编译原理运行时存储空间的组织和管理课件

变量和数据的存储
• 静态存储：在编译时分配固定大小的内存空间。 • 动态存储：在运行时动态地分配和释放内存空间。 • 数据对齐：为了提高访问效率，对变量在内存中的位置进行调整。 • 在程序中，变量和数据的存储方式通常分为静态存储和动态存储两种。静态存
储是指在编译时就为变量分配固定大小的内存空间，这种方式适用于在程序执 行期间大小不变的变量。而动态存储是在运行时动态地为变量分配和释放内存 空间，它适用于大小在运行时才能确定或者在程序执行过程中会发生变化的数 据结构。为了提高内存访问效率，编译器通常还会进行数据对齐操作，即调整 变量在内存中的位置，使其按照特定的字节边界对齐，这样可以减少CPU访 问内存的次数，提高程序的执行速度。
04 数据段和代码段 的管理
数据段的组织和管理
静态存储分配：在编译时确定变量的 存储空间需求，并为其分配固定的存 储空间。这种分配方式适用于全局变 量和静态变量，其存储空间通常位于 数据段中。
动态存储分配：在运行时根据程序的 需要动态地分配存储空间。这种方式 适用于局部变量和临时变量，其存储 空间通常位于栈或堆中。动态存储分 配能够更有效地利用存储空间，并根 据需要动态调整。
03 堆区和栈区的管 理
堆区的组织和管理
动态内存分配
内存碎片问题
堆区是程序中用于动态内存分配的区 域，使用堆区可以实现在运行时根据 需要动态地分配和释放内存空间。在 堆区中，内存块的大小和数量是灵活 的，可以根据程序的需求进行调整。 常用的动态内存分配函数包括 malloc()和new()。
由于堆区的动态分配特性，频繁地分 配和释放内存块可能会导致内存碎片 问题。内存碎片指的是堆区中无法被 有效利用的小块内存空间。为了解决 这个问题，可以采用内存池技术，预 先分配一大块内存空间，并将其划分 为多个小块，每次需要分配内存时， 从内存池中获取一块合适的内存块。
垃圾回收机制
在堆区中，不再使用的内存块需要被 及时释放，否则会导致内存泄漏问题 。为了管理堆区的内存，许多编程语 言采用了垃圾回收机制。垃圾回收器 会自动检测堆区中不再被引用的内存 块，并进行释放，从而避免了手动管 理内存的繁琐和错误。
栈区的组织和管理
函数调用栈
栈溢出问题
栈区用于存储程序的函数调用栈。每 当函数被调用时，会在栈区中为其分 配一块内存空间，称为栈帧。栈帧中 存储了函数的局部变量、返回地址和 临时数据等信息。当函数执行完毕后 ，相应的栈帧会被弹出，释放相应的 内存空间。
05 高级主题与优化 技术
内存管理的高级技术
动态内存分配
动态内存分配技术能够在运行时根据程序的需求动态地分配或释放内存空间，从而提高内存的利用率。
垃圾收集
垃圾收集技术可以自动回收不再被程序使用的内存空间，减少内存泄漏和野指针的问题，提高程序的稳定性和效率。
内存映射文件
内存映射文件技术可以把文件的一部分或全部映射到内存中，使得对文件的操作可以像对内存的操作一 样方便，提高文件的访问速度。
编译原理运行时存储空间的 组织和管理课件
目录
• 引言 • 运行时存储空间基础知识 • 堆区和栈区的管理 • 数据段和代码段的管理 • 高级主题与优化技术
01 引言
编译原理概述
定义与作用
编译原理是研究如何将高级语言代码 转换为可执行机器码的原理和技术。
编译过程
包括词法分析、语法分析、语义分析 、代码优化和代码生成等阶段。
旦程序被加载到内存，CPU就可以开始执行它的指令。在执 行过程中，程序可能会使用到一些运行时存储空间，如堆（ heap）和栈（stack）。当程序执行完毕，它会被从内存中卸 载，并释放占用的空间，以便其他程序可以使用。
程序的内存分区
代码区
存放程序的二进制代码。
数据区
存放全局变量和静态变量。
堆区
动态分配内存的区域。
运行时存储空间的重要性
程序执行的基础
运行时存储空间是程序执行时存放数据的地方，直接影响程 序的执行效率和正确性。
存储空间的分配与管理
