第10章目标程序运行时的组织

第10章目标程序运行时的存储组织

10.1数据空间的三种不同使用方法和管理方法10.2栈式存储分配的实现10.3参数传递10.4过程调用、过程进入和过程返回

从逻辑上看，在代码生成前，编译程序必须进行目标程序运行环境的配置和数据空间的分配。数据空间应包括：用户定义的各种类型的数据对象（变量和常数）所需的存储空间；作为保留中间结果和传递参数的临时工作单元；调用过程时所需的连接单元；组织输入/输出所需的缓冲区。目标代码所占用空间的大小在编译时能确定。有些数据对象所占用的空间也能在编译时确定，其地址可以编译进目标代码中。而有些数据对象具有可变体积和待分配性质，无法在编译时确定存储空间的位置。

因此运行时的存储区常常划分成：目标区、静态数据区、栈区和堆区，如图10.1

。目标代码区静态数据区栈Stack堆heap图10.1目标程序运行时存储区的典型划分所谓数据空间的分配，本质上看，是将程序中的每个名字与一个存储位置关联起来，该存储位置用以容纳名字的值。编译程序分配目标程序运行时的数据空间的基本依据是程序语言设计时对程序运行中存储空间的使用和管理办法的规定。在程序设计语言语义学中，使用术语environment表示将一个名字映射到一个存储位置的函数，术语state表示存储位置到值的映射，如图10.2所示。图10.2名字到存储位置、到值的映射编译程序分配目标程序运行时的数据空间的基本依据是程序语言设计时对程序运行中存储空间的使用和管理办法的规定。决定存储管理复杂程度的因素--源语言本身，比如源语言允许的数据类型有多少？语言中允许的数据项是静态确定还是动态确定？程序结构有什么特点，是段结构还是分程序结构？过程定义是否允许嵌套？等等。源语言的结构特点、源语言的数据类型、源语言中决定名字作用域的规则等因素影响存储空间的管理和组织的复杂程度，决定数据空间分配的基本策略。10.1数据空间的三种不同使用方法和管理方法数据空间的使用和管理方法:

简单的栈式分配方案嵌套过程的栈式分配方案分程序结构的存储分配方案静态存储分配、动态存储分配——栈式堆式10.1.1静态存储分配如果在编译时能确定目标程序运行中所需的全部的数据空间的大小，编译时安排好目标程序运行时的全部数据空间，确定每个数据对象的存储位置，称这种分配策略为静态存储分配。如C中的静态变量，外部变量等。10.1.2动态存储分配如果一个程序设计语言允许递归过程、允许动态的申请建立和撤消存储空间、可变数组或允许用户自由申请和释放空间，那么，就需要采用动态存储管理技术。因为对于这种程序在编译时无法知道它在运行时需要多大的存储空间，它所需要的数据空间的大小需待程序运行时动态地确定。若一个数组所需的存储空间的大小在编译时就已知道，则称它为确定（静态）数组，否则称为可变（动态）数组。10.1.2.1栈式动态存储分配分配策略是将整个程序的数据空间设计为一个栈。在具有递归结构的语言程序中，每当调用一个过程时，它所需的数据空间就分配在栈顶，每当过程工作结束时就释放这部分空间。过程所需的数据空间包括两部分：生存期在本过程这次活动中的数据对象；用以管理过程活动的记录信息。栈式动态存储分配策略适用于PASCAL，C，ALGOL之类具有递归结构的语言的实现。

10.1.2.2堆式动态存储分配如果一个程序语言提供用户自由地申请数据空间和退还数据空间的机制，或者不仅有过程而且有进程的程序结构，一般用堆式的动态存储分配方案。如Ｃ++中的new，delete，PASCAL的new等机制。此时,空间的使用未必服从“先申请后释放，后申请先释放”的原则，那么栈式的动态分配方案就不适用了。通常使用一种称为堆式的动态存储分配方案。这种分配方式的存储管理技术甚为复杂，我们这里举出这种分配方法必须考虑的几个问题。

