Jezyki i srodowiska programowania system

1
Jezyki i srodowiska programowania systemów
rozproszonych
Wyklad 5 Stos srodowisk, rezultaty
zapytan, funkcja nested
Wykladowca Tomasz Kowalski Wyklady przygotowane
na podstawie materialów prof. Kazimierza Subiety

2
Stos srodowisk
environment stack

• Pojecie stosu srodowisk pojawilo sie w
  informatyce w latach 60-tych.
• Od tego czasu stos ten jest elementem konstrukcji
  wiekszosci znanych jezyków, wlaczajac Pascal,
  C/C, Smalltalk, Java, itd.
• Idea jest prosta i oczywista, ale nie jest czesto
  dostatecznie dobrze objasniona w podrecznikach.
• Przy konstrukcji semantyki jezyków zapytan musimy
  wrócic do stosu srodowisk.
• Zasady zarzadzania srodowiskami programu maja
  wplyw na technike i niezawodnosc programowania.
  Sa one nastepujace
• Srodowisko lokalne danego bytu programistycznego
  ma priorytet w stosunku do srodowiska bardziej
  globalnego.
• Zasada lokalnego kontekst.
• Zasada dowolnego zagniezdzania wolan procedur.

3
Ilustracja dzialania stosu srodowisk
Procedura p1 wywoluje procedure p2, która
wywoluje procedure p3
Wywolanie p3
Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p3 Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p2 Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p1 ... Sekcja danych globalnych
Wywolanie p2
Wyjscie z p3
Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p2 Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p1 ... Sekcja danych globalnych
Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p2 Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p1 ... Sekcja danych globalnych
Wywolanie p1
Wyjscie z p2
Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p1 ... Sekcja danych globalnych
Sekcja lokalnych danych i parametrów procedury
p1 ... Sekcja danych globalnych
Wyjscie z p1
... Sekcja danych globalnych
... Sekcja danych globalnych
czas
4
Wiazanie
binding

• Wiazanie jest to zastepowanie nazw wystepujacych
  w tekscie programu na byty programistyczne czasu
  wykonania, np. na adresy RAM, identyfikatory
  obiektów, adresy startowe procedur, itd.
• Przykladowo, wiazanie nazwy zmiennej x oznacza
  zastapienie tej nazwy przez adres RAM, gdzie
  przechowywana jest wartosc zmiennej x.
• Wiazanie moze byc wczesne lub statyczne (early
  binding, static binding), czyli odbywa sie w
  czasie kompilacji, albo pózne lub dynamiczne
  (late binding, dynamic binding), czyli odbywa sie
  w czasie wykonania.

5
Przykladowa sytuacja na stosie srodowisk
Wykonywany jest blok l w procedurze p2 wywolanej
z p1.
Kolejnosc poszukiwania wiazania dla zmiennej g
procedure p1( x, y ) deklaracje zmiennych a,
b ... call p2( 55, 83 ) ...
procedure p2( z, t ) deklaracje zmiennych
c,d ... ( blok l )
deklaracje zmiennych e, f g 75
... ...
Wierzcholek stosu
Zmienne e, f zadeklarowane wewnatrz bloku
l Zmienne c, d i parametry z(55), t(83)
procedury p2 Zmienne a, b i parametry x, y
procedury p1 ......... Zmienne i inne byty
globalne
Dól stosu
6
Po co jest mechanizm stosu srodowiskowego?

• Abstrakcja i hermetyzacja.
• Izolacja.
• Semantyczna niezaleznosc i ponowne uzycie.
• Wywolywanie procedur z innych procedur.
• Spójne zarzadzanie nazwami uzytymi w programie.
• Realizacja metod transmisji parametrów.
• Kontrola typologiczna (analiza statyczna).
• Podane motywacje maja znaczenie dla jezyków
  zapytan, pozwalajac zrealizowac takie ich
  zalozenia jak mozliwosc dowolnego zagniezdzania
  zapytan, mozliwosc powolywania lokalnych nazw
  wewnatrz zapytan, mozliwosc uzywania nazw z bazy
  danych lacznie z nazwami zmiennych
  programistycznych, nazwami procedur, funkcji i
  metod.

