编译原理与技术

程序单元 －FORTRAN的子例程(subroutine) －PASCAL的过程/函数(procedure/function) －C的函数
程序单元的激活（调用）与终止（返回） 程序单元的执行需要：
代码段＋活动记录（程序单元运行所需的额 外信息，如参数，局部数据，返回地址等）
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活动记录的内容
返回值（return value） 实在参数（actual parameter） 控制链（control link）
可选的访问链（optional access/static link）
机器状态（saved machine status） 局部数据（local data） 临时区（temporaries）
I （ 100 ）
第二次调用sub，输出100
第二次调用后 机器状态
I （ 100 ）
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动态存储分配
栈式分配 － AR在过程被调用（激活）时才在栈 （stack）上分配；而在被调用过程（返回） 终止时从栈上撤销。 － 过程中（非静态）局部变量的存储绑定在 过程执行时有效；过程终止时失效。 － 支持过程递归调用。每次递归调用时，局 部变量绑定到不同的存储。
栈顶sp 临时区
长度可变的区 域放在AR低端
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栈式分配下的过程调用与返回
－ 过程调用：分配被调过程的AR并填入相关信息， 然后程序控制转移到被调过程入口；
－过程A 调用 过程B 的过程调用序列：
A的“调用”准备操作：1）～ 3）
1）A 计算实在参数并放入（对应栈操作－push） B的活动记录中；（亦可考虑返回值存放空间）
{ int b = 1 ; // block 1 { int a = 2 ; printf(“%d %d\n”,a,b);//block 2 } { int b = 3 ; printf(“%d %d\n”,a,b);//block 3 } printf(“%d %d\n”,a,b);
} printf(“%d %d\n”,a,b); }
2）A将可选的访问链放入（push）B的活动记录；
3）A将返回地址放入B的活动记录并跳转到过程B 的代码入口，开始B的执行；（一般通过A中的 代码指令－“call B” 来完成这一步）
4）
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栈式分配下的过程调用与返回 －过程A 调用 过程B 的过程调用序列： B的入口代码：4）～ 6） 4）在B自己的AR中保存A的活动记录的基址
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分程序的实现
1）按无参过程方式来实现
－控制流进入分程序时，在栈上分配局部变量空间 ，退出时撤销上述空间。e.g.6中各变量存储如下：
a0 = 0 b0 = 0 b1 = 1
a0 = 0 b0 = 0 b1 = 1 a1 = 2
a0 = 0 b0 = 0 b1 = 1 b2 = 3
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运行时内存划分
代码段 静态数据区 栈（stack）
大小可以静态确定 全局/局部静态变量 活动记录栈
堆（heap）
动态分配的数据
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活动记录
活动记录－AR （Activation Record） 是一连续存储区域，用于管理与存放和程序 单元执行相关的重要信息。
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e.g.2 栈式存储分配
过程g被调用时，活动记录栈的（大致）内容
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返回地址
old bp
a : 1000 返回地址
old bp
a : 100
返回地址
bp
old bp
a : 10 sp
main程序的AR 函数h的AR 函数g的AR
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主程序 : 0
嵌套深度：1
A：1
var j : integer; procedure C ;
嵌套深度：2
i： 2
begin
B;
C
B：2
end; begin
j := i;
BA 主程序
嵌套深度：3
j： 3
C;
C：3
end;
begin
B;
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活动记录内容的存取
AR的基地址bp
返回值 实在参数 控制链 （old bp）
可选的访问链
机器状态 局部数据 临时区
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活动记录内容的存取
返回值
地址：
实在参数
bp+d1
偏 移
控制链（old bp）
d1
可选的访问链
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e.g.1 FORTRAN静态存储分配
CALL sub
SUBROUTINE sub
CALL sub END
DATA I/10 WRITE(*.*) I
第一次调用前 机器状态
I = 100
I （ 10 ）
END 第一次调用sub，输出10
第一次调用后 机器状态
“最接近嵌套” 序）
vs. 现行单元活动（调用次
分程序
－ 含有声明和语句；如C的{…}
－ 分程序具有以下特征：
-- 可以嵌套；
-- 没有参数；
-- 控制流沿静态文本进入、流出
-- 采用“最接近嵌套”的规则
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非局部变量访问
e.g.6 分程序 main() { int a = 0 ; int b =0; //local VAR of main
a0 = 0 b0 = 0 b1 = 1 a1 = 2 b2 = 3
b）a1和b2将被分配在不同 的空间。
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过程嵌套定义语言中非局部名字访问
program dynamic_static_link; procedure A ; var i : integer ; procedure B ;
（即当前bp，对应操作 push bp）并且将这 个位置作为B自己AR的基址（对应操作）
mov sp,bp 即 bpsp） 5）保存可选的机器状态（寄存器） 6）为局部数据分配空间，（对应操作） sub local_size，sp，即sp sp – local_size 7）“开始”B的执行。（至此，B的AR建好）
