narges s. bathaeian طراحي و پیاده سازی زبانها کنترل زیربرنامه

Narges S. Bathaeian

و پیاده سازی طراحي زبانها

کنترل زیربرنامه

Narges S. Bathaeian

loadشكل كلي حافظه بعد از برنامه

...

Code segment

Data segment

ك شده به ي

ص داده صي

خظه ت

حافبرنامه كد تابع

main……

1كد تابع ........

2كد تابع ........

globalمتغيرهاي ……

xپارامترهاي تابع آدرس برگشت

متغيرهاي محلي xتابع

متغيرهاي موقت xتابع

........

Narges S. Bathaeian

Activation recordglobalمتغيرهاي

……

تابع xپارامترهايبرگشت آدرس

محلي متغيرهايxتابع

موقت متغيرهايxتابع

........

تابع yپارامترهايبرگشت آدرس

محلي متغيرهايyتابع

موقت متغيرهايyتابع

……..

Activation record تابعx

Activation record تابعy

4

activation recordRemember that data storage for subprograms is in an activation record.

var X: integer;

X is of type integer.

L-value of X is some specific offset in an activation record.

Goal is to look at locating activation record for P.

Given an expression: X = Y + Z

1. Locate activation record containing Y.

2. Get L-value of Y from fixed location in activation record.

3. Repeat process for Z and then X.

Narges S. Bathaeian

انواع محيطهاي اجرا( كامال ايستاfully static) :simple call-

returnFORTRAN77

( مبتني بر پشتهstack based)C, PASCAL

( كامال پوياfully dynamic)LISP

Narges S. Bathaeian

Fully static قبل از اجراي برنامه, يكActivation

record براي هر تابع , در نظر گرفته مي شود.

( همه متغيرهاglobal, local از يك آدرس )ثابت قابل دستيابي هستند.

پارامترهاي توابع تنها اشاره گر به مكانهايي اززننده هستند. تابع صدا

.توابع بازگشتي نمي توانيم داشته باشيم.پوينتر نمي توانيم داشته باشيم

Narges S. Bathaeian

شكل كلي حافظه در محيط كامال )الگوی اول(ايستا

تابع mainكد

تابع 1 كد

….

تابع n كد

globalمتغيرهاي

Activation record تابعmain

Activation record 1تابع

….

Activation record تابعn

Narges S. Bathaeian

شكل كلي حافظه در محيط كامال globalمتغيرهاي )الگوی دوم(ايستا

)common(

دستور آدرس

تابع mainكد

محلی متغیرهای و پارامترها

دستور آدرس

تابع 1كد


دستور آدرس

تابع 2كد


….

Narges S. Bathaeian

مثال از يك برنامه

FORTRAN

PROGRAM TESTCOMMON MAXSIZEINTEGER MAXSIZEREAL TABLE(10), TEMPMAXSIZE = 10READ *, TABLE(1), TABLE(2), TABLE(3)CALL QUADMEAN(TABLE,3,TEMP)PRINT *, TEMPENDSUBROUTIN QUADMEAN(A, SIZE, QMEAN)COMMON MAXSIZEINTEGER MAXSIZE, SIZEREAL A(SIZE), QMEAN, TEMPINTEGER KTEMP = 0.0IF(( SIZE.GT.MAXSIZE).OR.(SIZE.LT.1)) GOTO 99

DO 10 K=1, SIZETEMP = TEMP+ A(K) * A(K)

10 CONTINUE99 QMEAN = SQRT(TEMP/SIZE)

RETURNEND

Narges S. Bathaeian


FORTRAN

PROGRAM TEST

COMMON MAXSIZE

INTEGER MAXSIZE

REAL TABLE(10), TEMP

MAXSIZE = 10

READ *, TABLE(1), TABLE(2), TABLE(3)

CALL QUADMEAN(TABLE,3,TEMP)

PRINT *, TEMP

END

SUBROUTIN QUADMEAN(A, SIZE, QMEAN)

COMMON MAXSIZE

INTEGER MAXSIZE, SIZE

REAL A(SIZE), QMEAN, TEMP

INTEGER K

TEMP = 0.0

IF(( SIZE.GT.MAXSIZE).OR.(SIZE.LT.1)) GOTO 99

DO 10 K=1, SIZE

TEMP = TEMP+ A(K) * A(K)

10 CONTINUE

99 QMEAN = SQRT(TEMP/SIZE)

RETURN

END

MAXSIZE

TABLE)1(…

TABLE)10(

TEMP

3

A

SIZE

QMEAN

RETURN ADDRESS

TEMP

K

Act. re

cع

تابTES

TA

ct. re

cع

تابQ

UA

DM

EA

N

Return addr. )IP = PC(

Narges S. Bathaeian

Stack based با فراخواني تابعactivation

record مربوط به آن در stack , push مي شود و هنگام بازگشت به

مي stack , popتابع صدازننده, از شود.

