Сист. прогр. Ч2 (Лекции по СПО), страница 12

г) объединения данных.

2. Распределение памяти и область действия имен :

а) способы распределения памяти,

б) блочная структура.

3. Гибкость доступа к данным :

а) указатели,

б) унарные операторы.

4. Функциональная модульность ;

а) функции ,

б) рекурсии.

5. Асинхронные операции :

а) управление по условию,

б) сигналы,

в) мультизадачный режим.

6. Расширяемость :

а) макрокоманды времени компиляции,

б) структуры данных,

в) подпрограммы.

7. Разное .

ТИПЫ И СТРУКТУРЫ ДАННЫХ

В большинстве языков программирования предусмотрена возможность непосредственной обработки лишь ограниченного набора типов данных. В ФОРТРАНе, например, целые числа (числа с фиксированной точкой) и вещественные числа (числа с плавающей точкой) являются основными типами данных; комплексные числа и логические переменные допустимы только в некоторых реализациях. Хотя в ФОРТРАНе и допустима обработка символьных данных, однако делается это очень неудобно и громоздко, поскольку такие данные приходится рассматривать как целые либо как вещественные числа.

Как было показано при рассмотрении ассемблеров и загруз­чиков, обработка символьных и битовых данных является основой большинства операций системного программирования. Бо­лее того, используемые базы данных являются на самом деле гораздо более сложными конструкциями, чем простые массивы. В частности, каждый элемент такой базы может в свою очередь состоять из нескольких полей, содержащих, возможно, даже различные типы данных. Такие типы данных, как битовая строка, символьная строка, а также структуры данных, предусмотренные в языке С, отвечают требованиям системного программирования.

СИМВОЛЬНАЯ СТРОКА

В С имеется богатая библиотека функций для работы с символьными строками, в частности туда входят:

1. Функция определения длины строки. Параметром функции является символьная строка, результатом - длина этой строки.

2. Функция конкатенации

3. Функции выделения подстрок, используемая для включения и исключения строк.

Ясно, что, допуская строку переменной длины , мы можем проиграть в эффективности из-за дополнительной обработки, связанной с распределением памяти и преобразованием таких строк. Это одна из проблем, с которой часто встречается разработчик компилятора.

СТРОКА БИТОВ

Над целыми числами и строками битов, допускаются следующие логические операции:

1. Побитовое И ( AND).

2. . Побитовое ИЛИ ( OR).

3. Исключающее ИЛИ ( XOR).

3. Унарная логическая операция НЕ ( NOT).

СТРУКТУРЫ и ОБЪЕДИНЕНИЯ

Структуры позволяют объединять данные разных типов под одним именем. Объединения позволяют данным разных типов использовать одну и ту же область памяти

. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАМЯТИ И ОБЛАСТЬ ДЕЙСТВИЯ ИМЕН

Во многих случаях при решении задачи на машине встает проблема минимизации как размеров самой программы, так и области памяти, необходимой для данных. Для существенного сокращения размера области памяти, необходимой для размещения данных, имеются два пути:

1. Резервировать память, только когда это необходимо. Например, при работе ассемблера одни данные необходимы только при первом просмотре, а другие - только при втором.

2. Резервировать ровно столько памяти, сколько необходимо, во многих случаях размер массивов и таблиц заранее неизвестен (т. е. их размер зависит от входных данных), и было бы весьма полезно задерживать резервирование памяти под такие данные, если, конечно, это допускается компилятором.

Типы памяти и блочная структура представляют собой средства языка С, обеспечивающие такое управление памятью.

ТИПЫ ПАМЯТИ

С предоставляет в распоряжение программиста следующие типы памяти: статическую, автоматическую и глобальную.

Статическая память постоянна и выделяется во время компиляции. Статическое распределение памяти является единственно возможным во многих языках программирования, например в ФОРТРАНе.