堆式的动态存储分配策略:当运行程序要求一块体积为N的空同时，我们应该分配哪一块给它呢？理论上说，应从比N稍大一点的一个空闲块中取出N个单元，以便使大的空闲块派更大的用场。但这种做法较麻烦。因此，常常仍采用“先碰上哪块比N大就从其中分出N个单元”的原则。但不论采用什么原则，整个大存区在一定时间之后必然会变成零碎不堪。总有一个时候会出现异样的情形：运行程序要求一块体积为N的空间，但发现没有比N大的空闲块了，然而所有空闲块的总和却要比N大得多！出现这种情形时怎么办呢？这是一个比前面的问题难得多的问题。解决办法似乎很简单，这就是，把所有空闲块连接在一起，形成一片可分配的连续空间。这里主要问题是，我们必须调整运行程序对各占用块的全部引用点。

堆式的动态存储分配策略:另外，如果运行程序要求一块体积为N的空间，但所有空闲块的总和也不够N，那又应怎么办呢？有的管理系统采用一种叫做废品回收的办法来对付这种局面。即寻找那些运行程序业己无用但尚未释放的占用块，或者那些程序目前很少使用的占用块，把这些占用块收回来，重新分配。但是，我们如何知道哪些块运行时在使用或者目前很少使用呢？即便知道了，一经收回后运行程序在某个时候又要用它时又应该怎么办呢？要使用废品回收技术，除了在语言上要有明确的具体限制外，还需要有特别的硬件措施，否则回收几乎不能实现。堆式动态储分配的实现通常有如下两种途径：1）定长块管理堆式动态储分配最简单的实现是按定长块进行。初始化时，将堆存储空间分成长度相等的若干块，每块中指定一个链域，按照邻块的顺序把所有块链成一个链表，用指针available指向链表中的第一块。分配时每次都分配指针available所指的块，然后available指向相邻的下一块。归还时，把所归还的块插入链表。考虑插入方便，可以把所归还的块插在available所指的块之前，然后available指向新归还的块。占用占用占用空闲空闲空闲available(a)占用占用空闲空闲空闲(b)空闲available图10.3定长块管理2）变长块管理除了按定长块进行分配之外，还可以根据需要分配长度不同的存储块，可以随要求而变。按这种方法，初始化时存储空间是一个整块。按照用户的需要，分配时先是从一个整块里分割出满足需要的一小块，以后，归还时，如果新归还的块能和现有的空间能合并，则合并成一块；如果不能和任何空闲块合并，则可以把空闲块链成一个链表。再进行分配时，从空闲块链表中找出满足需要的一块，或者整块分配出去，或者从该块上分割一小块分配出去。若空闲块表中有若干个满足需要的空闲块时，该分配哪一块呢?通常有三种不同的分配策略：

变长块管理通常有三种不同的分配策略：

首次满足法（时间优先）;最优满足法（空间优先）;最差满足法（时间优先）。上述三种分配策略各有所长。

10.2栈式存储分配的实现前面提到，使用栈式存储分配策略意味着，运行时每当进入一个过程，就在栈顶为该过程的临时工作单元，局部变量，机器状态及返回地址等信息分配所需的数据空间，当一个过程工作完毕返回时，它在栈顶的数据空间也即释放。

为讨论方便，首先引入一个术语--过程的活动记录AR(ActivationRecord)。过程的活动记录是一段连续的存储区，用以存放过程的一次执行所需要的动态信息，这些信息可以如图10.6所示。图10.6过程的活动记录返回地址实参控制链存取链机器状态信息局部变量临时工作单元①临时工作单元：比如计算表达式过程中需存放中间结果用的临时值单元。②局部变量：一个过程的局部变量。③机器状态信息：保存该过程执行前关于机器状态的信息，诸如程序计数器、寄存器的值，这些值都需要在控制从该过程返回时给予恢复。④存取链：用以存取非局部变量，这些变量存放于其它过程的活动记录中。并不是所有语言需要该信息。⑤控制链：指向调用该过程的那个过程的活动记录，这也不是所有语言都需要的。⑥实参：也称形式单元，由调用过程向该被调过程提供实参的值（或地址）。当然在实际编译程序中，也常常使用机器寄存器传递实参。⑦返回地址：保存该被调过程返回后的地址。图10.6过程的活动记录返回地址实参控制链存取链机器状态信息局部变量临时工作单元静态链，指向静态直接外层最新活动记录的起始地址，即指向定义本过程的直接外层过程