7
Stos srodowisk w SBA

• Stos srodowisk dostosujemy do wymagan semantyki
  jezyków zapytan oraz konstrukcji pochodnych,
  takich jak perspektywy, procedury bazy danych,
  itd. Stos bedzie spelniac nastepujace zalozenia
• Bedzie zgodny z modelami skladu AS0 - AS3.
• Bedzie w jednorodny sposób traktowal dane
  indywidualne i kolekcje.
• Maksymalny rozmiar stosu nie bedzie
  implementacyjnie ograniczony.
• Stos bedzie skladal sie z sekcji, gdzie kazda
  sekcja bedzie przechowywac informacje o pewnym
  srodowisku czasu wykonania, np. srodowisku
  wywolania pewnej funkcji, procedury lub metody,
  srodowisku wnetrza pewnego obiektu, srodowisku
  wnetrza pewnej klasy, srodowisku obiektów bazy
  danych, itd. Rozmiar sekcji nie bedzie
  ograniczony.
• Na dole stosu umieszczone beda sekcje globalne,
  do których naleza globalne zmienne aplikacji,
  baza danych, wspólne biblioteki procedur i
  funkcji, oraz zmienne srodowiskowe systemu
  komputerowego.

8
Binder
binder

• Podstawowa struktura przechowywana na stosie
  srodowisk jest binder.
• Binder jest para ltn, xgt, gdzie n jest zewnetrzna
  nazwa (nazwa zmiennej, stalej, obiektu, funkcji,
  perspektywy, procedury, metody, itd.), zas x jest
  bytem czasu wykonania (zwykle referencja do
  obiektu).
• Pare ltn, xgt bedziemy zapisywac n( x ).
• Definicje te uogólnimy.
• Koncepcja bindera jest bardzo prosta. Zadaniem
  bindera n(x) jest wiazanie, czyli zastapienie
  nazwy n wystepujacej w zapytaniu lub programie na
  wartosc x, bedaca bytem czasu wykonania.
• Dla dowolnej nazwy wystepujacej w programie musi
  byc na stosie odpowiedni binder, który zamieni te
  nazwe na byt czasu wykonania.
• Nazwa, dla której odpowiadajacy jej binder nie
  istnieje, nie moze byc zwiazana, czyli jest
  bledna.
• Przy luznych modelach skladu (tzw.
  pólstrukturalnych, semistructured) mozemy uznac,
  ze wiazanie takiej nazwy jest puste (jest pustym
  zbiorem).

9
Rola binderów

• Uogólnienie Binder jest para n(x), gdzie n moze
  byc dowolna zewnetrzna nazwa definiowana przez
  programiste, uzytkownika, projektanta aplikacji,
  projektanta bazy danych, itp., zas x moze byc
  dowolnym rezultatem zwracanym przez zapytanie.
• W podejsciu stosowym do jezyków zapytan stos
  srodowisk sklada sie z sekcji odpowiadajacych
  poszczególnym srodowiskom czasu wykonania.
• Sekcja jest zbiorem binderów do bytów
  programistycznych odpowiadajacego jej srodowiska.
• W budowanej przez nas semantyce bindery beda
  mialy takze inne zastosowania, w szczególnosci,
  beda niekiedy zwracane jako rezultaty zapytan.
• Stos srodowiskowy bedziemy oznaczac ENVS
  (ENVironment Stack).

10
Przykladowy sklad
11
Przykladowy ENVS
Sekcja chwilowa przetwarzania Sekcja chwilowa
przetwarzania - wlasnosci lokalne wywolanej
metody Sekcja chwilowa przetwarzania - wlasnosci
wnetrza aktualnie przetwarzanego obiektu
Prac Sekcje danych globalnych
Sekcja bazy danych
12
Pojecie stanu

