编译原理与技术 运行环境.ppt
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1、2019/10/26,编译原理与技术运行环境,1,编译原理与技术,运行环境,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,2,运行环境,存储组织与分配 程序单元、运行时内存划分与活动记录 静态/动态存储分配 动态栈式的过程调用/返回 非局部名字的访问 参数传递 参数传递的方式及其实现,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,3,存储组织与分配,程序单元 FORTRAN的子例程(subroutine) PASCAL的过程/函数(procedure/function) C的函数 程序单元的激活(调用)与终止(返回) 程序单元的执行需要: 代码段活动记录(程序单元运行所需的额外信息,如参数,局
2、部数据,返回地址等),2019/10/26,编译原理与技术运行环境,4,运行时内存划分,代码段,静态数据区,栈(stack),堆(heap),大小可以静态确定,全局/局部静态变量,活动记录栈,动态分配的数据,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,5,活动记录,活动记录AR (Activation Record) 是一连续存储区域,用于管理与存放和程序单元执行相关的重要信息。 AR中的内容 临时区域。用以保存临时计算结果 局部数据区。源程序中程序单元声明的局部变量对应在此区域。 机器状态保存区。存有机器的寄存器,程序指令计数器 ip(返回地址)等。,2019/10/26,编译原理与技术运
3、行环境,6,活动记录,AR中的内容 访问链(静态链)。当前程序单元可以访问的(静态程序中)外围程序单元的活动记录链。 控制链(动态链)。程序单元的活动记录按它们的生成(或调用)次序串成链。 实在参数 返回值,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,7,活动记录的内容,返回值(return value) 实在参数(actual parameter) 控制链(control link) 可选的访问链(optional access/static link) 机器状态(saved machine status) 局部数据(local data) 临时区(temporaries),2019/10
4、/26,编译原理与技术运行环境,8,活动记录内容的存取,返回值 实在参数 控制链 (old bp) 可选的访问链 机器状态 局部数据 临时区,AR的基地址bp,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,9,活动记录内容的存取,返回值 实在参数 控制链(old bp) 可选的访问链 机器状态 局部数据 临时区,bp,偏移,d1,偏移d2,地址: bp+d1,地址: bp+d2,d1、d2谁正谁负?,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,10,静态存储分配, 全局变量的存储绑定、AR均在编译时确定 且在整个程序执行中保持。 不支持: 1)动态数据结构 2)过程递归调用 实现静态分配的语
5、言: (早期)FORTRAN,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,11,CALL sub SUBROUTINE sub CALL sub DATA I/10 END WRITE(*.*) I I = 100 END 第一次调用sub,输出10 第二次调用sub,输出100,e.g.1 FORTRAN静态存储分配,第一次调用前,第一次调用后,第二次调用后,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,12,动态存储分配,栈式分配 AR在过程被调用(激活)时才在栈(stack)上分配;而在被调用过程(返回)终止时从栈上撤销。 过程中(非静态)局部变量的存储绑定在过程执行时有效;过程终止时
6、失效。 支持过程递归调用。每次递归调用时,局部变量绑定到不同的存储。,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,13,动态存储分配,栈式分配下的AR内容布局,返回值 实在参数 可选的访问链 返回地址 调用者 bp 可选机器状态 局部数据 临时区,bp,高地址,低地址,长度固定的区域放在AR中间,长度可变的区域放在AR低端,参数/返回值区域放在AR高端靠近调用者过程的活动记录,既便于双方存取,又适应参数可变情况,栈顶sp,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,14,栈式分配下的过程调用与返回 过程调用:分配被调过程的AR并填入相关信息,然后程序控制转移到被调过程入口; 过程A 调用
7、过程B 的过程调用序列: A的“调用”准备操作:1) 3) 1)A 计算实在参数并放入(对应栈操作push) B的活动记录中;(亦可考虑返回值存放空间) 2)A将可选的访问链放入(push)B的活动记录; 3)A将返回地址放入B的活动记录并跳转到过程B 的代码入口,开始B的执行;(一般通过A中的 代码指令“call B” 来完成这一步) 4),2019/10/26,编译原理与技术运行环境,15,栈式分配下的过程调用与返回 过程A 调用 过程B 的过程调用序列: B的入口代码:4) 6) 4)在B自己的AR中保存A的活动记录的基址(即当前bp,对应操作 push bp)并且将这个位置作为B自己A