（或主程序）运行时最新活动记录的基地址。动态链，指向调用该过程前正在运行过程的数据段基地址。10.2.1简单的栈式分配的实现

程序结构特点:过程定义不嵌套，过程可递归调用，含可变数组；例：main

全局变量的说明procR……endR;procQ……endQ;主程序执行语句endmainTOP

临时工作单元局部简单变量局部数组的内情向量

保存运行过程前的状态（返回地址，寄存器值…）实参（形式单元）和参数个数SP

存取链（静态链）控制链（动态链，老SP）图10.3过程的活动记录指向调用该过程的那个过程的最新活动记录的起始地址用以存取非局部变量，这些变量存放于其他过程的活动记录中。Main

Q

R

TOP

R的活动记录SP

主程序全局数据区Q的活动记录MainQQQ的活动记录主程序全局数据区Q的活动记录图10.4栈式存储分配静态链，指向静态直接外层最新活动记录的起始地址，即指向定义本过程的直接外层过程

（或主程序）运行时最新活动记录的基地址。动态链，指向调用该过程前正在运行过程的数据段基地址。TOPR的数组区SPR的活动记录Q的活动记录主程序全局数据区图10.6分配了数组区之后的运行栈TOP

临时工作单元局部简单变量局部数组的内情向量

返回地址实参（形式单元）SP

参数个数控制链（老SP）图10.5无嵌套定义的过程活动记录内容10.2.2嵌套过程语言的栈式实现主要特点：（语言）一个过程可以引用包围它的任一外层过程所定义的标识符（如变量，数组或过程等）。（实现）一个过程可以引用它的任一外层过程的最新活动记录中的某些数据。(1)programsort(input,output);//sort的过程头

(2)

vara:array[0..10]ofinteger;

(3)

x:integer;

(4)

procedurereadarray;//sort内嵌套定义的readarray的过程头

(5)

vari:integer;

(6)

begin…a…end{readarray};//readarray的过程体

(7)

procedureexchange(i,j:integer);

//sort内嵌套定义的exchange的过程头

(8)

begin

(9)

x∶=a[i];a[i]∶=a[j];a[j]∶=x;//exchange的过程体

(10)

end{exchange};

(11)

procedurequicksort(m,n:integer);

//sort内嵌套定义的quicksort的过程头

(12)

vark,v:integer;

(13)

functionpartition(y,z:integer):integer;

//quicksort内嵌套定义的partition的函数头

(14)

vari.j:integer;

(15)

begin…a…//partition的函数体

(16)

…v…

(17)

…exchange(i,j);…

(18)

end{partition};

(19)

begin…end{quicksort};//quicksort的过程体

(20)begin…end{sort}.//sort的例程体图10.11具有嵌套过程的PASCAL程序图10.11的PASCAL程序中过程定义的嵌套情况如下：

sort

readarray

exchange

quicksort

partition局部变量a,x局部变量k,v过程quicksort的活动记录过程sort的活动记录图10.12存储栈布局记录下列信息：可以引用过程

sort的局部变量

关键技术：解决对非局部量的引用（存取）。设法跟踪每个外层过程的最新活动记录AR的位置。跟踪办法：

1.用静态链（如PL/0的SL）。

2.用DISPLAY表。跟踪的办法很多，我们介绍两种，一种是在过程活动记录中增设存取链，指向包含该过程的直接外层过程的最新活动记录的起始位置。过程活动记录的内容如图10.13（a）所示。图10.12所提到的情况可用图10.13（b）说明。

图10.13嵌套定义过程的活动记录和存储栈(a)局部变量┆存取链控制链TOPSP┆┆存取链控制链(老SP)┆┆TOPSP(b)quicksort的ARsort的AR再回到图10.11的例子。如果该程序的某次执行顺序为：

sort→quicksort→quicksort→partition→exchange…

即主程序(最外层过程)sort开始执行,继而进入过程quicksort，而又一次进入过程quicksort，接着进入过程partition，进入过程exchange…。

