Environnements d'ex

1
Environnements d'exécution
Notions de base Spécificités des langages
sources Organisation de la mémoire Stratégies
d'allocation mémoire Accès aux noms non
locaux Passage de paramètres
2
Objectifs
Décrire la relation entre le programme source et
l'exécution Exemple de notion statique les noms
des variables (font partie du programme
source) Exemple de notion dynamique les
adresses des variables (existent pendant
l'exécution) Décrire le moteur d'exécution Le
code que le système d'exploitation lance pour
exécuter le programme compilé Langages C, Java,
Pascal, Lisp, Fortran
3
Notions de base (1/2)
Procédures ou fonctions Définies par
l'association d'un identificateur, le nom, et
d'une instruction, le corps Parfois on dit
fonction quand elle renvoie une valeur et
procédure sinon nous ne ferons pas la
différence Paramètres formels Dans la définition
de la fonction Paramètres effectifs Dans un appel
de la fonction Activation d'une fonction Période
qui va de l'appel d'une fonction (avec
éventuellement des paramètres réels) à son retour
4
Exemple
program sort(input, output) var a
array0..10 of integer procedure readarray
var i integer begin for i 1 to 9 do
read(ai) end function partition(y, z
integer) integer var i integer begin
... end procedure quicksort(m, n integer)
var i integer begin if (ngtm) then
begin i partition (m, n)
quicksort(m, i - 1) quicksort (i 1, n)
5
Exemple
end end begin a0 - 9999 a10
9999 readarray quicksort(1, 9) end.
6
Notions de base (2/2)
Fonctions récursives Fonction dont une activation
peut commencer alors qu'une autre est en
cours Arbre d'exécution Les noeuds sont les
activations des fonctions avec leurs
paramètres Chaque fils d'un noeud correspond à un
appel Pile d'exécution La pile des activations en
cours à un instant donné Portée d'une
déclaration Noms locaux, noms globaux
7
Arbre d'exécution
sort
quicksort(1, 9)
readarray
partition(1, 9)
quicksort(1, 3)
quicksort(5, 9)
partition(1,3)
partition(5, 9)
quicksort(1, 0)
quicksort(5, 5)
quicksort(2, 3)
quicksort(7, 9)
partition(7, 9)
partition(2, 3)
quicksort(7, 7)
quicksort(2, 1)
quicksort(3, 3)
quicksort(9, 9)
8
Pile d'exécution
sort
quicksort(1, 9)
readarray
partition(1, 9)
quicksort(1, 3)
quicksort(5, 9)
partition(1,3)
partition(5, 9)
quicksort(1, 0)
quicksort(5, 5)
...
...
sort quicksort(1, 9) quicksort(1, 3)
fond de pile
sommet de pile
9
Notions statiques et dynamiques

• Exemple passage d'un nom de variable à une
  valeur

liaison
état
nom
adresse
valeur
Si l'environnement associe une occurrence du nom
x à l'adresse s, on dit que x est lié à s Un nom
peut être lié à plusieurs adresses Une occurrence
d'un nom peut être liée à plusieurs adresses
(fonction récursive) Une adresse peut contenir
plusieurs valeurs successivement
10
Notions statiques et dynamiques
statique dynamique connu à la
compilation dépend de chaque exécution définition
d'une fonction activations d'une
fonction déclaration d'un nom liaisons d'un
nom portée d'une déclaration durée de vie d'une
liaison
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Spécificités des langages
L'organisation d'un compilateur dépend des
réponses à des questions sur le langage source Y
a-t-il des fonctions récursives ? Comment sont
traités les noms locaux au retour des fonctions
? Une fonction peut-elle utiliser des noms non
locaux ? Comment sont passés les paramètres ? Les
fonctions peuvent-elles être passées en paramètre
? être renvoyées comme valeur ? L'allocation de
mémoire peut-elle être dynamique ? La libération
doit-elle être explicite ?
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Organisation de la mémoire
Zone utilisée en mémoire pour l'exécution d'un
programme
Code exécutable (taille statique) Données
statiques dont les adresses sont compilées dans
le code Pile d'exécution Le tas est l'emplacement
de toutes les autres informations en C, la
mémoire allouée dynamiquement Les adresses dans
la pile sont des adresses relatives (offset) par
rapport au sommet de la pile
code
données statiques
pile