合理的存储空间分配和管理策略可以提高程序的性能和资源 利用率。
课程目标和内容概述
课程目标
掌握编译原理中运行时存储空间的组织 与管理方法，理解相关算法和技术的原 理与应用。
• 在代码段的组织和管理过程中，编译器需要关注指令的顺序、跳转和分支等控 制流结构，以确保程序能够正确执行。此外，编译器还可以进行优化，减少代 码段的大小和提高代码的执行效率。
• 代码段的管理还涉及到程序的加载和执行。当程序被加载到内存中时，代码段 通常会被映射到进程的虚拟地址空间中。编译器需要生成适当的加载地址和重 定位表等信息，以确保程序能够正确地在内存中定位和执行指令。
数据段的管理还涉及到变量的作用域 和生命周期。编译器需要根据变量的 作用域确定其在存储空间中的可见性 ，并根据变量的生命周期确定存储空 间的分配和释放时机。
代码段的组织和管理
• 代码段通常包含程序的指令代码，也被称为文本段。它是程序代码在内存中的 映射，用于存储程序的机器码和只读数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
• 代码段通常是只读的，防止程序在运行时修改指令代码。这样可以提高程序的 安全性和稳定性。
程序的内存分区
栈区：存放局部变量和函数调用的信息。
程序的内存通常被分为几个区域以更有效地管理存储 空间。代码区用于存放程序的二进制代码，它是只读 的，以防止程序意外地修改其自身代码。数据区用于 存放全局变量和静态变量，这些变量在程序执行期间 一直存在。堆区用于动态内存分配，它允许程序在运 行时根据需要分配和释放内存。栈区用于存放局部变 量和函数调用的信息，这些信息在函数调用结束后会 被自动释放。
由于栈区的空间是有限的，当函数调 用层次过深时，可能会导致栈溢出问 题。栈溢出指的是栈区内存空间不足 ，无法容纳新的栈帧。为了避免栈溢 出，可以限制函数的递归深度，或者 在编译器中进行栈空间大小的调整。
局部变量存储
栈区中存储了函数的局部变量。局部 变量只在函数执行期间有效，当函数 执行完毕后，它们会被自动释放。这 种自动管理局部变量的方式，使得程 序更加简洁和安全。在编译器设计中 ，需要为局部变量分配适当的栈空间 ，并记录其访问和作用域信息，以确 保程序的正确执行。
以上的高级主题与优化技术 ，可以帮助我们更好地理解 和管理编译原理中的运行时 存储空间，提高程序的运行 效率和稳定性。
THANKS
感谢观看
运行时存储空间的优化策略
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数据压缩
通过对数据的压缩，可以减少程序运行时所需的 存储空间，从而提高存储空间的利用率。
数据共享
对于一些重复的数据，可以采用数据共享的方式 进行存储，从而减少存储空间的消耗。
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使用高效的数据结构
选择适合问题场景的高效数据结构，可以减少存 储空间的占用，并提高程序的运行效率。
VS
内容概述
将介绍运行时存储空间的基本概念、存储 分配策略、内存管理算法、垃圾回收机制 等关键内容。
02 运行时存储空间 基础知识
程序的生命周期
• 加载：程序从外部存储设备（如硬盘）加载到内存中。 • 执行：加载完成后，CPU开始执行程序的指令。 • 卸载：程序执行完毕后从内存中卸载，释放占用的空间。 • 程序的生命周期始于将其从外部存储设备加载到内存中。一
案例分析与实战演练
案例一：C程序的内存管理 ：通过分析C程序的内存管 理策略，了解如何合理地使 用new和delete操作符进行 动态内存分配和释放。
案例二：Java程序的垃圾收 集优化：通过调整Java垃圾 收集器的参数和配置，优化 程序的垃圾收集性能，减少 垃圾收集对程序运行的影响 。
案例三：Python程序的内存 映射文件应用：通过Python 的内存映射文件技术，实现 对大文件的快速读写操作， 提高文件的访问速度和效率 。