图10.15给出了进入过程exchange之后运行栈的示意，我们仅把存取链和控制链的值标明。

可以看出，过程exchange由过程（函数）partition调用，但exchange的直接外层过程是sort，所以过程exchange的活动记录的存取链指向sort的活动记录的始址。图10.15运行栈静态链，指向静态直接外层最新活动记录的起始地址，动态链，指向调用该过程前正在运行过程的数据段基地址。exchange的活动记录partition的活动记录quicksort的活动记录quicksort的活动记录sort的活动记录

解决对非局部量的引用（存取）的有效办法是用Display表。Display表---嵌套层次显示表，即每进入一个过程后，在建立它的活动记录的同时建立一张Display表。当前激活过程的层次为K，它的Display表含有K+1个单元，依次存放着现行层，直接外层…直至最外层的每一过程的最新活动记录的基地址。例：programmain(i,0);程序结构图……procR(c,d);……Rend/*R*/procP(a);主……

procQ(b);……P

QcallR

R(x,y);end/*Q*/callQ……Q(z);callPend/*P*/……callRP（W）；……R（U，V）；……end/*main*/用Display表的方案(1)主程序--->(2)P--->(3)Q--->(4)R主程序的活动记录

d[0]spdisplaytop（1）d[1]d[0]

P的活动记录主程序的活动记录

displaysptop（2）用Display表的方案主程序--->P--->Q--->Rd[2]d[1]d[0]Q的活动记录

P的活动记录主程序的活动记录

displaysptop（3）R的活动记录Q的活动记录

P的活动记录主程序的活动记录

d[1]d[0]

displaytopsp（4）DISPLAY表的维护和建立DISPLAY表d运行栈

0主程活动记录地址

1R活动记录地址

...

当过程的层次为n，它的display为n+1个值。一个过程被调用时，从调用过程的DISPLAY表中自下向上抄录n个SP值，再加上本层的SP值。全局DISPLAY地址0

老SP1

返回地址2

全局DISPLAY地址3

参数个数4形式单元...

dDISPLAY...

简单变量

数组内情向量

临时变量

分程序结构ProcedureA(m,n);integerm,n;

B1:beginrealz;arrayB[m:n];B2:beginreald,e;L3:2end;B4:beginarrayC[1:m];1B5:beginreale;L6:54end;end;L8:end;

分程序结构的存储分配方案

处理分程序结构存储分配方案的一种简单办法是，把分程序看成“无名无参过程”，它在哪里定义就在哪里被调用。因此，可以把处理过程的存储办法应用到处理分程序中。但这种做法是极为低效的。一则，每逢进入一个分程序，就照样建立连接数据和DISPLAY表,这是不必要的。二则，当从内层分程序向外层转移时，可能同时要结束若干个分程序。

按照过程处理办法，意味着必须一层一层地通过“返回”来恢复所要到达的那个分程序的数据区，但不能直接到达。例如：如果有一个从第5层分程序转出到达第1层分程序的标号L，虽然在第5层分程序工作时知道L所属的层数，我们极易从DISPLAY中获得第1层分程序的活动记录基址（SP），但是怎么知道第1层分程序进入时的TOP呢？唯一的办法是从5,4,3和2各层顺序退出。但这种办法是很浪费时间的。

为了解决上述问题，可采取两种措施。第一，对每个过程或分程序都建立有自己的栈顶指示器TOP，代替原来仅有过程的栈顶指示器,每个TOP的值保存在各自活动记录中。这样，上述的第二个问题便可解决。第二，不把分程序看作“无参过程”，每个分程序享用包围它的那个最近过程的DISPLAY。每个分程序都隶属于某个确定的过程，分程序的层次是相对于它所属的那个过程进行编号的。：

每个过程被当作是0层分程序。而过程体分程序（假定是一个分程序）当作是它所管辖的第1层分程序。这样，每个过程的活动记录所含的内容有：1.过程的TOP值，它指向过程活动记录的栈顶位置。2.连接数据，共四项：(1)老SP值；(2)返回地址；(3)全局DISPAY地址；(4)调用时的栈顶单元地址，老TOP。

3.参数个数和形式单元4.DISPAY表。5.过程所辖的各分程序的局部数据单元。对于每个分程序来说，它们包括：（1)分程序的TOP值。当进入分程序时它含现行栈顶地址，以后，用来定义栈的新高度（分程序的TOP值）；（2)分程序的局部变量，数组内情向量和临时工作单元。过程Ａ的活动记录B４的ＴＯＰ