tas
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Enregistrements d'activation
Zone de mémoire empilée à l'appel d'une fonction
et dépilée au retour
fond de pile
Lien de contrôle pointe sur l'enregistrement
d'activation appelant Lien d'accès accès aux
variables non locales Etat machine valeurs des
registres au moment de l'appel Zone temporaire
pour le calcul des expressions
valeur renvoyée
paramètres effectifs
lien de contrôle
lien d'accès (en Pascal)
sauvegarde de l'état de la machine
variables locales
zone temporaire
sommet de pile
14
Disposition des données locales
Adresses calculées à la compilation Unité
minimale d'adressage L'octet (byte) Pour
certaines opérations le mot machine, souvent 4
octets Espace laissé vide remplissage
(padding) Placement d'un objet Octets consécutifs
(la taille dépend du type) L'adresse est celle du
premier octet Pendant l'analyse des
déclarations Adresses relatives Par rapport à un
point de référence dans l'enregistrement
d'activation
15
Exemple
La taille de chaque type C dépend de la machine
type char short int long float
taille (bits) 8 16 32 32 32
alignement (bits) 8 16 32 32 32
taille 8 24 48 64 64
alignement 64 64 64 64 64
machine
1
2
Alignement sur la machine 1, si un char est
suivi d'un short, on perd 1 octet Taille d'un
pointeur sur la machine 2, 24 bits pour le mot
et 6 pour 1 bit parmi 64, donc 30 bits
16
Allocation statique
La stratégie d'allocation mémoire la plus
simple Toutes les liaisons sont permanentes
pendant toute l'exécution Les valeurs des noms
locaux persistent d'un appel au suivant Les
adresses des données sont statiques L'emplacement
des enregistrements d'activation est
statique Limitations La taille de toutes les
données est statique La récursivité est
interdite La création dynamique de structures de
données est interdite
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Exemple
Un programme en Fortran qui - lit une ligne et
la copie dans un tampon BUFFER - copie BUFFER
dans BUF jusqu'à rencontrer un espace, puis
affiche BUF (programme principal) Exemple entrée
demain matin sortie demain La fonction
PRDUCE - lit la ligne et la copie dans BUFFER
(premier appel) - puis lit dans BUFFER un
caractère par appel Le programme principal écrit
dans BUF puis affiche BUF Attention au choc
culturel...
18
Exemple
PROGRAM CNSUME CHARACTER 50 BUF INTEGER
NEXT CHARACTER C, PRDUCE DATA NEXT /1/, BUF /'
'/ 6 C PRDUCE() BUF(NEXTNEXT) C NEXT
NEXT 1 IF ( C .NE. ' ' ) GOTO 6 WRITE (,
'(A)') BUF END
19
CHARACTER FUNCTION PRDUCE() CHARACTER 80
BUFFER INTEGER NEXT SAVE BUFFER, NEXT DATA
NEXT /81/ IF ( NEXT .GT. 80 ) THEN READ (,
'(A)') BUFFER NEXT 1 END IF PRDUCE
BUFFER(NEXTNEXT) NEXT NEXT1 END
20
L'instruction SAVE permet à PRDUCE de retrouver
les valeurs de BUFFER et NEXT d'un appel à l'autre
code de CNSUME
code de PRDUCE
enregistrement d'activation de CNSUME BUF NEXT C
enregistrement d'activation de PRDUCE BUFFER NEXT
code
données statiques
21
Allocation en pile
Les enregistrements d'activation sont empilés à
l'appel de la fonction et dépilés au retour Les
valeurs locales sont perdues Séquence
d'appel réserve et remplit un enregistrement
d'activation Séquence de retour restaure l'état
de la machine avant l'appel pour reprendre
l'exécution où elle en était
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valeur renvoyée paramètres
lien d'accès sauvegarde de l'état machine
données locales temporaires
enregistrement d'activation de l'appelant
lien de contrôle
à la charge de l'appelant
valeur renvoyée paramètres
lien d'accès sauvegarde de l'état machine
données locales temporaires
enregistrement d'activation de l'appelé
lien de contrôle
sommet de pile
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Séquences d'appel et de retour

