И.А. Волкова, И.Г. Головин, Л.Е. Карпов - Системы программирования (1114897), страница 14
Текст из файла (страница 14)
После завершения работы процедуры ее текущаязапись об активации разрушается. Для записей активации можно выбирать статическую стратегию с выделением фиксированных зон в памятидля каждой нерекурсивной процедуры и каждого блоканерекурсивных процедур. динамическую стратегию со стековой дисциплиной (для языковпрограммирования, поддерживающих рекурсивные процедуры).Распределение памяти нужно проводить не для всех элементов программы.Многое определяется в этом процессе реализацией компилятора и особенностямивычислительной архитектуры.
Например, если в системе команд машины имеетсяформат непосредственных данных (данных, размещаемых непосредственно в самойкоманде), то распределять память для некоторых целочисленных (а иногда ивещественных) констант в статической памяти не обязательно, они будут размещены всамой программе. Некоторые объекты данных программы могут при распределениипамяти получить одинаковые адреса (например, две одинаковые строковые константыили две разные локальные переменные, никогда не используемые одновременно).При распределении памяти для элементов данных может вызыватьопределенные трудности учет требований выравнивания адресов некоторых объектовданных на границы аппаратно поддерживаемых элементов данных – слов, двойныхслов, параграфов и страниц.
Требования выравнивания адресов могут приводить кпотерям памяти, а также к трудностям при совместной работе программ, написанныхна разных языках программирования и обрабатываемых разными компиляторами,имеющими разные стратегии распределения памяти. Потери памяти, возникающие изза выравнивания, можно легко оценить, сравнив значения размеров сложных объектов(структур, массивов) с суммой размеров составляющих их элементов. Все этипроблемы обычно решаются в рамках каждой конкретной вычислительной системы поразному (возможно даже хранение данных в упакованном виде с распаковкой ихзначений при попытке доступа к ним).Глобальная область памяти выделяется один раз при инициализацииобъектной программы и доступна в этой программе все время, пока эта программавыполняется.
Локальная область памяти выделяется в начале выполнения53некоторого фрагмента работающей программы (оператора, блока, функции,процедуры). Использовать локальную память вне пределов ее видимости,определяемыхсинтаксическимиисемантическимиправиламиязыковпрограммирования, нельзя.Распределение статической памяти (как глобальной, так и локальной) невызывает особых сложностей, размеры объектов базовых типов данных точноопределены для каждой вычислительной системы, компилятору надо лишьприспособить аппаратные элементы для хранения значений программных объектов, тоесть выбрать оптимальный из многих возможных вариантов.Наибольшие сложности вызывает распределение динамической памяти,которая называется так потому, что ее размер не известен на стадии компиляции(независимо от того, глобальная это память, или локальная).
Неопределенность размерадинамической памяти не позволяет компилятору непосредственно зафиксировать ееадрес. Этого нельзя сделать даже символически, передав указание следующимкомпонентам системы программирования: редактор связей также не в состоянии будетопределить этот адрес. Все, что может сделать компилятор, вставить в программуспециальную подпрограмму, к которой можно будет обращаться для выделения места вдинамической области памяти и освобождения этого места, когда потребность в немисчезнет.Обычно с динамическими областями памяти связаны многие операции суказателями и конструкторами экземпляров классов (объектов). При использованиидинамических объектов говорят о динамическом связывании объекта данных и областипамяти.В динамической области памяти могут располагаться как зоны, выделяемыепользователем (работающей программой), так и зоны, выделяемые компилятором, но ите и другие выделяются в процессе выполнения программы.Пользователь может выделять и освобождать динамические области памяти,выполняя специальные операторы или обращаясь к библиотечным функциям (new иdispose в Паскале, malloc() и free() в Си, new и delete в Си++).
Этиоператоры и функции, в свою очередь, могут использовать возможности операционнойсистемы, а могут производить распределение памяти самостоятельно в рамкахстатически выделенного большого участка памяти. В любом случае за распределение иосвобождение памяти несет ответственность сам автор программы, а компилятор лишьвставляет в нужные места программы обращения к нужным функциям.По-другому организована работа компилятора для работы с динамическойпамятью, ответственность за распределение которой возложена на компилятор.Потребность автоматически распределять динамическую память возникает, когда впрограмме используются такие операции над данными, которые требуютперераспределения памяти, а сами операторы перераспределения в программеотсутствуют.
