Управление подпрограммами
Простые подпрограммы
Определение и активация подпрограмм
Программу можно рассматривать как некоторую иерархическую структуру, состоящую из одной главной программы и множества произвольным образом вызываемых подпрограмм. Точка вызова подпрограммы является и точкой возврата из подпрограммы.
Для выполнения любого выражения транслятор преобразует его в некоторый код, который или может быть сразу аппаратно интерпретируем (машинный язык) или программно интерпретируем (использование интерпретатора).
Для выполнения подпрограммы производится ее активация, в результате чего создаются:
- сегмент кода, содержащий выполняемый код и константы;
- сегмент данных, называемый также записью активации, содержащей локальные переменные и параметры.
Сегмент кода представляет собой неизменяемую часть, статически сохраняемую в памяти, а сегмент данных создается заново при каждом выполнении подпрограммы.
Каждая активация подпрограммы использует один единожды созданный сегмент кода.
Подпрограмма может быть реализована как процедура или функция. Процедура - это подпрограмма, выполняющая определенные действия и завершающаяся без возврата значения определенного типа.
Результатом выполнения функции всегда является возврат некоторого значения.
При выполнении программы текущая выполняемая команда идентифицируется двумя указателями:
- CIP-указатель (current instruction pointer) является указателем текущей команды сегмента кода;
- CEP-указатель (current environment pointer) является указателем текущей записи активации. CEP-указатель иногда также называется указателем текущей среды, так как определяет среду всех объектов данных, используемых подпрограммой.
При выполнении программы интерпретатор выбирает команду по CIP-указателю, увеличивает значение этого указателя и выполняет выбранную команду. Если при выполнении команды был выполнен безусловный переход или вызов подпрограммы, то значение CIP-указателя опять изменяется. Значение переменной, используемой в подпрограмме, определяется по CEP-указателю, идентифицирующему конкретную запись активации.
Последовательный вызов подпрограмм
Запись активации для главной программы создается или перед началом выполнения программы или в процессе трансляции одновременно с формированием сегмента кода.
Перед переходом на подпрограмму текущие значения CIP- и CEP-указателей сохраняются. Выполнение программы начинается с присваивания CEP-указателю адреса записи активации, а CIP-указателю - ссылки на первую команду сегмента кода главной программы. При каждом вызове подпрограммы создается новая запись активации этой подпрограммы, и значение CEP-указателя устанавливается на эту запись активации, а значение CIP-указателя - на первую команду фрагмента кода подпрограммы.
При возврате из подпрограммы восстанавливаются сохраненные значения CIP- и CEP-указателей и удаляется запись активации.
Место сохранения значений CIP-указателя и CEP-указателя иногда называют точкой возврата. Точка возврата представляет собой системный объект, сохраняемый, как правило, в записи активации.
При последовательном вызове подпрограммы (реализуемом иногда как копирование подпрограммы) в процессе выполнения может создаваться множество записей активации подпрограммы, но в каждый отдельный момент времени хранится и используется только одна запись активации, т.е. перед созданием новой записи активации прежняя запись активации должна быть удалена.
Иногда в реализациях для достижения наибольшего быстродействия жертвуют некоторым количеством требуемой памяти: место под запись активации выделяется статически при компиляции (в фрагменте кода) и при каждом вызове происходит только повторная инициализация записи активации. В этом случае никакая подпрограмма не может одновременно иметь более одной записи активации, что значительно сужает возможности программиста. Такая модель выполнения присуща большинству трансляторов языка FORTRAN.
Для аппаратной реализации вызова подпрограммы с заранее фиксированной записью активации достаточно только CIP-указателя, сохраняемого командой перехода с возвратом.
Если место для записи активации должно выделяться динамически, то это, как правило, реализуется с помощью стека.
Стек создается в свободной области памяти. При вызове подпрограммы созданная запись активации помещается в стек. При этом значение указателя стека увеличивается с учетом размера выделяемого пространства. При удалении записи активации значение указателя стека уменьшается с учетом освобождаемого пространства. Выделение и освобождение памяти в стеке происходит с одного конца и фиксируется указателем стека.
Такая реализация позволяет создавать для одной подпрограммы несколько записей активации, которые будут последовательно заноситься в стек.
На рисунке 4.1 представлена организация памяти, используемая при выполнении программы на языке С.
Вся память программы делится на статическую, определяемую при трансляции, и динамическую, содержание которой формируется в процессе выполнения. Стек располагается в динамической области памяти.
Также в динамической области памяти располагается куча, пространство которой используется под динамически создаваемые объекты.