• Séquence d'appel
• L'appelant évalue les paramètres
• Il enregistre l'adresse de retour et la valeur du
  sommet de pile dans l'enregistrement d'activation
  de l'appelé
• Il incrémente le sommet de pile
• L'appelé sauvegarde les valeurs des registres
• Il initialise ses données locales
• Séquence de retour
• L'appelé place la valeur à renvoyer
• Il restaure le sommet de pile et les autres
  registres et saute à l'adresse de retour
• L'appelant copie la valeur renvoyée

24
Allocation en pile
Données de taille variable Les données de taille
variable sont placées sur la pile au-dessus de
l'enregistrement d'activation Leur adresse
relative n'est pas connue à la compilation L'enreg
istrement d'activation contient des pointeurs
vers ces données Les adresses relatives de ces
pointeurs sont connues à la compilation On
utilise un 2e pointeur de sommet de pile qui
tient compte des données de taille variable
(sommet)
25

lien d'accès sauvegarde de l'état machine

lien de contrôle
enregistrement d'activation de p
pointeur sur A
pointeur sur B
tableau A
tableaux de p
tableau B

lien d'accès sauvegarde de l'état machine
données locales temporaires
lien de contrôle
enregistrement d'activation de q
sommet de pile
tableau A
tableaux de q
sommet
26
Allocation en pile
Données de taille variable Au retour de q, la
nouvelle valeur de Sommet est restaurée à partir
de SommetPile en tenant compte de la taille des
champs de sauvegarde, liens, paramètres et valeur
de retour la nouvelle valeur de SommetPile est la
valeur du lien de contrôle
27
Accès aux noms non locaux
Dépend des règles de portée des variables dans le
langage source Les règles qui relient les
occurrences des variables à leurs
déclarations Portée statique ou lexicale C,
Java, Pascal, Ada Portée déterminée par le texte
source du programme Portée dynamique Lisp, APL,
Snobol Portée déterminée par les activations en
cours
28
Structure de blocs
Bloc --gt Déclarations Instructions Les
instructions peuvent contenir des blocs Une
fonction peut contenir plusieurs blocs Portée
statique La portée d'une déclaration faite dans B
est incluse dans B Si un nom x n'est pas déclaré
dans B (non local à B), une occurrence de x dans
B est liée à la déclaration de x dans le plus
petit bloc B' tel que - x est déclaré dans B' -
B' contient B
29
Exemple
main() int a 0 int b 0 int b 1
int a 2 printf("d d", a, b)
int b 3 printf("d d", a, b)
printf("d d", a, b) printf("d
d", a, b)
B0
B1
B2
B3
30
Portée statique
Réalisation deux méthodes Allocation en
pile On considère chaque bloc comme une fonction
sans paramètres ni valeur de retour Allocation
globale On regroupe toutes les variables
déclarées dans les blocs de la fonction On peut
lier à une même adresse deux variables dont les
portées sont disjointes (a de B2 et b de B3)
31
Portée statiquesans fonctions emboîtées
Les noms sont de deux sortes - locaux à une
fonction - globaux, déclarés hors des
fonctions Exemple le langage C Les noms globaux
sont alloués de façon statique Les noms locaux
sont en pile, accessibles à partir du pointeur de
sommet de pile Pas besoin de lien d'accès
32
Fonctions passées en paramètre
Avec la portée statique sans fonctions emboîtées,
