Análises Geração RI (representação intermediária) Código Intermediário

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1 Front-end Análises Geração RI (representação intermediária) Código Intermediário Back-End Geração de código de máquina Sistema Operacional? Conjunto de Instruções do processador?

2 Ambiente de Execução O compilador precisa auxiliar o sistema operacional a dar suporte à máquina alvo na execução das abstrações da linguagem fonte. Entre essas abstrações podemos citar: Nomes; Escopos; Tipos de dados; Procedimentos; Operadores; Parâmetros; e Construções de Fluxo de Controle

3 Ambiente de Execução Para isso o compilador cria e gerencia um ambiente em tempo de execução no qual assume que seus programas objeto estão sendo executados.

4 Ambiente de Execução O ambiente de execução trata questões como: Leiaute e alocação de endereços de memória para os objetos nomeados do programa-fonte; Mecanismos de acesso as variáveis; Ligações entre procedimentos; Mecanismos de passagem de parâmetros; Interfaces para sistema operacional, dispositivos de i/o e outros programas.

5 Organização de Memória Do ponto de vista do projetista do compilador, o programa objeto é executado em um espaço de endereçamento próprio, onde cada valor no programa possui um endereço. O gerenciamento e a organização desse espaço de endereçamento lógico são compartilhados entre compilador, sistema operacional e máquina-alvo.

6 Organização de Memória Um compilador gerando código para C++ em um Sistema Operacional Linux poderia subdividir a memória como abaixo: Código Estáticos Heap Memória Disponível Pilha

7 Gerenciamento de Memória Código: espaço definido estaticamente onde o compilador armazena o código executável. Estático: espaço definido estaticamente onde o compilador armazena objeto de dados de tamanho fixo, como constantes globais, e dados gerados pelo compilador, como informações para a coleta de lixo. Pilha: espaço definido dinamicamente, usado para armazenar Registros de Ativação, uma estrutura de dados geradas durante as chamadas de procedimento. Heap: espaço definido dinamicamente, utilizado para armazenar dados de longa duração que podem ser alocados e liberados durante a execução do programa.

8 Organização de Memória Para maximizar a utilização do espaço durante a execução a pilha e o heap ocupam o restante do espaço de endereços porém cada um em uma extremidade desse espaço restante e crescendo um em direção ao outro. Estratégias de Alocação estática e/ou dinâmica de memória influenciam diretamente no uso da pilha e do heap. Muitos Compiladores utilizam uma combinação de alocações estáticas e dinâmicas definindo que: Memória de Pilha: armazena nomes locais de um procedimento Memória de Heap: armazena dados que sobrevivem a chamada do procedimento que os criou.

9 Pilha Linguagens com procedimentos, funções ou métodos gerenciam pelos menos parte de sua memória em pilha. Toda vez que um procedimento é chamado seus dados locais são armazenados numa pilha; Ao encerrar o procedimento esse espaço é removido da pilha. Isso permite O reaproveitamento do espaço de endereços; e Permite compilar código para o procedimento de modo que os endereços relativos de suas variáveis não locais sejam sempre iguais, independente da sequência de chamadas de procedimentos

10 Seja o seguinte esboço de programa quicksort: int a[11]; void readarray() {/*lê 9 inteiros a[1]...a[9]*/ } int i; int partition(int m, int n) { /* escolhe um pivô v e particiona a[m..n] de modo que a[m..p-1] sejam menores que v e a[p+1..n] sejam maiores que v. Retorna p*/ } void quicksort(int m, int n) { } int i; if ( n > m) { } i = partition(m,n); quicksort(m, i-1); quicksort( i+1, n) main( ) { } readarray(); a[0]=-9999; a[10] = 9999; quicksort(1,9)

11 Árvore de Ativação

12 Registro de Ativação As chamadas e os retornos de procedimentos são usualmente gerenciados em uma pilha de execução chamada de pilha de controle. Cada procedimento ativo tem um registro de ativação na pilha de controle. Registro de Ativação (frame) é um conjunto de informações armazenadas na pilha de execução toda vez que um procedimento é chamado. Essas informações variam de acordo com a linguagem implementada, e até de implementação para implementação da mesma linguagem.

