Дисциплина: Современные компьютерные архитектуры
Тема 2: СРЕДА ВРЕМЕНИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММ
Лекция 2.1: Управление памятью
Москва
2018
1
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Организация памяти
2. Выделение памяти в стеке
3. Доступ к нелокальным данным в стеке
ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:
Сформировать теоретические знания в области основных
принципов выделения физической памяти вычислительным
процессам
и
организации
адресного
пространства
вычислительного процесса.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Ахо А.В., Лам М.С., Ульман Д.Д. Компиляторы: принципы, технологии
и инструментарий. М.: изд-во Вильямс, 2015. – С. 525-554
2. Столмен Р., Пеш Р., Шебс С. Отладка с помощью GDB. 2000. –
С. 51-53
2
1.1 Организация памяти вычислительного процесса
Вычислительный процесс - некоторое преобразование f(x), где x
– n-мерная величина, характеризующая множество исходных
данных программы, f(x) – m-мерный результат работы программы.
Инструкции (операции) и данные (операнды) – два базовых
типа объектов, находящихся в адресном пространстве
вычислительного процесса. Каждый объект обладает уникальным
адресом месторасположения в адресном пространстве
вычислительного процесса.
Всего существует три типа адресов:
логический адрес - используется в инструкциях машинного языка
для обозначения адреса операнда или оператора;
линейный адрес - 32-разрядное или 64-разрядное целое без знака,
которое можно использовать для адресации до 232 (или 264
соответственно) ячеек памяти;
физический адрес - используется для адресации ячеек в
микросхемах памяти.
3
1.2 Организация памяти вычислительного процесса
Минимально адресуемой единицей физической памяти, не
требующей использования специальных инструкций процессора,
является байт.
Требование к размещению данных в памяти по адресам кратным
степеням двойки называется выравниванием памяти.
//предполагается, что sizeof(int) == 4
struct x {
char c1;
//смещение 0, размер 1 байт
//байты 1-3: 3 заполняющих байта
int i1;
//байты 4-7: 4 байта на 4 байтовой границе
char c2;
//байт 8: 1 байт
//байты 9-11: 3 заполняющих байта
};
В данном примере n==1+3+4+1=9 и m==sizeof(x)==12.
4
1.3 Организация памяти вычислительного процесса
Память выделяемая процессу операционной системой в общем
случае используется для хранения:
• Целевого кода программы;
• Сохранения состояний вычислительного процесса в ходе его
выполнения;
• Сохранения статических и динамических ресурсов
вычислительного процесса.
Код
Статические
данные
Куча
Фиксируется во время компиляции
программы
Глобальные константы и данные
сгенерированные компилятором
Хранение структур данных, требуемый
размер памяти для которых неизвестен
Свободная
память
Стек
Хранение записей активации,
генерируемых при вызовах процедур
5
1.4 Организация памяти вычислительного процесса
Статическим ресурсом вычислительного процесса называются
какие-либо данные, используемые программой, для которых
решение о выделении памяти принимается во время компиляции,
когда известен только исходный текст программы, но не то, что
именно программа делала в процессе работы.
Динамическим ресурсом вычислительного процесса называются
какие-либо данные, используемые программой, для которых
решение о выделении памяти принимается исключительно во время
выполнения программы.
Стек используется для хранения структур данных, называющихся
записями активации. Записи активации генерируются при вызове
процедур в ходе выполнения вычислительного процесса.
6
2.1 Выделение памяти в стеке
Активация – специальная структура данных, размещающаяся в
стеке процесса каждый раз при вызове процедуры и хранящая
исчерпывающую информацию о состоянии вычислительного
процесса в момент передачи потока управления вызывающей
процедуры вызываемой, параметрах передаваемых в вызываемую
процедуру и возвращаемых ею в вызывающую процедуру.
Последовательность вызовов процедур в ходе исполнения
программы формирует дерево активаций.
1. Корень дерева активации – главная процедура, например main.
2. Дочерние вершины узла p – активации процедур, вызванных из
p.
3. Активации указываются слева направо и сверху вниз в порядке
их вызова.
7
2.2 Выделение памяти в стеке
Пример программы, реализующей считывание девяти целых
чисел в массив a и сортирующей его с помощью рекурсивного
алгоритма быстрой сортировки:
8
2.3 Выделение памяти в стеке
В процессе активации процедуры возможна одна из трех
ситуаций:
• активация q завершается нормально, управление возвращается в
точку p, следующую непосредственно за точкой, в которой был
сделан вызов q;
• активация q или некоторой процедуры, вызванной q прямо или
косвенно, завершается аварийно, в этом случае p завершается
одновременно с q;
• активация q завершается из-за сгенерированного исключения,
которое q обработать не в состоянии, процедура p может
обработать исключение, в этом случае активация q завершается,
в то время как активация p продолжается, хотя и не обязательно с
точки, в которой была вызвана q.
Вызов процедур и возвраты из них управляются стеком времени
выполнения, именуемым стеком управления. Активная активация
имеет запись активации (кадр в стеке управления).