on peut facilement passer une fonction en
paramètre ou la renvoyer comme résultat include
ltstdio.hgt int m int f(int n) return m n
int g(int n) return m n int b(int
(h)(int)) printf("\n", h(2)) int
main(void) m 0 b(f) b(g)
33
Portée statiqueavec fonctions emboîtées (1/6)
En Pascal, on peut déclarer une fonction à
l'intérieur d'une autre Les emboîtements de
fonctions forment un arbre statique
sort
readarray
exchange(i, j)
quicksort(m, n)
Profondeur d'emboîtement 1 pour le programme
principal On ajoute 1 pour chaque imbrication
34
Exemple
program sort(input, output) var a
array0..10 of integer x integer
procedure readarray var i integer
begin for i 1 to 9 do read(ai) end
procedure exchange(i, j integer) begin x
ai ai aj aj x end
procedure quicksort(m, n integer) var k,
v integer function partition(y, z
integer) integer var i, j integer
begin ... a ... v ... exchange(i, j) ...
end begin ... end begin ... end .
35
Portée statiqueavec fonctions emboîtées (2/6)
sort
quicksort(m, n)
readarray
exchange(i, j)
partition(y, z)
Profondeur d'une variable Profondeur
d'emboîtement de la fonction où elle est
définie Une variable de profondeur v ne peut être
utilisée que dans une fonction de profondeur f ?
v Une fonction de profondeur g ne peut être
appelée que par une fonction de profondeur f ? g
- 1 f g - 1 seulement si g est locale à f
36
Portée statiqueavec fonctions emboîtées (3/6)
sort
quicksort(m, n)
readarray
exchange(i, j)
partition(y, z)
Si une fonction g locale à f a un enregistrement
d'activation dans la pile, alors f a un
enregistrement d'activation au-dessous de celui
de g (c'est l'EA le plus récent qui soit de
profondeur inférieure à celle de
g) L'enregistrement d'activation de f n'est pas
forcément juste au-dessous de celui de g Le lien
de l'EA de g vers l'EA de f est le lien d'accès
37
Portée statiqueavec fonctions emboîtées (4/6)
sort
quicksort(m, n)
readarray
exchange(i, j)
partition(y, z)
Si une variable est utilisée dans une fonction
g, - elle est déclarée dans g ou dans une
fonction h qui contient g - on la lie à un
enregistrement d'activation présent dans la pile
l'enregistrement d'activation de h le plus
récent - on accède à cet EA en remontant les
liens d'accès - le nombre de liens d'accès est la
différence de profondeur entre g et h
38
Portée statiqueavec fonctions emboîtées (5/6)
sort
quicksort(m, n)
readarray
exchange(i, j)
partition(y, z)
Si une variable a de profondeur p(a) est utilisée
dans une fonction f de profondeur p(f), on trouve
son adresse - en remontant p(f) - p(a) liens
d'accès - en utilisant l'adresse relative de a
dans l'enregistrement d'activation obtenu Ces
deux valeurs sont connues à la compilation Elles
représentent la liaison de cette occurrence de a
39
Portée statiqueavec fonctions emboîtées (6/6)
Calcul du lien d'accès dans la séquence
d'appel Une fonction f appelle une fonction g Si
p(f) p(g) - 1 g est locale à f le lien
d'accès est égal au lien de contrôle Si p(f) ?
p(g) on remonte p(f) - p(g) 1 liens d'accès
depuis l'enregistrement d'activation de f Ces
calculs sont faits à la compilation
40
sort

a, x
sort

a, x
sort

a, x
sort

a, x
quicksort(1, 9)

k, v
quicksort(1, 9)

k, v
quicksort(1, 9)

k, v
quicksort(1, 9)