8、R的基址(对应操作) mov sp,bp 即 bpsp) 5)保存可选的机器状态(寄存器) 6)为局部数据分配空间,(对应操作) sub local_size,sp,即sp sp local_size 7)“开始”B的执行。(至此,B的AR建好),2019/10/26,编译原理与技术运行环境,16,栈式分配下的过程调用与返回 过程返回:回收分配的被调过程的AR,并将程序控制转移回调用过程继续执行; 过程A 调用 过程B 的过程返回序列: B的出口代码:1) 2) 1)B回收局部数据空间;恢复原先保存的机器状态2)B恢复A的AR基址;取出返回地址将程序控制交回到A。对应操作: mov bp,sp
9、 spbp pop bp /恢复调用者A的bp ret / B执行结束并返回 注:X86-Linux中的leave 和ret组合亦能达到目的。 至此,B的AR中除了参数/返回值区域,其余区域全部回收(撤销)了。,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,17,栈式分配下的过程调用与返回 过程A 调用 过程B 的过程返回序列: A的“调用”善后代码:3) 4) 3)A取回返回值以及引用型参数(有的话) 4)A调整栈顶sp(主要根据参数个数以及可能有的访问链和可能有的返回值)。对应操作: add para_size, sp 即spsp + para_size 至此,B的AR区域全部回收(撤销)
10、了。,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,18,e.g.2 栈式存储分配,有C程序如下: void g() int a ; a = 10 ; void h() int a ; a = 100; g(); main() int a = 1000; h(); ,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,19,过程g被调用时,活动记录栈的(大致)内容,e.g.2 栈式存储分配,返回地址,old bp,a : 1000,main程序的AR,返回地址,old bp,a : 100,函数h的AR,返回地址,old bp,a : 10,函数g的AR,bp,sp,2019/10/26,编译原理与
11、技术运行环境,20,e.g.3 有参函数的活动记录,void func( int a , int b ) int c , d; c = a; d = b; ,bp,bp+8,bp+12,bp4,bp8,.file “ar.c“ .text .globl func .type func,function func: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl $8, %esp movl 8(%ebp), %eax movl %eax, -4(%ebp) movl 12(%ebp), %eax movl %eax, -8(%ebp) leave ret,2019/10/26,编
12、译原理与技术运行环境,21,有如下C程序: main() int i ; float f; int j ; scanf(“%d%f”, ,e.g.4. scanf的可变参数,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,22,e.g.4. scanf的可变参数,&f,&i,格式串1指针,返回地址,老bp,&j,格式串2指针,返回地址,老bp,scanf的第一次调用时AR,scanf的第二次调用时AR,由于C语言采用逆序传递参数,格式串参数将被放在AR中的“固定”位置,即bp+8。而由此参数即可确定待输入值的参数(变量)的个数。从而适应参数个数变化的情况。,bp,bp+8,2019/10/26,
13、编译原理与技术运行环境,23,e.g.5 悬空引用,有C程序如下: main() int * dangle() int * p = dangle(); int i; return ,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,24,非局部变量访问,静态作用域规则 vs. 动态作用域规则 “最接近嵌套” vs. 现行单元活动(调用次序) 分程序 含有声明和语句;如C的 分程序具有以下特征: - 可以嵌套; - 没有参数; - 控制流沿静态文本进入、流出 - 采用“最接近嵌套”的规则,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,25,非局部变量访问,e.g.6 分程序 main() int a
14、 = 0 ; int b =0; /local VAR of main int b = 1 ; / block 1 int a = 2 ; printf(“%d %dn”,a,b);/block 2 int b = 3 ; printf(“%d %dn”,a,b);/block 3 printf(“%d %dn”,a,b); printf(“%d %dn”,a,b); ,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,26,分程序的实现,1)按无参过程方式来实现 控制流进入分程序时,在栈上分配局部变量空间 ,退出时撤销上述空间。e.g.6中各变量存储如下:,a0 = 0,b0 = 0,b1 =
15、1,a)进入block 1, 未进入block 2,b)进入block 2, 未进入block 3,a1 = 2,a0 = 0,b0 = 0,b1 = 1,c)退出block 2, 进入block 3,b2 = 3,a0 = 0,b0 = 0,b1 = 1,d)退出block 3, 进入block 1,a0 = 0,b0 = 0,b1 = 1,e)退出block 1, 进入main,a0 = 0,b0 = 0,2019/10/26,编译原理与技术运行环境,27,分程序的实现,2)按过程为单位统一分配 将分程序中的局部变量独立地看成过程的局部变量。e.g.6中各变量存储如下: (两种方案),a0
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