13 Ambiente de Execução Abaixo há uma lista de informações que podem aparecer em algum registro de ativação: 1. Temporários criados pelo compilador que não cabem nos registradores 2. Dados locais 3. Estado da máquina. Pode consistir do endereço de retorno (contador do programa) e o conteúdo dos registradores da máquina. 4. Um elo de acesso a dados em outro registro de ativação 5. Um elo de controle, aponta para o registro de ativação do procedimento chamador 6. Espaço para o valor de retorno 7. Os parâmetros reais usados pelo procedimento. (o normal é colocá-los em registradores)s

14 Ambiente de execução Exemplo de leiaute e informações armazenadas em um Registro de Ativação Parâmetros Reais Valores Retornados Elo de controle (dynamic link) Elo de acesso (static link) Estado de máquina salvo Dados Locais Temporários

15 Ambientes de Execução Integer: integer: a[11] main() m integer: a[11] main() readarray() r m Integer: integer: a[11] main() integer: m,n m r q(1,9) iinteger: i quicksort(1,9) m integer: a[11] integer: a[11] Integer: integer: i r q(1,9) main() integer: m,n main() integer: m,n m p(1,9) quicksort(1,9) quicksort(1,9) r q(1,9) integer: i integer: i integer: m,n integer: m,n p(1,9) q(1,3) integer: pos_v quicksort(1,3) partition(1,9) Integer: i

16 Sequência de Chamada e de Retorno Sequência de Chamada é o código responsável pela a inserção do registro de ativação do procedimento chamado na pilha de controle; preenche os campos do novo registro com as informações necessárias do procedimento chamado, e também preenche informações necessárias no registro de ativação do chamador para garantir sua reativação. Sequência de Retorno é o código que desempilha o registro de ativação de um procedimento que encerrou e restaura o estado da máquina do procedimento chamador para que este continue sua execução. Tanto o código de chamada quanto o de retorno deve ser gerado pelo compilador e inserido no código executável do programa.

17 Sequência de Chamada e de Retorno O código em uma sequência de chamada é dividido entre procedimento chamador e o chamado. A linguagem fonte, o sistema operacional e a máquina alvo auxiliam determinar uma divisão de de tarefas em tempo de execução entre os procedimentos. Observe que um procedimento pode ser chamado de n pontos distintos de um programa e então a porção de código da sequência de chamada no procedimento chamador deve ser gerada n vezes enquanto que a porção no procedimento chamado

18 Sequência de Chamada e de Retorno Ao projetar as sequências de chamada e de retorno e o leiaute do registro de ativação, os seguintes princípios são úteis: valores passados entre os procedimentos (parâmetros e retorno) devem estar no registro próximos do registro do chamador para que este possa saber(calcular) onde estão. Itens de tamanho fixo ficam colocados no meio do registro ( elo de acesso, elo de controle e estado da máquina) Itens cujo tamanho não pode ser determinado com antecedência são colocados no fim do registro Posicionar o ponteiro que indica o topo da pilha (top_sp) de forma a dar acesso aos dados tanto de tamanho fixo como os de tamanho não determinado. Uma abordagem é posicioná-lo no fim do campo de dados de tamanho fixo, assim é possível acessar os dados de tamanho fixo através de deslocamentos conhecidos e acessar os demais dados calculando seu deslocamento em tempo de execução.

19 Sequência de Chamada e de Retorno Um exemplo de divisão de tarefas entre chamador e chamado nas sequências de chamada e de retorno, baseado no exemplo de registro de ativação apresentado anteriormente: Sequência de Chamada Chamador : determina os parâmetros reais; define endereço de retorno de valores; define próxima instrução a ser executada no chamador avança o topo da pilha (top_sp) de execução para o novo frame. Chamado salva valores dos registradores e outras informações de estado da máquina; inicia seus dados locais; Inicia a execução

20 Sequência de Chamada e de Retorno Sequência de Retorno Chamado coloca o valor de retorno no endereço determinado; restaura o estado da máquina determina o endereço da próxima instrução a ser executada pelo chamador decrementa o topo da pilha (top_sp) de execução Chamador recupera o valor de retorno e reinicia a execução

21 Dados de Tamanho Variável na pilha A princípio, dados de tamanho variável devem ficar no heap, porém é possível colocá-los na pilha de controle dentro dos registros de ativação O motivo para isso seria evitar o custo da coleta de lixo em seu espaço. Somente dados locais de tamanho variável podem ser implementados na pilha.