k, v
accès
accès
accès
accès
quicksort(1, 3)

k, v
quicksort(1, 3)

k, v
quicksort(1, 3)

k, v
accès
accès
accès
partition(1, 3)

i, j
partition(1, 3)

i, j
accès
accès
exchange(1, 3)


accès
41
Fonctions passées en paramètre
program param(input, output) procedure
b(function h(n integer) integer begin
writeln(h(2)) end procedure c var m
integer function f(n integer) integer
begin f m n end begin m 0 b(f)
end begin c end .
42
Fonctions passées en paramètre
Calcul du lien d'accès à l'appel de f
param


c

m
accès
b ltf gt

k, v
acc
Pour appeler f on a besoin de l'adresse du code
et du lien d'accès
accès
43
Accès direct aux noms non locaux
Une méthode plus rapide pour accéder aux noms non
locaux Un tableau de pointeurs vers les
enregistrements d'activation Pour chaque
profondeur j, displayj pointe vers
l'enregistrement d'activation où sont placés les
noms non locaux de niveau j A chaque appel on met
à jour display Quand on empile un enregistrement
de profondeur i, 1. sauvegarder displayi dans
le nouvel enregistrement 2. faire pointer
displayi sur le nouvel enregistrement Avant de
dépiler, on restaure displayi
44
sort


sort


sort


sort












d1
d1
d1
d1
d2
d2
d2
d2
qs(1, 9)


qs(1, 9)


qs(1, 9)


qs(1, 9)


d2
d2
d2
d2
d3
d3
qs(1, 3)


qs(1, 3)


qs(1, 3)


d2
d2
d2
pt(1, 3)


pt(1, 3)


d3
d3
ex(1, 3)


d2
45
Portée dynamique
Les liaisons des noms non locaux ne changent pas
quand on appelle une fonction Un nom non local
dans la fonction appelée est lié au même
emplacement que dans la fonction
appelante Réalisation On recherche l'emplacement
des noms non locaux en suivant les liens de
contrôle On n'a pas besoin de liens d'accès
46
Portée dynamique
program dynamic(input, output) var r real
procedure show begin write(r 53) end
procedure small var r real begin r
0.125 show end begin r 0.250 show
small writeln show small writeln end
.
Résultats portée statique 0.250 0.250 0.25
0 0.250 portée dynamique 0.250 0.125 0.250 0.1
25
47
Passage des paramètres (1/5)
Passage par valeur Les valeurs des paramètres
effectifs sont passés à la procédure
appelée Exemple le langage C Réalisation Les
paramètres formels sont traités comme des noms
locaux Les paramètres effectifs sont évalués par
l'appelant Ne modifie pas les valeurs dans
l'enregistrement d'activation de l'appelant, sauf
à travers des noms non locaux ou des pointeurs
passés par valeur
48
Passage des paramètres (2/5)
Pascal procedure echange(i, j integer) var x
integer begin x ai ai aj
aj x end
C swap(int x, y) int temp temp x
x y y temp main() int a
1, b 2 swap( a, b)
49
Passage des paramètres (3/5)
Passage par référence Les adresses des paramètres
effectifs sont passés à la procédure
appelée Exemple en Pascal program
reference(input, output) var a, b
integer procedure swap(var x, y integer)
var temp integer begin temp
x x y y temp end
begin a 1 b 2 swap(a, b)
end .
50
Passage des paramètres (4/5)
Passage par copie et restauration Les valeurs des
paramètres effectifs sont passées à la procédure
appelée Au retour, les nouvelles valeurs des
paramètres sont copiées à leur adresse Exemple
Fortran
51
Passage des paramètres (5/5)
Passage par nom Le corps de la fonction est
substitué à l'appel Les paramètres sont
substitués littéralement Exemples Algol Macros
en C define swapint(a, b) int x a a b b
x swapint(i, ai) affecte la valeur i à
aai