دو نوعStatic scope

بدونlocal procedure مانند زبان : C باlocal procedure مانند زبان : Pascal

Dynamic Scope

...

Code segment

Stack

Heap

PZ09A Programming Language design and Implementation -4th EditionCopyright©Prentice Hall, 2000

Activation record structure

Narges S. Bathaeian


C #include <stdio.h>int x , y ;int gcd ( int u , int v ){

if (v==0) return u;else return gcd(v , u % v);

}

main(){

scanf(“%d%d”, &x , &y );printf(“%d\n”,gcd(x,y));return 0;

}

x: 15

y: 10

Act. rec تابع main

u : 15v : 10EPIP

u : 10v : 5EPIP

u : 5v : 0EPIP

CEPsp

Control link = EP: Environment Pointer

Narges S. Bathaeian

توضيحاتCEP )Current Environment Pointer( = FP

)frame pointer( رجيستري كه در آن آدرس :activation record.جاري در آن است

sp : stack pointer رجيستري كه در آن آدرس سر :stack.در آن است

EP آدرس :activation record.قبلي را دارد آدرس متغيرهايpush شده مي تواند با توجه به CEP و

اندازه بايت الزم تعيين شوند. متغيرهاي محلي تابع و موقت بعد ازreturn address

مي شوند.pushدر تابع CEP ها تشکیل یک زنجیره بنام DCP )Dynamic

chain pointer(.می دهند

Narges S. Bathaeian

هنگام فراخواني يك تابع(prologue): آرگومانها محاسبه شده و درstack , push مي

شوند. مقدارCEP درstack , push(.مي شود EP) مقدار جديدCEP برابرsp .جاري مي شود ( آدرس بازگشتPC) در stack , push مي

(IPشود. ) يكjump به ابتداي كد تابع فراخواني شده انجام

مي شود.

Narges S. Bathaeian

هنگام بازگشت از يك تابع(Epilogue): مقدارCEP درsp.ريخته مي شود مقدارEP به داخلCEP.ريخته مي شود يك پرش با توجه به آدرس موجود درreturn

address.به كد انجام مي شود آرگومانها ازstack , pop مي شوند تا مقدار

sp.تصحيح شود

Narges S. Bathaeian


C #include <stdio.h>

int x , y ;

int gcd ( int u , int v )

{ int t;

if (v==0) return u;

else { t= gcd(v , u % v);

return t;}

}

main()

{

scanf(“%d%d”, &x , &y );

printf(“%d\n”,gcd(x,y));

return 0;

}

x: 15

y: 10

Act. rec تابع mainCEP= XX00

sp = XX04

pc = X0X0

Narges S. Bathaeian



int x , y ;


{ int t;

if (v==0) return u;


return t;}

}

main()

{

scanf(“%d%d”, &x , &y );


return 0;

}

x: 15

y: 10


u : 15v : 10XX00X0X0t :

CEP=XX0B

sp=XX11

pc = X0XA

Narges S. Bathaeian



int x , y ;


{ int t;

if (v==0) return u;


return t;}

}

main()

{

scanf(“%d%d”, &x , &y );


return 0;

}

x: 15

y: 10


u : 15v : 10XX00X0X0t :

CEP=XX0B

sp=XX0Fpc = X0XD

Narges S. Bathaeian



int x , y ;


{ int t;

if (v==0) return u;


return t;}

}

main()

{

scanf(“%d%d”, &x , &y );


return 0;

}

x: 15

y: 10


u : 15v : 10XX00X0X0t :

u : 10v : 5XX0B X0XDt :

CEP

sp

Narges S. Bathaeian

متغيرها در زمان offsetمحاسبه كامپايل

آدرسEP در هرactivation record مبنا در نظر گرفته مي شود.

آدرس متغير هايي كه در بااليEP هستند)پارامترهاي تابع( با مقدار مثبت و بقيه با مقدار

منفي نمايش داده مي شوند.

