Conceitos de Linguagens de Programação

Transcrição

1 Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Matemática e Computação Bacharelado em Ciência da Computação Conceitos de Linguagens de Programação Aula 07 (rogerio@prudente.unesp.br) Aula 7 Implementação de Subprogramas 2 1

2 Semântica Geral de Chamadas e Retornos Definição As operações de chamada e retorno de uma linguagem são conhecidas como linkagem de subprogramas 4 3 Implementando subprogramas Simples Semântica de chamada: 1. Salva o status de execução do chamador 2. Faz a passagem de parâmetros 3. Passa o endereço de retorno para o chamado 4. Transfere o controle para o chamado 2

3 Implementando subprogramas Simples Semântica de Retorno: 1. Se passagem-por-valor-resultado são usadas, move os valores correntes dos parâmetros para os seus respectivos pares 2. Se é uma função, move o valor funcional a um lugar que o chamador possa ter acesso 3. Restaura o status da execução do chamador 4. Transfere o controle de volta ao chamador 5 Registro de Ativação Registro de ativação O formato, ou leiaute, da parte não codificada de um subprograma em execução é chamado de registro de ativação Uma instância de um registro de ativação é um exemplo concreto de um RA (coleção de dados para a ativação de um subprograma em particular) 6 3

4 Implementando subprogramas Simples Armazenamento Requerido: Status do chamador, parâmetros, endereço de retorno, e valor funcional (se for função) 7 Código e RA de um programa Dados + Código Compilação separada 4 unidades Linker 8 4

5 Implementando Subprogramas com Variáveis Locais Stack-Dynamic Mais complicado porque: O compilador deve gerar código para causar a alocação implícita e liberação de variáveis locais Recursão deve ser suportada (adiciona a possibilidade de múltiplas ativações de um subprograma) Passagem de parâmetro Escopo estático e subprogramas aninhados 9 Exemplo de RA Static link 10 5

6 Implementando Subprogramas com Variáveis Locais Stack-Dynamic O RA é estático, mas o tamanho pode ser dinâmico O dynamic link aponta para o topo do RA do chamador Uma instância de RA é dinamicamente criada quando um subprograma é chamado Exemplo de uma função em C void sub(float total, int part) { } int list[5]; float sum; [4] [3] [2] [1] [0] 6

7 Um exemplo em C sem recursão void A(int x) { int y;... C(y);... } void B(float r) { int s, t;... A(s);... } void C(int q) {... } void main() { float p;... B(p);... } 13 Conteúdo da Pilha Note that: main calls B B calls A A calls C 14 7

8 Implementando Subprogramas em Linguagens baseadas em ALGOL A coleção de dynamic links na pilha em um dado tempo é chamado de dynamic chain, ou call chain Variáveis locais pode ser acessadas por seus offset a partir do início do RA. Este offset é chamado de local_offset O local_offset de uma variável local pode ser determinado pelo compilador 15 Recursão O RA usado no exemplo anterior suporta recursão, e.g. int factorial(int n) { < if (n <= 1) return 1; else return (n * factorial(n - 1)); < } void main() { int value; value = factorial(3); < } 16 8

9 RA para factorial 17 Subprogramas Aninhados Algumas linguagens non-c-based que usam escopo estático (Fortran 95, Ada, JavaScript) usam variáveis locais stack-dynamic e permitem subprogramas ser aninhados Observação: todas variáveis que podem ser não localmente acessadas residem em alguma instância de registro de ativação na pilha Processo para localizar uma referência não-local: 1. Encontre o registro de ativação correto 2. Determine o offset dentro da instância do RA 18 9

10 Localizando uma Referência Não- Local Encontrar o offset: fácil Encontrar a instância de RA correta: Regras de semântica estática garantem que todas variáveis não-locais que podem ser referenciadas sejam alocadas em alguma instância do registro de ativação, que está na pilha, quando uma referência é feita 19 Subprogramas Aninhados Técnica - Static Chains Uma static chain é uma cadeia de links estáticos que conecta certas instâncias de registro de ativação O static link em uma instância de RA para um subprograma A aponta para uma das instâncias de RAs de ancestrais estáticos de A A static chain de uma instância de RA conecta a todas as instâncias de seus ancestrais 20 10

11 Static Chains (continuação) Para encontrar a declaração para uma referência a uma variável não-local: É possível percorrer a static chain até que a instância de registro de ativação (IRA) que contém a variável seja encontrada (nomes de variáveis armazenados na IRA) Definição: static_depth é um inteiro associado com o escopo estático cujo valor é a profundidade do aninhamento no escopo 21 Static Chains (continuação) main static_depth = 0 A static_depth = 1 B static_depth = 2 C static_depth =

12 Static Chains (continuação) Definição: O chain_offset ou nesting_depth de uma referência não-local é a diferença entre static_depth da referência e o contido no escopo onde foi declarado Uma referência pode ser representada pelo par (chain_offset, local_offset) onde local_offset é o deslocamento no IRA da variável sendo referenciada 23 Exemplo em Pascal 24 program MAIN_2; var X : integer; procedure BIGSUB; var A, B, C : integer; procedure SUB1; var A, D : integer; begin { SUB1 } A := B + C; < end; { SUB1 } procedure SUB2(X : integer); var B, E : integer; procedure SUB3; var C, E : integer; begin { SUB3 } SUB1; E := B + A: < end; { SUB3 } begin { SUB2 } SUB3; A := D + E; < end; { SUB2 } begin { BIGSUB } SUB2(7); end; { BIGSUB } begin BIGSUB; end. { MAIN_2 } 12