Автоматическая память распределяется при входе в блок, чаще всего на уровне функции. Например, если в функции SUBR объявлена переменная А , то А будет выделена память при первом обращении к функции. Когда функция закончится, память, отведенная под переменную А, будет освобождена для возможного использования другими функциями. Поэтому вполне вероятно, что при разных обращениях к функции SUBR переменной А будут выделяться разные участки памяти. Память для переменной А распределяется автоматически во время выполнения программы.

Управляемая память дает возможность программисту управлять распределением памяти при выполнении программы. Он может резервировать блок памяти, когда это необходимо, и может освобождать его в процессе выполнения программы. При рассмотрении указателей будут даны примеры использования управляемой памяти.

ГИБКОСТЬ ДОСТУПА К ДАННЫМ

Гибкость как в доступе, так и в передаче данных является одной из существенных предпосылок эффективного системного программирования. Гибкость доступа подразумевает способность манипулировать с самоопределенными структурами данных, а также со сложными организациями, подобными списковым структурам. Гибкость в передаче определяется способностью изменять и устанавливать место, куда должны быть переданы данные, в зависимости от входных данных и результатов предыдущих вычислений. Тип данных, названный указателем, в соединении с динамической памятью обеспечивают достаточно гибкий доступ к данным.

УКАЗАТЕЛИ

Указатели средство идентификации переменных, функций и областей памяти. При объявлении указателя на функцию используется псевдоописание функции, в которое при необходимости можно подставить вызов нужной функции. При выделении блока памяти, программист может завести для него один указатель, а при выделении памяти для другого блока - другой ука­затель. Теперь эти два блока различаются своими указателями. Напомним, что память, явно выделяемая программистом для размещения переменных, называется управляемой памятью.

Унарные и арифметические операции.

В языке С используются следующие арифметические операторы: + (сложение),

-(вычитание), * (умножение), / (деление), %( остаток от целочисленного деления), а также операции ++ и --, которые соответственно добавляют 1 или вычитают 1 как из переменных, так и из указателей. Над указателями одного типа могут производится операции сложения, вычитания и сравнения.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДУЛЬНОСТЬ

Одним из наиболее важных аспектов проектирования систе­мы является возможность автономного написания, реализации и отладки отдельных модулей такой системы.

Механизм загрузки, рассмотренный ранее, позволяет объ­единить в общую программу отдельные программные модули, называемые также подпрограммами или функциями. Хотя по­нятие подпрограммы носит довольно общий характер, во многих языках программирования, таких, например, как АЛГОЛ и КО­БОЛ, оно не используется.

Функции

В С используются функции, которые всегда внешние. Функция может быть как самостоятельным программным модулем, который компилируется отдельно и связывается с другими про­граммными модулями с помощью загрузчика, так и компилироваться совместно с другими функциями в составе файла.

РЕКУРСИЯ

Рекурсия, реализация которой упрощается благодаря приме­нению автоматической памяти, является важным средством про­граммирования, позволяющим решать широкий круг задач. Как будет показано при обсуждении вопросов проектирования ком­пиляторов, многие программы мы должны писать как рекурсив­ные. Мы уже убедились в том, что при реализации макропроцес­сора рекурсия была удобным способом реализации макровызо­ва, содержащегося внутри макроопределения.

Более того, многие алгоритмы гораздо удобнее описывать и программировать с использованием рекурсии. Например, стандартное математическое определение факториала выглядит сле­дующим образом:

1, если n=0 или n=1,
п*(п—1)!, если n=^(0 или 1).

АСИНХРОННОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ ОПЕРАЦИЙ

Большинство языков программирования основывается на по­следовательном и синхронном выполнении операции, т. е. в любой момент времени выполняется одна команда, операторы об­рабатываются последовательно друг за другом, пока не встре­тится оператор GO TO, изменяющий эту естественную последовательность. Однако в системном программировании встре­чаются ситуации, которые вызывают необходимость выполнения непоследовательной или несинхронной операции, как, например:

1. Обработка внутренних и внешних прерываний, т. е. пре­кращение нормальной последовательности выполнения программы, вызванное возникновением некоторого условия, связанного с выполнением программы, или внешнего условия, как, напри­мер, окончания или обнаружения ошибки при операции ввода- вывода.

