Динамическая организация памяти
Динамическая организация памяти
Динамическая организация памяти - это организация памяти периода исполнения программы. Оперативная память программы обычно состоит из нескольких основных разделов: стек (магазин), куча, область статических данных (инициализированных и неинициализированных). Наиболее сложной является работа со стеком. Вообще говоря, стек периода исполнения необходим для программ не на всех языках программирования. Например, в ранних версиях Фортрана нет рекурсии, так что программа может исполняться без стека. С другой стороны, исполнение программы с рекурсией может быть реализовано и без стека (того же эффекта можно достичь, например, и с помощью списковых структур). Однако, для эффективной реализации пользуются стеком, который, как правило, поддерживается на уровне машинных команд.
Рассмотрим схему организации магазина периода выполнения для простейшего случая (как, например, в языке Паскаль), когда все переменные в магазине (фактические параметры и локальные переменные) имеют известные при трансляции смещения. Магазин служит для хранения локальных переменных (и параметров) и обращения к ним в языках, допускающих рекурсивные вызовы процедур. Еще одной задачей, которую необходимо решать при трансляции языков с блочной структурой - обеспечение реализации механизмов статической вложенности. Пусть имеется следующий фрагмент программы на Паскале:
|
procedure P1;
var V1;
procedure P2;
var V2;
begin
...
P2;
V1:=...
V2:=...
...
end;
begin
...
P2;
...
end;
|
В процессе выполнения этой программы, находясь в процедуре P2, мы должны иметь доступ к последнему экземпляру значений переменных процедуры P2 и к экземпляру значений переменных процедуры P1, из которой была вызвана P2. Кроме того, необходимо обеспечить восстановление состояния программы при завершении выполнения процедуры.
Мы рассмотрим две возможные схемы динамической организации памяти: схему со статической цепочкой и с дисплеем в памяти. В первом случае все статические контексты связаны в список, который называется статической цепочкой; в каждой записи для процедуры в магазине хранится указатель на запись статически охватывающей процедуры (помимо, конечно, указателя динамической цепочки - указателя на «базу» динамически предыдущей процедуры). Во втором случае для хранения ссылок на статические контексты используется массив, называемый дисплеем. Использование той или иной схемы определяется, помимо прочих условий, прежде всего числом адресных регистров.
9.2.1 Организация магазина со статической цепочкой
Итак, в случае статической цепочки магазин организован, как это изображено на рис. 9.1.
Таким образом, на запись текущей процедуры в магазине указывает регистр BP (Base Pointer), с которого начинается динамическая цепочка. На статическую цепочку указывает регистр LP (Link Pointer). В качестве регистров BP и LP в различных системах команд могут использоваться универсальные, адресные или специальные регистры. Локальные переменные отсчитываются от регистра BP вверх, фактические параметры - вниз с учетом памяти, занятой точкой возврата и самим сохраненным регистром BP.
Вызов подпрограмм различного статического уровня производится несколько по-разному. При вызове подпрограммы того же статического уровня, что и вызывающая подпрограмма (например, рекурсивный вызов той же самой подпрограммы), выполняются следующие команды:
|
Занесение фактических параметров в магазин
JSR A
|
Команда JSR A продвигает указатель SP, заносит PC на верхушку магазина и осуществляет переход по адресу A. После выполнения этих команд состояние магазина становится таким, как это изображено на рис. 9.2. Занесение BP, отведение локальных, сохранение регистров делает вызываемая подпрограмма (см. ниже).
При вызове локальной подпрограммы необходимо установить указатель статического уровня на текущую подпрограмму, а при выходе - восстановить его на старое значение (охватывающей текущую). Для этого исполняются следующие команды:
|
Занесение фактических параметров в магазин
MOVE BP, LP
SUB Delta, LP
JSR A
|
Здесь Delta - размер локальных вызывающей подпрограммы плюс двойная длина слова. Магазин после этого принимает состояние, изображенное на рис. 9.3. Предполагается, что регистр LP уже сохранен среди сохраняемых регистров, причем самым первым (сразу после локальных переменных).