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e.g.4. scanf的可变参数
&f &i 格式串1指针 返回地址 老bp … …
bp+8 bp
&j 格式串2指针
返回地址 老bp … …
scanf的第一次调用时AR scanf的第二次调用时AR
由于C语言采用 逆序传递参数， 格式串参数将被 放在AR中的“固 定”位置，即 bp+8。而由此参 数即可确定待输 入值的参数（变 量）的个数。从 而适应参数个数 变化的情况。
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e.g.4. scanf的可变参数
有如下C程序： main() { int i ; float f; int j ; scanf(“%d%f”, &i, &f); //第一次调用时3个参数 scanf(“%d”, &j ); //第二次调用时 2个参数 return 0; }
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分程序的实现
2）按过程为单位统一分配
－将分程序中的局部变量独立地看成过程的局部变 量。e.g.6中各变量存储如下： （两种方案）
a0 = 0
b0 = 0 b1 = 1
a1 = 2, b2 = 3
a）a1和b2将先后被分配在 同一空间，因为它们的生 存期（作用域）不重叠、 不嵌套。
d1、d2谁正谁负？
bp
机器状态
偏移d2 局部数据
临时区
地址： bp+d2
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静态存储分配
－ 全局变量的存储绑定、AR均在编译时确定 且在整个程序执行中保持。
－ 不支持： 1）动态数据结构 2）过程递归调用
－ 实现静态分配的语言： （早期）FORTRAN
AR中的内容 － 临时区域。用以保存临时计算结果
－ 局部数据区。源程序中程序单元声明的局 部变量对应在此区域。
－ 机器状态保存区。存有机器的寄存器，程 序指令计数器 ip（返回地址）等。
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活动记录
AR中的内容 － 访问链（静态链）。当前程序单元可以访 问的（静态程序中）外围程序单元的活动记 录链。 － 控制链（动态链）。程序单元的活动记录 按它们的生成（或调用）次序串成链。 － 实在参数 － 返回值
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e.g.3 有参函数的活动记录
参数 b 参数 a 返回地址 老bp 局部变量c 局部变量d
bp+12 bp+8
bp bp－4 bp－8
.file "ar.c"
void func( int a , int b )
.text
{
.globl func
int c , d;
.type func,@function
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栈式分配下的过程调用与返回
－ 过程返回：回收分配的被调过程的AR，并将程 序控制转移回调用过程继续执行；
－过程A 调用 过程B 的过程返回序列：
B的出口代码：1）～ 2）
1）B回收局部数据空间；恢复原先保存的机器状态 2）B恢复A的AR基址；取出返回地址将程序控制交 回到A。对应操作：
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存储组织与分配
程序单元、运行时内存划分与活动记录 静态/动态存储分配 动态栈式的过程调用/返回 非局部名字的访问
参数传递
参数传递的方式及其实现
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存储组织与分配
至此，B的AR区域全部回收（撤销）了。
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e.g.2 栈式存储分配
有C程序如下： void g() { int a ; a = 10 ; } void h() { int a ; a = 100; g(); } main() { int a = 1000; h(); }
a0 = 0 b0 = 0 b1 = 1
a0 = 0 b0 = 0
a）进入block 1, b）进入block 2, c）退出block 2, d）退出block 3, e）退出block 1,
未进入block 2 未进入block 3 进入block 3
进入block 1
进入main
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c = a;
func:
d = b;
pushl %ebp
}
movl %esp, %ebp
subl $8, %esp
movl 8(%ebp), %eax
movl %eax, -4(%ebp)
movl 12(%ebp), %eax
movl %eax, -8(%ebp)
leave
ret
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mov bp,sp spbp
pop bp
//恢复调用者A的bp
ret
// B执行结束并返回
注：X86-Linux中的leave 和ret组合亦能达到目的。
至此，B的AR中除了参数/返回值区域，其余区域全部 回收（撤销）了。
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栈式分配下的过程调用与返回 －过程A 调用 过程B 的过程返回序列： A的“调用”善后代码：3）～ 4） 3）A取回返回值以及引用型参数（有的话） 4）A调整栈顶sp（主要根据参数个数以及可 能有的访问链和可能有的返回值）。对应操 作： add para_size, sp 即spsp + para_size
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e.g.5 悬空引用
有C程序如下： main() {
int * p = dangle(); … }
int * dangle() {
int i; return &i; }
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非局部变量访问
静态作用域规则 vs. 动态作用域规则
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动态存储分配
栈式分配下的AR内容布局
高地址
返回值 实在参数
可选的访问链
参数/返回值区域放在AR 高端－靠近调用者过程的 活动记录，既便于双方存 取，又适应参数可变情况
返回地址
bp
调用者 bp
长度固定的区 域放在AR中间
可选机器状态
低地址
局部数据