Narges S. Bathaeian

مثال

v: +4 u: +6 t: -6

:فرض Int : 2 byte Float : 4 byte Address : 4 byte Char : 1 byte Double : 8 byte

x: 15

y: 10


u : 15v : 10XX00X0X0t :

u : 10v : 5XX0B X0XDt :

CEP

Narges S. Bathaeian

Procedureهاي تودر تو ( در هر حوزهscope به اسامی تعریف شده در )

آن حوزه میتوان دسترسی داشت. پس: هرprocedure به procedure هاي فرزند و برادر

خود دسترسي دارد و مي تواند آنها را فراخواني كند. و حوزه , آن حوزهمتغيرهاي تعريف شده در يك حوزه

است. حوزه فرزند آن حوزه های :پياده سازي

SCP )static chain pointer( یا Access link آدرس : Act. Rec دسترسي به( پدر procedure)پدر

فراخواني شده از پدرفراخواني شده از برادر

Narges S. Bathaeian

از يك 1مثال برنامه

Pascalprogram test; Var x,y:integer; Procedure p;

…procedure q;

begin…r;…

end;procedure r;

… begin

… end;Begin

…p;…

End;

x: 15

y: 10


test

P

q r

اجازه دسترسيها در زمان كامپايل

نگهداري مي .شود

Narges S. Bathaeian


Pascal program test;Var x,y:integer;Procedure p;

…procedure q;

begin…r;…

end;procedure r;

…begin

…end;

Begin…p;…

End;

x: 15

y: 10Act. rec تابع main

…No SCPDCP…

Act

. R

ec

p

Narges S. Bathaeian



…procedure q;

begin…r;…

end;procedure r;

…begin

…q;…

end;Begin

…p;…

End;

x: 15


…No SCPDCP…

…

SCPDCP…

Act

. R

ec

pA

ct.

Rec

q

ني از طرف پدر:افراخوقرار داده مي شود. SCPدر CEPمقدار

Narges S. Bathaeian



…procedure q;

begin…r;…

end;procedure r;

…begin

…q;…

end;Begin

…p;…

End;

x: 15


…No SCPDCP…

…

SCPDCP…

…

SCPDCP…

Act

. R

ec

pA

ct.

Rec

qA

ct.

Rec

r

ني از طرف برادر:افراخوقرار داده مي شود. SCPبرادر در SCPمقدار

Narges S. Bathaeian

از يك برنامه2مثال Pascal

program test;Var x,y:integer;Procedure p;

…procedure q;

procedure r;…

begin…r;…

end;begin

…q;…

end;Begin

…p;…

End;

x: 15


…No SCPDCP…

…

SCPDCP…

…

SCPDCP…

Act

. R

ec

pA

ct.

Rec

qA

ct.

Rec

r

SCPزنجيره

Displays

The idea: Put the static links in a separate stack

called a display. The entries in the display are

pointers to the Act_recs that have the variables in the referencing environment.

Represent references as

(display_offset, local_offset)

where display_offset is the same as chain_offset

Narges S. Bathaeian

Displays

For a call to procedure P with a static_depth of k: Save, in the new Act_rec, a copy of the display

pointer at position k Put the link to the Act_rec for P at position k in

the display

Narges S. Bathaeian

Displays (Example)

Narges S. Bathaeian

program MAIN_3; procedure BIGSUB;

procedure SUB1; end; { SUB1 } procedure SUB2; procedure SUB3; end; { SUB3 } end; { SUB2 } end; { BIGSUB } end. { MAIN_3 }

Displays(Example)

Narges S. Bathaeian

program MAIN_3; procedure BIGSUB; procedure SUB1; end; { SUB1 } procedure SUB2; procedure SUB3; end; { SUB3 } end; { SUB2 } end; { BIGSUB }end. { MAIN_3 }

Case 1: SUB2 calls SUB1

Before the call, we have:

A.R. for SUB2

A.R. for BIGSUB 21

A.R. for MAIN_3 0

Stack Display

After the call, we have:

A.R. for SUB1

A.R. for SUB2

A.R. for BIGSUB 21

A.R. for MAIN_3 0

Stack Display

Displays(Example)

Narges S. Bathaeian


Case 2: SUB2 calls SUB3

Before the call, we have:

AR. for SUB2

AR. for BIGSUB 21

AR. for MAIN_3 0

Stack Display


AR. for SUB3

AR. for SUB2 3 AR. for BIGSUB 2

1 AR. for MAIN_3 0

Stack Display

Displays(Example)