После выхода из подпрограммы в вызывающей подпрограмме выполняется команда
которая восстанавливает старое значение статической цепочки. Если выход осуществлялся из подпрограммы 1-го уровня, эту команду выполнять не надо, поскольку для 1-го уровня нет статической цепочки.
При вызове подпрограммы меньшего, чем вызывающая, уровня выполняются следующие команды:
|
Занесение фактических параметров в магазин
MOVE (LP), LP /* столько раз, какова разность
уровней вызывающей и вызываемой ПП */
JSR A
|
Тем самым устанавливается статический уровень вызываемой подпрограммы. После выхода из подпрограммы выполняется команда
восстанавливающая статический уровень вызывающей подпрограммы.
Тело подпрограммы начинается со следующих команд:
|
LINK BP , -размер_локальных
MOVEM -(SP)
|
Команда LINK BP, размер_локальных эквивалентна трем командам:
|
MOVE BP, -(SP)
MOVE SP, BP
ADD -размер_локальных, SP
|
Команда MOVEM сохраняет в магазине регистры.
В результате выполнения этих команд магазин приобретает вид, изображенный на рис. 9.1.
Выход из подпрограммы осуществляется следующей последовательностью команд:
|
MOVEM (SP)+
UNLK BP
RTD размер_фактических
|
Команда MOVEM восстанавливает регистры из магазина. Команда UNLK BP эквивалентна такой последовательности команд:
|
MOVE BP,SP
MOVE (SP),BP
ADD #4, SP /* 4 - размер слова */
|
Команда RTD размер_фактических, в свою очередь, эквивалентна последовательности
|
ADD размер_фактических+4, SP
JMP -размер_фактических-4(SP)
|
После ее выполнения магазин восстанавливается до состояния, которое было до вызова.
В зависимости от наличия локальных переменных, фактических параметров и необходимости сохранения регистров каждая из этих команд может отсутствовать.
9.2.2 Организация магазина с дисплеем
Рассмотрим теперь организацию магазина с дисплеем. Дисплей - это массив (DISPLAY) , i-й элемент которого представляет собой указатель на область активации последней вызванной подпрограммы i-го статического уровня. Доступ к переменным самой внутренней подпрограммы осуществляется через регистр BP. Дисплей может быть реализован либо через регистры (если их достаточно), либо через массив в памяти.
При вызове процедуры следующего (по отношению к вызывающей) уровня в дисплее отводится очередной элемент. Если вызывающая процедура имеет статический уровень i, то при вызове процедуры уровня j i элементы дисплея j, ..., i должны быть скопированы (обычно в стек вызывающей процедуры), текущим уровнем становится j и в DISPLAY[j] заносится указатель на область активации вызываемой процедуры. По окончании работы вызываемой процедуры содержимое дисплея восстанавливается из стека.
Иногда используется комбинированная схема - дисплей в магазине. Дисплей хранится в области активации каждой процедуры. Формирование дисплея для процедуры осуществляется в соответствии с правилами, описанными выше.
Отдельного рассмотрения требует вопрос о технике передачи фактических параметров. Конечно, в случае простых параметров (например, чисел) проблем не возникает. Однако передача массивов по значению - операция довольно дорогая, поэтому с точки зрения экономии памяти целесообразнее сначала в подпрограмму передать адрес массива, а затем уже из подпрограммы по адресу передать в магазин сам массив. В связи с передачей параметров следует упомянуть еще одно обстоятельство.
Рассмотренная схема организации магазина допустима только для языков со статически известными размерами фактических параметров. Однако, например, в языке Модула-2 по значению может быть передан гибкий массив, и в этом случае нельзя статически распределить память для параметров. Обычно в таких случаях заводят так называемый «паспорт» массива, в котором хранится вся необходимая информация, а сам массив размещается в магазине в рабочей области выше сохраненных регистров.
Динамическая организация памяти