13 Exemplo em Pascal Seqüência de chamada para MAIN_2 MAIN_2 chama BIGSUB BIGSUB chama SUB2 SUB2 chama SUB3 SUB3 chama SUB1 25 Conteúdo da Pilha: posição

14 Exemplo em Pascal Posição 1 em SUB1: A - (0, 3) B - (1, 4) C - (1, 5) Posição 2 em SUB3: E - (0, 4) B - (1, 4) A - (2, 3) Posição 3 em SUB2: A - (1, 3) D - error E - (0, 5) Subprogramas aninhados Manutenção da Static Chain Na chamada (assumindo que não há parâmetros que sejam subprogramas e sem passagem de parâmetros por nome): O IRA deve ser construída O dynamic link é um ponteiro para o topo da pilha (anterior) O static link deve apontar para o mais recente IRA do ancestral estático (na maioria das situações) Dois métodos: 1. Busca a dynamic chain até o primeiro IRA para o ancestral estático (fácil, mas lento) 14

15 29 Subprogramas aninhados 2. Tratar chamadas e definições como referências a variáveis e definições (o compilador computa o nesting depth, ou número de escopos entre o chamador e o procedimento que declarou o procedimento chamado; armazena esse nesting depth e envia para o chamado) Veja MAIN_2 o conteúdo da pilha. A chamada para SUB1 em SUB3, esse nesting depth é 1, que é enviado para SUB1 com o chamado. O static link na nova IRA para SUB1 aponta para IRA que é apontada para o segundo static link na static chain para a IRA para SUB3 Exemplo em Pascal 30 program MAIN_2; var X : integer; procedure BIGSUB; var A, B, C : integer; procedure SUB1; var A, D : integer; begin { SUB1 } A := B + C; < end; { SUB1 } procedure SUB2(X : integer); var B, E : integer; procedure SUB3; var C, E : integer; begin { SUB3 } SUB1; E := B + A: < end; { SUB3 } begin { SUB2 } SUB3; A := D + E; < end; { SUB2 } begin { BIGSUB } SUB2(7); end; { BIGSUB } begin BIGSUB; end. { MAIN_2 } Veja MAIN_2 o conteúdo da pilha. A chamada para SUB1 em SUB3, esse nesting depth é 1, que é enviado para SUB1 com o chamado. O static link na nova IRA para SUB1 aponta para IRA que é apontada para o segundo static link na static chain para a IRA para SUB3 15

16 Subprogramas aninhados Avaliação do Método de Static Chain Problemas: 1. Uma referência não-local é lenta se o número de escopos entre a referência e a declaração da variável referenciada é grande 2. Código time-critical é difícil pois os custos de referência a variáveis não locais não são iguais e podem mudar com atualizações de código ou manutenções (corretivas ou adaptativas) Subprogramas aninhados Técnica 2 - Displays Ideia: Colocar os static links em uma pilha separada, chamada de display. As entradas no display são ponteiros para IRA s que têm as variáveis no ambiente de referência Representa referências como (display_offset, local_offset) Onde display_offset é o mesmo que chain_offset 16

17 Displays (continuação) Mecanismos de referência: Usar o display_offset para obter o ponteiro no display para o IRA com a variável Usar o local_offset para obter a variável dentro do IRA 33 Displays (continuação) Manutenção do Display (assumindo que não haja parâmetros que são subprogramas e sem passagem de parâmetros por nome) Note que display_offset depende apenas de static depth do procedimento cujo IRA está sendo construído. É exatamente a static_depth do procedimento Há k+1 entradas no display, onde k é a static depth da unidade de código em execução (k=0 é o principal) 34 17

18 Displays (continuação) Para uma chamada ao procedimento P com uma static_depth k: a. Armazene, na nova IRA, uma cópia do ponteiro do display na posição k b. Coloque o link para a IRA para P na posição k no display Na saída, coloque o ponteiro do display salvo (do IRA) de volta no display da posição k 35 Displays (continuação) Para ver que isso funciona: Faça Psd ser a static_depth de P, e Qsd ser a static_depth de Q Assuma que Q chama P Há 3 casos possíveis: 1. Qsd = Psd 2. Qsd < Psd 3. Qsd > Psd 36 18

19 Subprogramas aninhados O display pode ser mantido em registros acelera o acesso e manutenção Comparando Static Chain e Display 1. Referências a locais Sem diferença significativa 2. Referências a não-locais Se um nível de diferença, são iguais Se mais longe, display é mais rápido Display é melhor para códigos time-critical, pois todos os acesso a não-locais custam o mesmo 37 Subprogramas aninhados 3. Procedure calls Para um ou dois níveis de profundidade, static chain é mais rápido Caso contrário, display é mais rápido 4. Retorno de procedimentos Ambos têm tempo fixo, mas static chain é um pouco mais rápido Geral: Static chain é melhor, a menos que o display possa ser mantido em registros 38 19

20 Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Matemática e Computação Bacharelado em Ciência da Computação Linguagens com Escopo Dinâmico Implementando Escopo Dinâmico 1. Deep Access referências não-locais são encontradas pela busca nas IRA na dynamic chain Tamanho da cadeia não pode ser estaticamente determinada Toda IRA deve ter nomes de variáveis 40 20

21 Conteúdo da Pilha para programa de escopo dinâmico 41 Implementando Escopo Dinâmico 2. Acesso superficial coloca coisas locais em um lugar central Métodos: a. Uma pilha para cada nome de variável b. Tabela central com uma entrada para cada nome de variável 42 21

22 Usando Acesso Superficial para implementar Escopo Dinâmico Os nomes nas células da pilha indicam as unidades do programa em que as variáveis foram declaradas 43 22