运行时存储空间的组织和管理教材1

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1、第六章 运行时存储空间的组织和管理,术语 过程的活动 过程的一次执行称为过程的一次活动 活动记录 过程的活动需要可执行代码和存放所需信息的存储空间,后者称为活动记录 本章内容 讨论一个活动记录中的数据布局 程序执行过程中，所有活动记录的组织方式,第六章 运行时存储空间的组织和管理,影响存储分配策略的语言特征 过程能否递归 当控制从过程的活动返回时，局部变量的值是否要保留 过程能否访问非局部变量 过程调用的参数传递方式 过程能否作为参数被传递 过程能否作为结果值传递 存储块能否在程序控制下动态地分配 存储块是否必须显式地释放,6.1 局部存储分配,6.1.1 过程 语言概念： 过程定义、过程调用

2、、形式参数、实在参数、活动的生存期,6.1 局部存储分配,6.1.2 名字的作用域和绑定 1、名字的作用域 一个声明起作用的程序部分称为该声明的作用域 即使一个名字在程序中只声明一次，该名字在程序运行时也可能表示不同的数据对象,6.1 局部存储分配,2、环境和状态 环境把名字映射到左值，而状态把左值映射到右值（即名字到值有两步映射） 赋值改变状态，但不改变环境 过程调用改变环境 如果环境将名字x映射到存储单元s，则说x被绑定到s,6.1 局部存储分配,3、静态概念和动态概念的对应,6.1 局部存储分配,3、静态概念和动态概念的对应,6.1 局部存储分配,3、静态概念和动态概念的对应,6.1 局

3、部存储分配,6.1.3 活动记录 活动记录的常见布局,6.1 局部存储分配,6.1.4 局部数据的布局 字节是可编址内存的最小单位 变量所需的存储空间可以根据其类型而静态确定 一个过程所声明的局部变量，按这些变量声明时出现的次序，在局部数据域中依次分配空间 局部数据的地址可以用相对于某个位置的地址来表示 数据对象的存储布局还有一个对齐问题,6.1 局部存储分配,例 在SPARC/Solaris工作站上下面两个结构体的size分别是24和16，为什么不一样？ typedef struct _a typedef struct _b char c1; char c1; long i; char c2

4、; char c2; long i; double f; double f; a; b; 对齐：char : 1, long : 4, double : 8,6.1 局部存储分配,例 在SPARC/Solaris工作站上下面两个结构体的size分别是24和16，为什么不一样？ typedef struct _a typedef struct _b char c1; 0 char c1; 0 long i; 4 char c2; 1 char c2; 8 long i; 4 double f; 16 double f; 8 a; b; 对齐：char : 1, long : 4, double

5、: 8,6.1 局部存储分配,例 在X86/Linux机器的结果和SPARC/Solaris工作站不一样，是20和16。 typedef struct _a typedef struct _b char c1; 0 char c1; 0 long i; 4 char c2; 1 char c2; 8 long i; 4 double f; 12 double f; 8 a; b; 对齐：char : 1, long : 4, double : 4,6.1 局部存储分配,6.1.5 程序块 本身含有局部变量声明的语句 可以嵌套 最接近的嵌套作用域规则 并列程序块不会同时活跃 并列程序块的变量可以

6、重叠分配,6.1 局部存储分配,main() / 例 / / begin of B0 / int a = 0; int b = 0; / begin of B1 / int b = 1; / begin of B2 / int a = 2; / end of B2 / / begin of B3 / int b = 3; / end of B3 / / end of B1 / / end of B0 /,6.2 全局栈式存储分配,本节介绍 介绍程序运行时所需的各个活动记录在存储空间的分配策略 描述过程的目标代码怎样访问绑定到局部名字的存储单元 介绍三种分配策略 静态分配策略 栈式分配策略 堆式

7、分配策略,6.2 全局栈式存储分配,6.2.1 运行时内存的划分,6.2 全局栈式存储分配,1、静态分配 名字在程序被编译时绑定到存储单元，不需要运行时的任何支持 绑定的生存期是程序的整个运行期间,6.2 全局栈式存储分配,2、静态分配给语言带来限制 递归过程不被允许 数据对象的长度和它在内存中位置的限制，必须是在编译时可以知道的 数据结构不能动态建立,6.2 全局栈式存储分配,例 C程序的外部变量、静态局部变量以及程序中出现的常量都可以静态分配 声明在函数外面 外部变量 静态分配 静态外部变量 静态分配 声明在函数里面 静态局部变量 也是静态分配 自动变量 不能静态分配,6.2 全局栈式存储

8、分配,6.2.2 活动树和运行栈 1、活动树 用树来描绘控制进入和离开活动的方式,6.2 全局栈式存储分配,活动树的特点 每个结点代表某过程的一个活动 根结点代表主程序的活动 结点a是结点b的父结点，当且仅当控制流从a的活动进入b的活动 结点a处于结点b的左边，当且仅当a的生存期先于b的生存期,6.2 全局栈式存储分配,当前活跃着的过程活动可以保存在一个栈中 例 控制栈的内容：m, q (1, 9), q (1, 3), q (2, 3),6.2 全局栈式存储分配,2、运行栈：把控制栈中的信息拓广到包括过程活动所需的所有局部信息（即活动记录）,6.2 全局栈式存储分配,2、运行栈：把控制栈中的

9、信息拓广到包括过程活动所需的所有局部信息（即活动记录）,m,6.2 全局栈式存储分配,2、运行栈：把控制栈中的信息拓广到包括过程活动所需的所有局部信息（即活动记录）,6.2 全局栈式存储分配,2、运行栈：把控制栈中的信息拓广到包括过程活动所需的所有局部信息（即活动记录）,6.2 全局栈式存储分配,2、运行栈：把控制栈中的信息拓广到包括过程活动所需的所有局部信息（即活动记录）,6.2 全局栈式存储分配,6.2.3 调用序列 过程调用和过程返回都需要执行一些代码来管理活动记录栈，保存或恢复机器状态等 过程调用序列 过程调用时执行的分配活动记录，把信息填入它的域中的代码 过程返回序列 过程返回时执行

