагов по машинным командам или по операторам входного языка;
• выполнение результирующей программы до достижения ею одной из задан­ных точек останова (адресов останова);
• выполнение результирующей программы до наступления некоторых заданных условий, связанных с данными и адресами, обрабатываемыми этой програм­мой;
• просмотр содержимого областей памяти, занятых командами или данными результирующей программы.

Первоначально отладчики представляли собой отдельные программные модули, которые могли обрабатывать результирующую программу в терминах языка ма­шинных команд. Их возможности в основном сводились к моделированию выполнения результирующих программ в архитектуре соответствующей вычислительной системы. Выполнение могло идти непрерывно либо по шагам.

Дальнейшее развитие отладчиков связано со следующими принципиальными моментами:

• возникновением интегрированных сред разработки;
• появлением возможностей аппаратной поддержки средств отладки во многих вычислительных системах.

Первый из этих шагов дал возможность разработчикам программ работать не в терминах машинных команд, а в терминах исходного языка программирова­ния, что значительно сократило трудозатраты на отладку программного обеспечения. При этом отладчики перестали быть отдельными модулями и стали интегрированной частью систем программирования, поскольку они должны были теперь поддерживать работу с таблицами идентификаторов и выполнять задачу, обратную идентификации лексических единиц языка. Это связано с тем, что в такой среде отладка программы идет в терминах имен, данных поль­зователем, а не в терминах внутренних имен, присвоенных компилятором. Со­ответствующие изменения потребовались также в функциях компиляторов и компоновщиков, поскольку они должны были включать таблицу имен в состав объектных и исполняемых файлов для ее обработки отладчиком.

Второй шаг позволил значительно расширить возможности средств отладки. Теперь для них не требовалось моделировать работу и архитектуру соответст­вующей вычислительной системы. Выполнение результирующей программы в режиме отладки стало возможным в той же среде, что и в обычном режиме. В задачу отладчика входили только функции перевода вычислительной системы в соответствующий режим перед запуском результирующей программы на отладку. Во многом эти функции являются приоритетными, поскольку зачастую тре­буют установки системных таблиц и флагов процессора вычислительной систе­мы.

Отладчики в современных системах программирования представляют собой модули с развитым интерфейсом пользователя, работающие непосредственно с текстом и модулями исходной программы. Многие их функции интегрированы с функциями текстовых редакторов исходных текстов, входящих в состав систем программирования.

1.5. Библиотеки подпрограмм

Библиотеки подпрограмм составляют существенную часть систем программиро­вания. Наряду с дружественностью пользовательского интерфейса состав доступных библиотек подпрограмм во многом определяет возможности системы программирования и ее позиции на рынке средств разработки программного обеспечения.

Библиотеки подпрограмм состоят из двух основных компонентов. Это собственно файл (или множество файлов) библиотеки, содержащий объектный код, и набор файлов описаний функций, под­программ, констант и переменных, составляющих библиотеку. Описания оформляются на соответствующем входном языке. Иногда эти файлы могут быть совмещены.

Объектный код библиотеки подключается компоновщиком к результирующей программе при создании исполняемого модуля. По структуре он обычно мало чем отличается от обычных объектных файлов, порождаемых компилятором. Чаще всего система программирования хранит объектный код входящих в ее со­став библиотек в некотором упакованном виде.

Набор файлов описания библиотеки служит для информирования компилятора о составе входящих в библиотеку функций. Обрабатывая эти файлы, компилятор получает всю необходимую информацию о составе библиотеки с точки зрения входного языка программирования. Эти файлы предназначены только для того, чтобы избавить разработчика от необходимости постоянного описания биб­лиотечных функций, подпрограмм, констант и переменных.

В состав системы программирования может входить большое количество разнообразных библиотек. Среди них всегда можно выделить основную библиотеку, содержащую обязательные функции входного языка программирования. Эта библиотека всегда используется компилятором, поскольку без нее разработка программ на данном входном языке невозможна. Разработчик даже не должен указывать необходимость использования этой библиотеки (некоторые разработчики программ и не догадываются, что пользуются подобной библиотекой). Все остальные библиотеки необязательны и подключаются к результирующей программе только по прямому указанию разработчика.

Современные ОС позволяют подключать к результирующим программам не статические, а динамические библиотеки.