9
2.4 Выделение памяти в стеке
Примерное содержимое записи активации:
Фактические
параметры
Возвращаемые
значения
Связь управления
Связь доступа
Состояние
машины
Локальные
данные
Временные
переменные
Фактические параметры, используемые
вызываемой процедурой.
Память для возвращаемого значения (может
размещаться в регистре)
Указывает на запись активации вызывающей
процедуры
Используется для обращения вызванной
процедуры к данным в другой записи активации
Информация о состоянии машины (адрес
возврата, содержимое регистров)
Локальные данные процедуры
Значения, появляющиеся в процессе
вычисления выражений.
10
2.5 Выделение памяти в стеке
Снимки стека времени выполнения при прохождении
управления по дереву активаций из рассмотренного ранее примера:
11
2.6 Выделение памяти в стеке
За реализацию вызова процедуры отвечают как вызывающая,
так и вызываемая процедуры, при этом используются следующие
принципы:
• Значения, передаваемые между вызывающей и вызываемой
процедурами, помещаются в начале записи активации
вызываемой процедуры;
• Элементы фиксированного размера размещаются посередине
записи активации;
• Элементы, размер которых может быть не известен заранее,
размещаются в конце записи активации;
• Указатель стека указывает на конец полей фиксированного
размера в записи активации.
Доступ из записи активации вызывающей процедуры к записи
активации вызываемой процедуры осуществляется через
содержимое регистра top_sp, который указывает на конец поля
состояния машины в текущей записи активации.
12
2.7 Выделение памяти в стеке
Организация вызова вызывающей процедурой вызываемой и
обратный возврат продемонстрированы на рисунке:
13
2.8 Выделение памяти в стеке
Стратегия выделения памяти в стеке для массивов переменной
длины показана на рисунке:
14
3.1 Доступ к нелокальным данным в стеке
В современных языках программирования переменные
(операнды) делятся на два класса - локальные и глобальные.
Глобальная переменная имеет область видимости, которая состоит
из всех функций, следующих после ее объявления, за исключением
мест, где имеется локальное определение идентификаторов, имя
которых совпадает с идентификатором глобальной переменной.
Переменные, объявленные внутри функции, имеют область
видимости, состоящую только из тела этой функции.
Глубина вложенности процедур, которые не вложены ни в какую
иную процедуру равна единице. Если процедура p определена в
процедуре с глубиной вложенности i, то глубина вложенности такой
процедуры p составляет i+1.
15
3.2 Доступ к нелокальным данным в стеке
Непосредственная реализация обычного статического правила области
видимости для вложенных функций получается путем добавления в каждой
записи активации указателя, называющегося связью доступа. Если в
исходном тексте программы процедура p непосредственно вложена в
процедуру q, то связь доступа в каждой активации p указывает на последнюю
активацию q.
При вызове процедурой q процедуры p возможны три ситуации:
1. процедура p имеет большую глубину вложенности, чем q. В таком случае p
должна быть определена непосредственно в q, иначе вызов процедурой q
оказывается не в пределах области видимости имени процедуры p. Таким
образом, глубина вложенности процедуры p ровно на единицу больше
глубины вложенности q и связь доступа должна вести от p к q;
2. вызов рекурсивен, то есть q=p. В этом случае связь доступа для новой
записи активации та же, что и запись активации ниже нее в стеке;
3. глубина вложенности np процедуры p меньше глубины вложенности np
процедуры q. Для того чтобы вызов в q находился в области видимости имени
p, процедура q должна быть вложена в некоторую процедуру r, а p должна
быть процедурой, определенной непосредственно в r.
16
3.3 Доступ к нелокальным данным в стеке
1) fun sort(inputFile, outputFile) =
let
2)
val a = array(11,0);
3)
fun readArray(inputFile) = … ;
4)
... a … ;
5)
fun exchange(i,j) =
6)
...a… ;
7)
fun quicksort(m,n) =
let
8)
val v = … ;
9)
fun partition(y,z) =
10)
...a… v…exchange …
in
11)
...a…v…partition…quicksort
end
in
12)
...a…readArray… quicksort…
end;
17
3.4 Доступ к нелокальным данным в стеке
18
3.5 Доступ к нелокальным данным в стеке
Пример программы на языке ML, использующей передачу
функции в качестве параметра.
1)fun a(x) =
let
2)
3)
4)
fun b(f) =
…f…;
fun c(y) =
let
5)
fun d(z) = …
in
6)
…b(d)…
end
in
7)
…c(1)…
end;
Дисплей – вспомогательный массив m, который содержит по
одному указателю m[i] на наивысшую запись активации в стеке для
процедуры с глубиной вложенности i.
19
3.6 Доступ к нелокальным данным в стеке
20
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Организация памяти
2. Выделение памяти в стеке
3. Доступ к нелокальным данным в стеке
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ
Изучить материалы литературы [1 стр. 525-554], [2 – стр. 327-333].
Повторить способы выделения и освобождения динамической
памяти в языке программирования C.
Повторить определение указателя на объект в терминологии языка
программирования C.
Структура адресного пространства вычислительного процесса.
Запись активации (определение, состав).
Дерево активации вычислительного процесса (принципы
построения)
Организация доступа к нелокальным данным в стеке.
Использование дисплеев.
21