2. Прерывания, вызванные, например, неправильными ре­зультатами, обнаруженными функцией, о чем должно быть сообщено другой функции.

3. Мультипрограммный режим работы операционной системы, при котором одновременно выполняется более одной задачи.

УСЛОВИЯ

С представляет богатые возможности реализации в языке высокого уровня непоследовательного выполнения программы.

Механизм условий является как раз тем средством, которое позволяет программисту обрабатывать различные пре­рывания и специальные случаи и управлять ими.

СИГНАЛЫ

Сигналы представляют собой прерывания, вызванные либо программистом, либо операционной системой. Преимущество использования сигналов со­стоит в том, что управление передается подпрограмме обработки соответствующего прерывания.

МУЛЬТИЗАДАЧНЫЙ РЕЖИМ

В С предусмотрены мультизадачные средства, облегчаю­щие программирование в мультипроцессорных системах.

РАСШИРЯЕМОСТЬ И МАКРОКОМАНДЫ ВРЕМЕНИ КОМПИЛЯЦИИ.

Такие средства языка С , как типы данных, структуры данных и т. д., языка дают возможность программисту создавать более мощные системы программиро­вания, опираясь на базовые средства языка.

Во многих языках допускается описание некоторой последо­вательности операторов в виде определения и присвоения этому определению имени аналогично заданию макроопределе­ний в языке ассемблера. Такие операторы программист может включать в свою программу простым употреблением имени определения, что особенно полезно при программировании тес­но связанных программ, многие из которых используют одни и те же базы данных. В этом случае один программист может описать структуру данных с помощью соответствующих опера­торов описания и определить это описание как макроопределе­ние. Его коллега, вместо того чтобы повторять ту же работу, пишет в своей программе макровызов этого определения, и во время трансляции программы компилятор заменит такой макро­вызов на соответствующую последовательность операторов.

Фактически это позволяет в языке С вводить новые типы операторов, и таким образом язык можно ориентировать и расширить для решения специального класса задач.

РАЗНОЕ

Препроцессор транслятора с языка С обеспечивает возможность выполнения трех основных операций: подстановки строк, включения файлов и условной трансляции. Препроцессор, являясь фактически нулевым проходом транслятора с языка С , обеспечивает возможность выполнения предписываемых ему действий до начала трансляции программы. Подстановка строк используется не только для символических констант, но и для подстановки произвольных строк языка С. Осуществляемая при помощи препроцессора условная компиляция позволяет порождать из одного исходного файла различные версии объектных программ в зависимости от указанных параметров компиляции. Кстати при помощи препроцессора можно использовать макросы в качестве подпрограмм.

С точки зрения использования при реализацци операционных систем являются следующие:

Возможность доступа к аппаратным средствам ( например, доступа по физическим адресам и доступа к отдельным битам внутри машинного слова).

Возможность размещения кода и данных по указанным физическим адресам.

Возможность динамического выделения и освобождения памяти.

Возможность инициализации переменных на этапе трансляции( в частности таблиц).

Параллелизм.

Как и многие другие современные языки, С имеет сред­ства, предназначенные для специальных применений. Например, в Англии до перехода к десятичной системе в 1971 году в ком­мерческих применениях широко использовался описатель «стерлинг». Описатели «с плавающей точкой» и «комплексные переменные» удобны для инженерных применений.

РЕЗЮМЕ

Описанные в этой главе свойства языка С не исчерпы­вают всех средств, имеющихся в языке. Обсуждались только свойства, отличающие его от других распространенных языков. Представляется, что эти свойства будут играть все большую роль в будущих языках и системном программировании.