数组B的内情向量变量z

kdDISPLAY6形式单元m,n5参数个数：２4调用时的栈顶地址（老ＴＯＰ）3全局DISPLAY

地址2返回地址1老SP0过程的ＴＯＰ，指向活动记录之顶SP数组Ｃ的内情向量B２的ＴＯＰB５的ＴＯＰB１的ＴＯＰ变量e变量d和eB

B1T

OB的

信

息

向

量

ZB1的

PDISPLAY

形式单元

m,n2连

接数

据A的TOP

∶

∶(b)进

入

分

程

序B1DISPLAY

形式单元

m,n2连

接数

据

∶

∶(a)到

达

标

号B1处A的TOP

（d）进入分程序B2

数

组Be

dB22的TOPB的

信

息

向

量

zB1的TOPDISPLAY

形式单元

m,n2连接

数

据A的TOP

∶

∶

数

组BB的

信

息

向

量

zB1的TOPDISPLAY

形式单元

m,n2连

接

数

据A的TOP

∶

∶（c）数组Ｂ分配之后(e)进入分程序B4分配数组C之后

数

组C

数

组BC的

向

量

内

情B4的TOPB的

内

情

向

量

ZB1的TOPDISPLAY

形式单元

m,n2连

接

数

据A的TOP

∶

∶(f)进入分程序B5

数

组

C

数

组B

eB5的TOPC

的

内

情

向

量B4的TOPB的

内

情

向

量

zB1的TOPDISPLAY

形式单元

m,n2连接数据A的TOP

∶

∶10.3参数传递(1)procedureexchangel(i,j:integer);(2)varx:integer;(3)begin;(4)x:=a[i];a[i]:=a[j];a[j]:=x(5)end;

带有非局部变量和形参的PASCAL过程非局变量a[i]和a[j]的值进行交换，i,j为形参（在这里是传值）

(1)programreference(input,output);(2)vara,b:integer;(3)procedureswap({var}x,y:integer);(4)vartemp:integer;(5)begin(6)temp:=x;(7)x:=y;(8)y:=temp(9)end;(10)begin(11)a:=1;b:=2;(12)swap(a,b);(13)writeln(‘a=‘,a);writeln(‘b=‘,b)(14)end.

带有过程swap的PASCAL程序

10.3.1传值（值调用call-by-value）特点是对形式参数的任何运算不影响实参的值。例如：过程swap(x,y:integer);swap(a,b）；

其结果：a,b调用前的值不改变。传值的实现（1）形式参数当作过程的局部变量处理，即在被调过程的活动记录中开辟了形参的存储空间，这些存储位置即是我们所说的形式单元（用以存放实参）。（2）调用过程计算实参的值，并将其放在对应形式单元开辟的空间中。（3）被调用过程执行时，就像使用局部变量一样使用这些形式单元。procedureswap(x,y:integer);vartemp:integer;begintemp:=x;x:=y；y:=tempend；调用swap(a,b)过程将不会影响a和b的值。其结果等价于执行下列运算：

x:=a；

y:=b；

temp:=x；

x:=y；

y:=temp10.3.2传地址（变量参数call-by-address、call-by-location、call-by-reference）

例如：过程swap(varx,y:integer);swap(a,b）；（a,b为调用时的实参）调用结果a,b的值被改变。传地址的实现把实在参数的地址传递给相应的形参，即调用过程把一个指向实参的存储地址的指针传递给被调用过程相应的形参：（1）实在参数是一个名字，或具有左值的表达式----传递左值（2）实在参数是无左值的表达式----计算值，放入一存储单元，传此存储单元地址（3）目标代码中，被调用过程对形参的引用变成对传递给被调用过程的指针的间接引用procedureswap(x,y:integer);vartemp:integer;begintemp:=x;x:=y；y:=tempend；调用swap(i,a[i])其结果等价于执行下列运算：1把i和a[i]的地址分别放到x和y相应的单元a1,a22(temp:=x；)temp的内容置为a1所指单元中存的内容

3(x:=