Narges S. Bathaeian


Case 3: SUB3 calls SUB1 Before the call, we have:

AR. for SUB3

AR. for SUB23

AR. for BIGSUB 21

AR. for MAIN_3 0

Stack Display


AR. for SUB1

AR. for SUB3

AR. for SUB23

AR. for BIGSUB 21

AR. for MAIN_3 0 Stack Display

Dynamic scope rule refers to most recent activation

record )DCP( Not fully stack based

Stack: function calls Eamples

Lisp …

Narges S. Bathaeian

Static vs. Dynamic Scope Example

var x=1;function g)z( { return

x+z; }function f)y( { var x = y+1; return g)y*x(;}f)3(;

x 1

x 4

y 3

z 12

outer block

f)3(

g)12(

Which x is used for expression x+z ?static scope

dynamic scope

Retention vs. Deletion Retention

Fortran Static and global

variables in C

Deletion Local variables in

C, Pascal

Narges S. Bathaeian

38

Parameter passing Parameter: A variable in a procedure that represents

some other data from the procedure that invoked the given procedure.

Parameter transmission: How that information is passed to the procedure.

• The parameter is also called the formal argument.The data from the invoking procedure is called the actual argument or sometimes just the argument.

Usual syntax: Actual arguments: call P(A, B+2, 27+3) Parameters: Procedure P(X, Y, Z) What is connection between the parameters and the

arguments?• Call by name• Call by reference• Call by value• Call by result (or value-result)

39

Language dependent

Difference languages have different mechanisms:

• ALGOL - name, value• Pascal - value, reference• C - value (BUT pointers give us reference

Constant tension between desire for efficiency and semantic correctness in defining parameter transmission.

40

Call by name Substitute argument for parameter at each occurrence of parameter:

Invocation: P(A, B+2, 27+3) Definition: procedure P(X,Y,Z)

{int I; I=7; X = I + (7/Y)*Z;} Meaning: P(X,Y,Z) {int I; I=7; A=I+(7/(B+2))*(27+3);}

This is a true macro expansion. Simple semantics, BUT:1. Implementation. How to do it?

2. Aliases. What if statement of P were: I = A?

3. Expressions versus statements: If we had D=P(1,2,3) and a return(42) in P, what does semantics mean?

4. Error conditions: P(A+B, B+2, 27+3)

41

Implementation of call by name A thunk is the code which computes the L-value and R-

value of an argument. For each argument, pass code address that computes both

L-values and R-values of arguments. P(A, B+2, 27+3) generates:

jump to subroutine P

address of thunk to return L-value(A)

address of thunk to return R-value(A)

address of thunk to return L-value(B+2)

address of thunk to return R-value(B+2)

address of thunk to return L-value(27+3)

address of thunk to return R-value(27+3) To assign to X, call thunk 1, To access X, call thunk 2To assign to Y, call thunk 3, To access Y, call thunk 4To assign to Z, call thunk 5, To access Z, call thunk 6

Issue: Assignment to (B+2): How? Call by name is conceptually convenient, but

inefficient.

42

Examples of Call by Name1. P(x) {x = x + x;}

Seems simple enough …Y = 2; P(Y); write(Y) means Y = Y+Y

write(Y) prints 42. int A[10];

for(I=0; I<10; I++) {A[I]=I;};I=1; P(A[I]) A[1] = A[1] + A[1] A[1] set to 2

3. But: F {I = I + 1; return I;}What is: P(A[F])?P(A[F]) A[F] = A[F]+A[F] A[I++] = A[I++]+A[I++]

A[2] = A[3]+A[4]

4. Write a program to exchange values of X and Y: (swap(X,Y))Usual way: swap(x,y) {t=x; x=y; y=t;}Cannot do it with call by name. Cannot handle both of following: swap(I, A[I]) swap(A[I],I)

One of these must fail.

43

Call by reference Pass the L-value of the argument for the parameter.

Invocation: P(A, B+2, 27+3)

Implementation:Temp1 = B+2Temp2 = 27+3jump to subroutine PL-value of AL-value of Temp1L-value of Temp2

This is the most common parameter transmission mechanism. In the procedure activation record, parameter X is a local variable whose R-value is the L-value of the argument.

44

Call by value Pass the R-value of the argument for the parameter.

Invocation: P(A, B+2, 27+3)

Implementation: Temp1 = B+2

Temp2 = 27+3

jump to subroutine P

R-value of A

R-value of Temp1

R-value of Temp2 In procedure activation record, parameter X is a local

variable whose R-value is the R-value of the argument.