22 Dados de Tamanho Variável na pilha A estratégia consiste : em manter ponteiros para os dados de tamanho variável no espaço de tamanho fixo do registro, apontando para posições acima do registro de ativação atual na pilha, ou seja, fora do registro de ativação do procedimento porém acessados por deslocamentos conhecidos; Utilizar, além do ponteiro top_sp, que aponta o final do espaço de dados de tamanho fixo, outro ponteiro, top, para indicar o topo real da pilha, no final dos dados de tamanho variável, onde o próximo registro de ativação deve ser colocado

23 Dados de Tamanho Variável na pilha Observe a figura:

24 Acesso a Dados Não Locais na Pilha Acesso aos Dados sem procedimentos aninhados Procedimentos aninhado é quando um procedimento é declarado totalmente dentro do escopo de outro procedimento. A linguagem C não comporta procedimentos aninhados, além disso todas as variáveis são declaradas ou dentro de um procedimento, ou fora de todos os procedimentos. Assim a alocação de memória e o acesso a essas variáveis é simples: Variáveis globais são alocadas em uma memória estática, ou seja endereços que permanecem fixos conhecidos em tempo de compilação; As variáveis locais tem endereços relativos dentro do registro de ativação, e são acessadas por meio do ponteiro top_sp.

25 Gerenciamento do Heap O heap é uma porção da memória usada para dados que residem indefinidamente, ou até que o programa o exclua explicitamente. Enquanto variáveis locais são desalocadas assim que o registro de ativação é desempilhado; linguagens como C e C++ permitem a criação de dados (ou objetos) cuja a existência não está ligada à ativação. Por exemplo, objetos alocados através do comando new (Java e C++) podem continuar existindo muito depois do procedimento que o criou ter encerrado Esses objetos são armazenados no heap.

26 Gerenciador de Memória é um subsistema que aloca e desaloca espaço dentro do heap; Administra todo o espaço livre na memória heap durante todo o tempo; Serve como interface entre aplicações e o sistema operacional.

27 Gerenciador de Memória Realiza duas funções básicas: Alocação: quando um programa solicita memória, o gerenciador tenta alocar um espaço contíguo do heap; caso não exista esse espaço contíguo o gerenciador tenta obter bytes consecutivos da memória virtual do sistema operacional; se O espaço estiver esgotado, o gerenciador passa essa informação ao programa Liberação: o gerenciador de memória devolve o espaço liberado ao repositório de espaço livre, para que possa ser reutilizado. O gerenciador nunca devolve espaço ao sistema operacional, mesmo que o uso do heap diminua.

28 Gerenciador de Memória Propriedades Desejadas : Eficiência de Espaço: minimizar o espaço total do heap utilizado por um programa. A eficiência é alcançada minimizando-se a fragmentação. Eficiência do programa: o gerenciador deve fazer o bom uso dos espaços, a fim de permitir que os programas sejam executados rapidamente. Pois o tempo de execução de instruções pode variar muito, dependendo de onde esses estão armazenados. (Princípio da Localidade) Baixo Custo: alocações e liberações de memória são operações frequentes, é importante que sejam o mais eficiente possível para não impactar no tempo de execução do programa.

29 Hierarquia de Memória O gerenciamento de memória e a otimização do compilador são implementados considerando o comportamento da memória. A grande variação nos tempos de acesso à memória é causada pela tecnologia. Hoje ou temos memórias pequenas e rápidas ou memórias grandes e lentas. É impossível termos gigabytes operando em nanosegundos (velocidade dos processadores) Assim, computadores modernos organizando a memória colocando as menores e rápidas perto do processador e as grandes e lentas mais distante.

30 Hierarquia de Memória Tamanhos Típicos GB Memória Virtual (Disco) Tempo de acesso 5 ms 256 MB 2 GB Memória Física ns 128 Kb 4 MB Memória Cache L ns Kb Memória Cache L1 ciclos 32 words registradores ciclos

31

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