编译原理运行时环境

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对名字的访问：（续）
fp mOffset=+8
高端地址
m:2 返回地址
控制链 y:1
mOffset yOffset 低端地址
yOffset=-4
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对名字的访问：（续）
例：考虑下面的C过程
对f调用的活动记录为：
Viod f(int x,char c)
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2020/12/13
编译原理运行时环境
第7章 运行时环境(存储空间)(续)
o 存储分配是在运行阶段进行的，但编译程序在 编译阶段要为其设计好存储组织形式，并将这 种组织形式通过生成的目标代码体现出来。 (举例说明：函数调用分析.txt)
o 目标代码运行时，存储空间的组织称为目标代 码的运行时环境。
主调函数的控 制链(main.ebp)
栈底 栈顶
c:3
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
当一个函数被调用时，在栈顶为该函数分配 所需的数据空间(过程活动记录)如下：
1) 将实参的值压入在该函数对应的新活动记录中。 2) 将被调函数执行完毕后的返回地址压入在新的活动记录中。 3) 完成到被调用的过程代码一个转移。 4) 将主调函数的fp作为控制链压入到新的活动记录中。 5) 改变fp以使其指向新的活动记录(将sp复制到fp中) 6) 将该函数的局部变量和局部临时变量压入到新的活动记录中。
放的数据结构 n 过程不可递归调用
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7.2 完全静态的运行时环境（续）
整个程序 存储器如 右所示：
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第7章 运行时环境(存储空间)
7.1 程序执行时的存储器组织 7.2 完全静态的运行时环境 7.3 基于栈的运行时环境 7.4 动态存储器 7.5 参数存储机制
全局/静态区域
main的活动记录
v:10 u:15 返回地址
第一次调用gcd 时的活动记录
main的fp
v:5 u:10 返回地址
第二次调用gcd 时的活动记录
第一次调用gcd时的fp
v:0
u:5
第三次调用gcd
返回地址
时的活动记录
第二次调用gcd时的fp
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自由空间
栈生长方向 编译原理运行时环境
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第7章 运行时环境(存储空间)
7.1 程序执行时的存储器组织 7.2 完全静态的运行时环境 7.3 基于栈的运行时环境 7.4 动态存储器 7.5 参数存储机制
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7.1程序执行时的存储器组织
目标代码运行时,操作系统为目标代码的运行分配 的存储空间按用途可划分为下面几个部分:
程序的运行时环境：
{f(y);
x- -;
g(y);
}
}
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
sp,fp
fp sp
sp,fp
fp sp
x:2 x（from f）:1
全局/静态区域
m:2 返回地址 main的fp
y:1
main的活动记录
第一次调用g时 的活动记录
n:1
第一次调用f时
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西北工业大学软件与微电子学院
10 编译原理运行时环境
7.1程序执行时的存储器组织（续）
o 在C语言中, 采用以函数（或过程）为单位的动态存 储分配方案：
n 当一函数被调用时，就在栈顶为该函数分配所需的数据空 间(过程活动记录)，当一个函数工作完毕返回时，它在栈 顶的数据空间(过程活动记录)也即释放。
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7.2 完全静态的运行时环境
o 在完全静态环境中，不仅全局变量，所有的变量都是 静态分配，即整个程序所需数据空间的总量在编译时 是完全确定的，从而每个数据名的地址就可静态地进 行分配，适于静态分配的语言，要求满足的条件是：
n 每个数据名所需的存储空间的大小都是常量 n 不允许采用动态的数据结构，即在程序运行过程中申请或释
o C语言所调用函数 的活动记录示例 (函数调用分析中 的举例)
o 控制链：指向调 用函数活动记录 的一个地址。
当前函数的 控制链
b:2 a:1 该函数调用结束 时的返回地址 (00401014)
主调函数的控 制链
c:3
栈底 栈顶
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第7章 运行时环境(存储空间)
7.1 程序执行时的存储器组织 7.2 完全静态的运行时环境 7.3 基于栈的运行时环境 7.4 动态存储器 7.5 参数存储机制
存放本次执行中的局部数据
存放目标程序临时变 量的值;
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7.1程序执行时的存储器组织（续）
实参
返回地址
调用者
控制链
调
的活动 记录
临时变量和局部数据
用 者
实参 返回地址 控制链
的
职
被调用
责
者的活
动记录
临时变量和局部数据
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7.1程序执行时的存储器组织（续）
编译原理）
o 栈区：函数中的形参和在函数中定义的局部变量以及局 部临时变量（C、C++、Java），这些变量分配在栈区， 每次函数执行的时候会在栈中为函数的执行分配相应的 存储区，而在函数执行完毕后，释放相应的存储区。
n 编译器“知道”存在栈中的具体数据所占内存大小和内存分配 和释放的“时刻”；
返回地址
的活动记录
第一次调用g时的fp
m:1 返回地址 第一次调用f时的fp y:0
第二次调用g时的 活动记录
自由空间
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栈生长方向
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
o 目标代码的生成必须
n 支持变量和临时变量的实际定位，并增加支持运 行时环境所必需的代码。
✓ 对名字的访问 • 局部临时变量 • 嵌套声明 • 如何处理可变长度的问题
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
o 目标代码的生成必须
n 支持变量和临时变量的实际定位，并增加支持运 行时环境所必需的代码。