10、的恢复机器状态，释放活动记录，使调用过程能够继续执行的代码 调用序列和返回序列常常都分成两部分，分处于调用过程和被调用过程中,6.2 全局栈式存储分配,即使是同一种语言，过程调用序列、返回序列和活动记录中各域的排放次序，也会因实现而异 设计这些序列和活动记录 的一些原则 以活动记录中间的某个 位置作为基地址 长度能较早确定的域放在 活动记录的中间,6.2 全局栈式存储分配,即使是同一种语言，过程调用序列、返回序列和活动记录中各域的排放次序，也会因实现而异 设计这些序列和活动记录 的一些原则 一般把临时数据域放在 局部数据域的后面 把参数域和可能有的返回 值域放在紧靠调用者活动 记录的地方,6.

11、2 全局栈式存储分配,即使是同一种语言，过程调用序列、返回序列和活动记录中各域的排放次序，也会因实现而异 设计这些序列和活动记录 的一些原则 用同样的代码来执行各个 活动的保存和恢复,6.2 全局栈式存储分配,1、过程p调用过程q的调用序列,6.2 全局栈式存储分配,1、过程p调用过程q的调用序列,(1) p计算实参，依次放入栈顶，并在栈顶留出放返回值的空间。top_sp的值在此过程中被改变,6.2 全局栈式存储分配,1、过程p调用过程q的调用序列,(2) p把返回地址和当前base_sp的值存入q的活动记录中，建立q的访问链，增加base_sp的值,6.2 全局栈式存储分配,1、过程p调用过

12、程q的调用序列,(3) q保存寄存器的值和其它机器状态信息,6.2 全局栈式存储分配,1、过程p调用过程q的调用序列,(4) q根据局部数据域和临时数据域的大小增加top_sp的值，初始化它的局部数据，并开始执行过程体,6.2 全局栈式存储分配,调用者p和被调用者q之间的任务划分,6.2 全局栈式存储分配,2、过程p调用过程q的返回序列,6.2 全局栈式存储分配,2、过程p调用过程q的返回序列,(1) q把返回值置入邻近p的活动记录的地方 参数个数可变场合难以确定存放返回值的位置，因此通常用寄存器传递返回值,6.2 全局栈式存储分配,2、过程p调用过程q的返回序列,(2) q对应调用序列的步骤

13、(4)，减小top_sp的值,6.2 全局栈式存储分配,2、过程p调用过程q的返回序列,(3) q恢复寄存器(包括base_sp)和机器状态，返回p,6.2 全局栈式存储分配,2、过程p调用过程q的返回序列,(4) p根据参数个数与类型和返回值类型调整top_sp，然后取出返回值,6.2 全局栈式存储分配,3、过程的参数个数可变的情况,(1) 函数返回值改成用寄存器传递,6.2 全局栈式存储分配,3、过程的参数个数可变的情况,(2) 编译器产生将实参表达式逆序计算并将结果进栈的代码 自上而下依次是参数1, , 参数n,6.2 全局栈式存储分配,3、过程的参数个数可变的情况,(3) 被调用函数能

14、准确地知道第一个参数的位置,6.2 全局栈式存储分配,3、过程的参数个数可变的情况,(4) 被调用函数根据第一个参数到栈中取第二、第三个参数等等,6.2 全局栈式存储分配,6.2.4 栈上可变长数据 活动记录的长度在编译时不能确定的情况 例：局部数组的大小要等到过程激活时才能确定 备注： Java语言的实现是将它们分配在堆上,6.2 全局栈式存储分配,访问动态分配的数组,(1) 编译时，在活动记录中为这样的数组分别存放数组指针的单元,6.2 全局栈式存储分配,访问动态分配的数组,(2) 运行时，这些指针指向分配在栈顶的存储空间,6.2 全局栈式存储分配,访问动态分配的数组,(3) 运行时，对数

15、组A和B的访问都要通过相应指针来间接访问,6.2 全局栈式存储分配,访问动态分配的数组,6.2 全局栈式存储分配,6.2.5 悬空引用 悬空引用：引用某个已被释放的存储单元,6.2 全局栈式存储分配,6.2.5 悬空引用 悬空引用：引用某个已被释放的存储单元 main() | int dangle ( ) | int q; | int j = 20; q = dangle ( ); | return | ,6.3 非局部名字的访问,本节介绍 无过程嵌套的静态作用域（C语言） 有过程嵌套的静态作用域（Pascal语言） 动态作用域（Lisp语言）,6.3 非局部名字的访问,6.3.1 无过程嵌套

16、的静态作用域 过程体中的非局部引用可以直接使用静态确定的地址 局部变量在栈顶的活动记录中，可以通过base_sp指针来访问 无须深入栈中取数据，无须访问链 过程可以作为参数来传递，也可以作为结果来返回,6.3 非局部名字的访问,6.3.2 有过程嵌套的静态作用域 sort readarray exchange quicksort partition,6.3 非局部名字的访问,6.3.2 有过程嵌套的静态作用域 过程嵌套深度 sort 1 readarray 2 exchange 2 quicksort 2 partition 3 变量的嵌套深度：它的声明所在过程的嵌套 深度作为该名字的嵌套深度,6.3 非局部名字的访问,访问链 用来寻找非局部 名字的存储单元,6.3 非局部名字的访问,访问非局部名字的存储单元 假定过程p的嵌套深度为np，它引用嵌套深度为na 的变量a，na