• Pojedyncza referencja jest szczególnym
  przypadkiem rezultatu zapytania.
• W ten sposób, poprzez definicje skladu obiektów i
  stosu ENVS uzyskalismy precyzyjna definicje
  pojecia stanu.
• W podejsciu stosowym pojecie stanu (dziedzina
  Stan) jest definiowane jako stan skladu obiektów
  plus stan stosu srodowisk.
• Brak pojecia stanu jest bardzo powazna wada wielu
  koncepcji i modeli obiektowych, w szczególnosci
  standardów SQL-99, XQuery i ODMG.
• Zgodnie z wczesniejszymi definicjami, semantyka
  zapytania jest funkcja odwzorowujaca stan, czyli
  sklad obiektów oraz stan ENVS, w rezultat.
• Odwzorowaniem, które bedzie podstawa dalszych
  definicji, jest semantyka pojedynczej nazwy
  wystepujacej w zapytaniu lub w programie.
• Czynnosc ewaluacji takiej nazwy nosi nazwe
  wiazania.
• Wiazanie odbywa sie na ENVS zgodnie z regula
  stosu, które nakazuje przeszukiwanie stosu od
  jego wierzcholka w kierunku jego podstawy, z
  pominieciem niektórych sekcji.

13
Reguly wiazania nazw

• Zasady przeszukiwania stosu i wyznaczania
  rezultatu wiazania sa nastepujace
• Dla wiazanej nazwy n, ENVS jest przeszukiwany az
  do znalezienia sekcji, w której znajduje sie
  binder oznaczony nazwa n. Po znalezieniu takiej
  sekcji wyszukiwanie jest zakonczone.
• Wszystkie bindery z tej sekcji oznaczone nazwa n
  tworza rezultat przeszukiwania.
• Rezultat wiazania uzyskuje sie poprzez odrzucenie
  ze znalezionych binderów nazwy n i pozostawienie
  wylacznie wartosci tych binderów.

14
Mechanizm przeszukiwania stosu - funkcja bind
start przeszukiwania stosu
Prac(i1) X(i127) Y(i128) N(5)
I("Anna") ......... Nazwisko(i10) Zarobek(i11)
Adres(i12) PracujeW(i16) ......... Prac(i1)
Prac(i5) Prac(i9) Dzial(i17)
Dzial(i22) .........

• bind( nazwa ) - funkcja wiazania nazw
• bind( Prac ) i1
• bind( Y ) i128
• bind( I ) "Anna"
• bind( Zarobek ) i11
• bind( Dzial ) i17, i22

Binder Prac(i1) znajduje sie w dwóch sekcjach
stosu, ale w tym przypadku wiazanie nazwy Prac
zwróci i1, a nie i1, i5, i9 .
15
Rezultaty zwracane przez zapytania

• Oprócz referencji i wartosci atomowych zapytania
  moga zwrócic bindery.
• Uogólnienie podanych zalozen prowadzi do
  nastepujacej rekurencyjnej definicji dziedziny
  Rezultat
• Atomowa wartosc nalezaca do V (np. 3, "Kowalski",
  TRUE, itd.) nalezy do dziedziny Rezultat.
• Referencja do obiektu (inaczej identyfikator
  obiektu) dowolnego typu nalezaca do I nalezy do
  dziedziny Rezultat. W szczególnosci, do dziedziny
  Rezultat naleza referencje do metod, procedur,
  funkcji, perspektyw, itd.
• Jezeli x ? Rezultat, zas n ? N jest dowolna
  nazwa, wówczas para n(x) nalezy do dziedziny
  Rezultat. Taki rezultat bedziemy nazywac nazwana
  wartoscia w innym kontekscie zostal on juz
  okreslony jako binder.
• Jezeli x1, x2, x3, ... sa atomowymi wartosciami,
  referencjami lub nazwanymi wartosciamy, wówczas
  struct x1, x2, x3, ... ? Rezultat. Kolejnosc
  elementów w strukturze ma znaczenie.
• Jezeli x1, x2, x3, ... sa wyzej wymienionymi
  rezultatami, wówczas bag x1, x2, x3, ... ?
  Rezultat oraz sequence x1, x2, x3, ... ?
  Rezultat.

16
Przyklady zbioru Rezultat

• Atomowe
• 25, "Kowalski", i11, i18
• Zlozone
• structi1, i56
• sequence i1, i6, i11
• bag structi1, i56, structi6, i72,
  structi11, i72
• bagstructn("Kowalski"), Zarobek(2500), d(i56)
• bagstruct Dzial(i56), Prac( bag struct
  n("Nowak"), s(i9 ) ,
  struct n("Stec" ), s(i14) )
• Przy pomocy podanych konstruktorów mozna tworzyc
  struktury przypominajace obiekty. Nie sa one
  jednak obiektami, poniewaz nie mozna im przypisac
  wlasnych identyfikatorów i nie mozna ich zwiazac
  z istniejaca lub nowa klasa. Uzywajac
  terminologii ODMG, rezultaty zapytan sa
  literalami. Takiej terminologii nie bedziemy
  stosowac.