o 对名字的访问 局部临时变量 o 嵌套声明 o 如何处理可变长度的问题
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局部临时变量：
o 考虑C表达式：x[i]=(i+j)*(i/k+f(j))，在这个 表达式从左到右的求值计算中，在对f的调 用过程中需要保存中间结果： x[i]的地址、 i+j的和、i/k的商。
o 全程/静态区域：静态数据区用来存放那些具有绝对地 址的数据和变量(如静态变量和全程变量)；编译器可 以确定其所占用存储空间的大小，初始化的全局变量 和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初 始化的静态变量在相邻的另一块区域，程序执行结束 后由系统释放。
o 本章案例分析.doc
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对名字的访问：
o 在没有局部过程的基于栈的运行时环境中，所有的非 局部的名字都是全局的，因此也就是静态的，都具有 一个固定的静态地址，可以被直接访问。
o 对函数参数和局部变量而言，在大多数的语言中，如 果函数的声明在编译时是固定的，而且为每个声明分 配的存储器大小也根据其数据类型而固定，每个实参 和局部声明的偏移量可由编译程序计算。
{int a[10];
c
double y;
……
}
fp
x 返回地址 控制链 a[9]
xOffset=+8 aOffset=-40
… a[1]
cOffset=+12 yOffset=-48
a[0]
y
现在对a[i]访问，要求计算地址：
(-40+4*i)(fp)
cOffset xOffset
aOffset yOffset
由于栈区和堆区的长 度会随着目标代码的 运行而变化，因此把 它们分配在数据区的 两端。一般情况下， 栈向下长，堆向上长， 可以使栈和堆共用一 空白存储空间。
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7.1程序执行时的存储器组织（续）
o 代码区域：目标代码的存储区域，由于代码区在执行 之前是固定的，在编译时所有目标代码的地址都是可 计算的，程序执行结束后代码区域内存由系统释放。
7.3 基于栈的运行时环境（续）
例：考虑下列程序清单的c代码。
int x=2;
void g(int);
main()
void f(int n) {static int x=1; g(n);
{g(x); return 0;
x- -;
}
}
void g(int m)
画出至第二次对g调用时，
{int y=m-1; if (y>0)
o 过程的活动记录(activation record,AR)是一段连 续的存储区，用于存放函数的一次执行所需要的信息， 当调用或激活函数时，必须为被调用函数的活动记录 分配空间。
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7.1程序执行时的存储器组织（续）
o 活动记录存放的信息至少应包括以下几个部分：
存放主调函数为被调函数 提供的实参信息; 用于指向主调函数的活动记 录的控制链和返回地址;
o 2.通过该指针可以访问当前执行函数的实参和局部 变量；
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
void __stdcall f_stdcall(int a,int b)
{ int c; c=a+b;
}
ebp
esp
b:2 a:1 该函数调用结束 时的返回地址 (cs:eip) 00401014
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7.1程序执行时的存储器组织（续）
o 堆区：供用户动态申请存储空间，编译器“不需要” 知道究竟得从heap中分配多少空间，也不需要知道从 heap上分配的空间究竟需要存在多久。 n 在c中由malloc，free运算产生释放的存储空间，在 c++中 由new和delete运算符作用的存储空间，以及 在Java中由new分配的存储空间都在堆中进行分配。
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第7章 运行时环境(存储空间)(续)
o 运行时环境有三个类型：完全静态环境(fully static environment)、基于栈的环境(stackbased environment)，以及完全动态环境(fully dynamic environment)。这3种类型的混合形式 也是可能的。
n 注：用它只可访问栈顶
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
n fp(frame point)：控制链指针，即存储当前活 动记录的控制链（即一个地址），对于x86系 统，它采用bp或ebp寄存器存储当前活动记录 的控制链，其作用如下：
o 1.通过该指针可以访问主调函数的活动记录；即允 许在当前的被调函数执行完毕时，用它来恢复主调 函数的活动记录。
当被调函数执行完毕返回时，其对应 的活动记录从栈中弹出的过程：
① 将fp复制到sp中。 ② 将控制链装载到fp中。 ③ 完成到返回地址主调函数的一个转移。 ④ 改变sp以弹出实参。
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
例：计算两个非负整数最大公约数的c代码如下：
#include <studio.h> int x,y; int gcd(int u,int v) { if(v= =0) return u;
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
C语言当前执 行函数的活动 记录示例：
fp sp
b:2 a:1 该函数调用结束 时的返回地址 (cs:eip) 00401014
主调函数的控 制链(main.fp)
c:3
栈底 栈顶
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
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7.3 基于栈的运行时环境
o 在一个所有函数都是全局的、函数定义不允 许嵌套，但允许函数递归调用的程序设计语 言(例如C语言)中，基于栈的动态运行时环 境有两个指针：
n sp:栈顶部(top of stack)指针；对于x86系统来 说，它采用sp或esp寄存器存储栈顶部的地址；
else return gcd(v,u%v) } main() { scanf(“%d%d”,&x,&y);
printf(“%d\n”,gcd(x,y)); return 0;}
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7.3 基于栈的运行时环境（续）
sp,fp sp,fp sp,fp sp,fp
x:15 y:10