45

Call by reference in C C only has call by value, BUT pointer variables allow for simulating call by reference:P(i, j) passes i and j by value.P(&i, &j) passes L-values of i and j.

P(*x, *y) {*x = *y + 1;} arguments are addresses (pointers)

Call by result (or value-result)

Call by value, AND pass back the final value to argument upon return.

Parameter is a local value in procedure.

Similar to call by reference, except for aliasing.Narges S. Bathaeian

Narges S. Bathaeian

Pass by value

void inc2)int x({ ++x; ++x; }

void inc2)int *x({ ++)*x(; ++)*x(; }

مقدار يك پارامتر قبل ازفراخواني تابع محاسبه

شده و نتيجه فرستاده مي شود.

تغيير پارامتر در تابعفراخواني شده, تاثيري در تابع فراخواني كننده ندارد.

مگر اينكه اشاره گر به متغير فرستاده شده باشد.

C , Pascal , ADA

بي تاثير

موثر

Narges S. Bathaeian

Pass by reference

void inc2)int &x({ ++x; ++x; }

مقدار آدرس پارامترفرستاده مي شود.

عنوان پارامتر در تابعفراخواني شده,

مجازي است.C& : ++Fortran77Pascal : var

در تابع فراخواني شده, آدرس

پارامتر كه بطور نسبي فرستاده

شده بايد با توجه دوباره SCPبه

محاسبه شود.

Narges S. Bathaeian

Pass by value-resultvoid p)int x, int y({ ++x; ++y; }

main)({ int a=1; p)a,a(; printf)“%d”, a(; return 0;}

مقدار يك پارامتر قبل ازفراخواني تابع محاسبه شده و نتيجه فرستاده

سپس مقدار مي شود.پارامتر پس از تغيير در

تابع فراخواني شده, دوباره در مكان اول خود

كپي مي شود.ADA : in out پياده سازي؟a=2

Narges S. Bathaeian

Pass by nameint a[10];int i;void p)int x({ ++i; ++x; }

main)({ i=a[1]=a[2]=1; p)a[i](; printf)“%d %d”, a[1],a[2](; return 0;}

مقدار يك پارامتر قبل از نشدهفراخواني تابع محاسبه

و در تابع فراخواني شده محاسبه مي شود.

هر پارامتر, خود يكprocedure.است

Algol60نتايج غير منتظرهپياده سازي مشكلLazy evaluating

a[1]=1a[2]=2

i=2;

Narges S. Bathaeian

Block برخي زبانها مانندC .بلوك بندي مي شوند Scope متغيرهاي تعريف شده در يك بلوك, آن بلوك و

بلوكهاي فرزند آن بلوك است....main(){

int i,j;{

int k=0;i=j=1;…

}k=… //undefined variable k…

}

Narges S. Bathaeian

پياده سازي بلوك با وارد شدن به يك بلوك متغيرها درstack,

push.مي شوند ازبا خارج شدن از يك بلوك متغيرها stack, pop

مي شوند. در محاسبهoffset متغيرها در زمان كامپايل بايد

يكساني offsetدقت شود. بلوكهاي برادر از شروع مي شوند.

Narges S. Bathaeian

Fully Dynamic در Modula2 مي توان يك procedure را به عنوان

ديگر داشت.procedureآرگومان برگشتي كامال درheap.پياده سازي مي شود :مثال صوري

typedef int (*proc)(void);proc g(int x){ int f(void) {return x; }

return f;}main(){ proc c;

c = g(2);printf(“%d”,c());return 0;

}

Narges S. Bathaeian

تخصيص حافظهدر خواست تخصيص حافظه توسط برنامه

malloc , newپيدا كردن فضاي مناسب خالي در حافظهدر خواست آزادسازي حافظه توسط برنامه

free آزادسازي حافظه و اضافه كردن آن به ليست

فضاهاي خالي

Narges S. Bathaeian

Dynamic environment براي مواقعي كه طول عمر يك متغير

مربوطه است.procedureبيشتر از بخاطرpop شدن procedure با stack

سازي نيست. قابل پياده:مثال

int *dangle)void({int x;

return &x;} است. پسآرگومان برگشتي یک xآدرس

تعريف stackبايد در قسمتي جدا از شده باشد.

...

Code segment

Stack

Heap

narges s. bathaeian طراحي و پیاده سازی زبانها کنترل زیربرنامه

Documents