17
Rezultaty zapytan zapisane jako tablice
18
Otwieranie nowego zakresu na stosie srodowisk

• W klasycznych jezykach programowania otwieranie
  nowego zakresu na wierzcholku ENVS nastepuje w
  momencie wywolania procedury (funkcji, metody)
  lub w momencie wejscia sterowania w nowy blok.
  Skasowanie tej sekcji nastepuje w momencie
  zakonczenia dzialania procedury (funkcji, metody)
  lub w momencie wyjscia sterowania z bloku.
• Do klasycznych sytuacji otwierania nowego zakresu
  na ENVS dolaczymy nowa. Stanowi ona istote
  podejscia stosowego do jezyków zapytan. Pewne
  operatory wystepujace w zapytaniach (zwane
  niealgebraicznymi) dzialaja na stosie podobnie do
  wywolan bloków programów.
• Np. w zapytaniu jezyka SBQL
• Prac where (Nazwisko Kowalski and Zarobek gt
  1000)
• czesc (Nazwisko Kowalski and Zarobek gt
  1000) jest blokiem, który jest ewaluowany w
  nowym srodowisku okreslonym przez wnetrze
  obiektu Prac aktualnie testowanego przez operator
  where.
• Na stos ENVS jest wkladana nowa sekcja
  zawierajaca bindery do wszystkich wewnetrznych
  wlasnosci (atrybutów, metod, itd.) tego obiektu
  Prac.

19
Ilustracja otwierania nowego zakresu
Operator where iteruje po rezultacie zapytania
PRAC. W kazdej iteracji wklada (i po ewaluacji
zdejmuje) sekcje stosu zawierajaca bindery do
wnetrza kolejnego obiektu PRAC.
PRAC where
(Nazwisko Kowalski and Zarobek gt 1000)
wiazanie
wiazanie
wiazanie
PRAC (i1) PRAC (i5) PRAC(i9) DZIAL (i17)
DZIAL (i22)
Stos w momencie ewaluacji zapytania
PRAC. Ewaluacja (wiazanie) nazwy PRAC zwraca
i1, i5, i9
Stos w momencie ewaluacji pod-zapytania (Nazwisko
Kowalski and Zarobek gt 1000) dla trzeciego
obiektu PRAC. Ewaluacja (wiazanie) nazwy Nazwisko
zwraca i10. Ewaluacja (wiazanie) nazwy Zarobek
zwraca i11.
20
Funkcja nested

• Intencja jest zdefiniowanie funkcji, której
  argumentem jest referencja do obiektu, zas
  wynikiem jest wewnetrzne srodowisko tego obiektu,
  które ma byc umieszczone na ENVS.
• Takie srodowisko jest zbiorem binderów.
• Funkcje nazwalismy nested.

nested(i9) Nazwisko (i10 ), Zarobek (i11 ),
Adres (i12 ), PracujeW (i16 )
21
Uogólnienie funkcji nested

• Dla dowolnej wartosci atomowej v ? V ? nested( v
  ) ? (zbiór pusty).
• Dla identyfikatora i obiektu atomowego (nie
  posiadajacego podobiektów) ? nested( i ) ?.
• Dla obiektu zlozonego lti, n, lti1, n1, ...gt, lti2,
  n2, ...gt, ... , ltik, nk, ...gt gt ? nested( i )
  n1(i1), n2(i2), ... , nk(ik) .
• Dla identyfikatora i obiektu pointerowego lti, n,
  i1gt dla którego istnieje w skladzie obiekt lt i1,
  n1, ...gt ? nested( i ) n1(i1) .
• Dla dowolnego bindera n(x) ? nested( n(x) )
  n(x) .
• Jezeli argumentem funkcji nested jest struktura
  elementów, wówczas wynik jest suma
  teorio-mnogosciowa rezultatów funkcji nested dla
  pojedynczych elementów tej struktury ?
• nested( struct x1, x2, x3, ...) nested( x1 )
  ? nested( x2 ) ? nested( x3 ) ? ...