Динамические библиотеки в отличие от традиционных (статических) библио­тек подключаются к программе не в момент ее компоновки, а непосредственно в ходе выполнения, как только программа затребовала ту или иную функцию, находящуюся в библиотеки. Преимущества таких библиотек очевидны – они не требуют включать в программу объектный код часто используемых функций, чем существенно сокращают объем кода. Различные программы, выполняемые в ОС, могут пользоваться кодом одной и той же библиотеки, содержащейся в данной ОС.

Формат файлов динамических библиотек может быть различным - как правило, он строго определяется требованиями соответствующей ОС. Как и статические библиотеки, динамические библиотеки предусматривают описание входящих в них функций в виде текста на соответствующем входном языке, чтобы дать информацию о них компилятору в ходе обработки исходного текста про­граммы и избавить разработчика от создания таких описаний.

Конечно, динамические библиотеки требуют наличия в ОС специального меха­низма, позволяющего подключать часть объектного кода непосредственно по ходу выполнения программы. Однако для современных ОС, выполняющихся в вычислительных системах, которые поддерживают широкий набор методов адресации, это не является проблемой Проблемы, главным образом, связаны с тем, что различные прикладные про­граммы связываются с объектным кодом, непосредственно не входящим в их состав. Таким образом, логика (алгоритм) работы всех этих программы становится зависимой от кода библиотек. Изменение библиотеки, которое может происходить независимо от разработчиков прикладных программ, может непроизвольно повлиять и на функционирование данных программ. Такое развитие событий порой оказывается неожиданным для пользователя программ.

Поэтому использование динамических библиотек накладывает определенные обя­зательства как на разработчика программы, так и на создателя самой библиотеки. Разработчик прикладной программы должен использовать библиотеку только так, как это определено ее создателем, а создатель библиотеки в случае ее модификации должен организовывать изменения таким образом, чтобы они не сказывались на логике работы программ, ориентированных на предыдущие версии его библиотеки. Подавляющее большинство разработчиков (как программ, так и библиотек) стремится придерживаться этих правил, но не всегда им это удается.

Широкий набор динамических библиотек поддерживается всеми современными ОС. Как правило, они содержат системные функции ОС и общедоступные функции программного интерфейса (API).

1.6. Лексический анализ «на лету». Система подсказок и справок

Лексический анализ «на лету» – это функция текстового редактора в с. системы программирования. Она заключается в поиске и выделении лексем важного языка в тексте программы непосредственно в процессе ее создания разработчиком.

Реализуется это следующим образом: разработчик создает исходный тек граммы (набирает его или получает из некоторого другого источника), и время система программирования параллельно выполняет поиск лексем в этом тексте.

В простейшем случае обнаруженные лексемы просто выделяются в тексте с помощью графических средств интерфейса текстового редактора – цветом, шрифтом и т. п. Это облегчает труд разработчика программы, делает исходный текст более наглядным и способствует обнаружению ошибок на самом раннем этапе - на этапе подготовки исходного кода.

В более развитых системах программирования найденные лексемы не просто выделяются по ходу подготовки исходного текста, но и помещаются в таблицу идентификаторов компилятора, входящего в состав системы программирования. Такой подход позволяет экономить время на этапе компиляции, поскольку первая ее фаза – лексический анализ – уже выполнена на этапе подготовки исходного текста программы.

Следующей сервисной возможностью, предоставляемой разработчику системой программирования за счет лексического анализа «на лету», является возможность обращения разработчика к таблице идентификаторов в ходе подготовки исходного текста программы. Разработчик может дать компилятору команду найти нужную ему лексему в таблице. Поиск может выполняться по типу или по какой-то части информации лексемы (например, по нескольким первым буквам). Причем поиск может быть контекстно-зависимым – система программирования предоставит разработчику возможность найти лексему именно того типа, который может быть использован в данном месте исходного текста. Кроме самой лексемы разработчику может быть предоставлена некоторая информация о ней — например, типы и состав формальных параметров для функции, перечень доступных методов для типа или экземпляра класса. Это опять же облегчает труд разработчика, поскольку избавляет его от необходимости помнить состав функций и типов многих модулей (прежде всего, библиотечных) или обращаться лишний раз к документации и справочной информации.