Примером такой ситуации может служить внешне простая операцияконкатенации строковых переменных в языке Basic. В объектно-ориентированныхязыках программирования к такому перераспределению могут приводить некоторыеоперации над экземплярами объектов. Во всех таких случаях компилятор долженсформировать команды, обеспечивающие своевременное выделение памяти,необходимой для выполнения операции, а также последующее освобождение этойпамяти.Общая структура размещения в памяти отдельных областей такова:54команды иконстантыстатическиеданныестек“куча”Из нее понятно, что для двух динамических областей, границы которых нельзяопределить заранее, можно выделить общую зону и организовать в ней встречныенаправления роста стековой области и области с произвольной дисциплинойраспределения. Точная граница между двумя динамическими зонами с разнымистратегиями распределения памяти не предусматривается, вместо этого системнаяподдержка гарантирует проведение постоянного контроля за совокупным размеромдвух динамических зон.Технологии динамического распределения памяти.
Техническая реализацияметодов управления динамической памяти в значительной степени зависит от техпотребностей, которые демонстрируют пользователи, определяя в своих программахобъекты, память для которых должна выделяться на основе динамической стратегии.В ответ на явные запросы пользователей, оформленные в виде явных обращенийк системным функциям захвата памяти, обычно выделяются блоки одинаковогоразмера:свободнозанятоПо мере освобождения таких блоков начинает формироваться список свободныхблоков, дальнейшие запросы пользователей приводят к выделению блоков из спискасвободных, что позволяет снизить требования к наличной памяти вычислительнойсистемы. Одинаковые размеры выделяемых блоков памяти делают проблемуфрагментации памяти практически не актуальной.
Единственной трудностью приданном подходе является выбор оптимального размера элементарного блока.Второй вариант обработки явных запросов пользователей основан на болеегибком подходе, при котором размер блоков не фиксируется заранее, а выбирается наоснове параметров запроса и хранится в самом блоке:свободнозанятоЭто позволяет оставить почти без изменения работу системы при захватепамяти, но значительно усложняет ее при освобождении, а особенно при повторномвыделении, которое может потребовать склеивания смежных блоков, а иногда иуплотнения занятых участков. Сложность процесса уплотнения связана с55необходимостью модифицировать все указатели на объекты, размещенные вперемещаемых блоках.Неявное освобождение памяти проводится в случае автоматическогоуправления распределением памяти, которое выполняет компилятор и программысистемной поддержки при отсутствии явных операторов управления памятью впрограмме пользователя.
Существенную роль в процессах освобождения и повторныхзахватах памяти начинает играть процедура “сборки мусора”, то есть поиска ранееосвобожденных участков памяти, которые можно использовать повторно. Если всхемах, выбираемых для обработки явных запросов, практически не возникает никакихнакладных расходов, то при неявном управлении памятью без больших накладныхрасходов памяти обойтись не удается.Выделяемый блок памяти уже не может состоять из фрагмента, нужногопользователю и (может быть) дополнительного небольшого расхода на хранениеразмера блока. При управлении неявных запросов памяти в состав выделяемого блокаприходится дополнительно включать специальный счетчик числа указателей,связанных с данным блоком, либо специальный признак занятости блока (“пометку”):размер данного блокапамятисчетчик ссылок илипометки занятостиуказатели,ссылающиесяна данный блокпамять, выделяемаяпо запросуВ блок обычно включается также полный список всех указателей, связанных собъектами данного блока.
Работа с блоками, выделенными и освобождаемыми понеявным запросам, проводится по-разному, в зависимости от выбираемого алгоритмаопределения занятости блока.Определение занятости блока с помощью счетчика ссылок основано напостоянном контроле числа указателей, имеющихся в программе и содержащих ссылкина объекты, размещенные в данном блоке памяти. Такой подход связан с контролемвсех операторов присваивания видаp = q;где p и q – указатели на некоторые динамически созданные объекты. Передвыполнением присваивания значение счетчика ссылок блока, на который ссылаетсяуказатель p, уменьшается на единицу, при этом одновременно увеличивается наединицу значение счетчика ссылок блока, на который ссылается указатель q.
Толькопосле этого можно выполнять само присваивание. Блок считается свободным, еслизначение его счетчика ссылок стало равным нулю. Проблемой при таком подходеявляется обработка недостижимых циклических ссылок:56При работе программ возможно возникновение сложных списочных структур,создающих закольцованные последовательности ссылок. Такие ссылки учитываютсяпри подсчете значений счетчиков ссылок блоков памяти, но сами структуры могутреально оказаться недостижимыми в программе, так как ни один из указателей, невходящих в созданное кольцо (внешних по отношению к этому кольцу), не ссылаетсяни на один из элементов списочного кольца. Такие недостижимые циклические ссылкистановятся препятствием для освобождения ставшей ненужной памяти и создаютреальные проблемы для систем управления памятью.Определение занятости блоков памяти с помощью пометок позволяетизбежать обозначенной проблемы циклических ссылок и необходимости отслеживаниявсех присваиваний указателям за счет организации сложного и затратного механизма“сборки мусора”.
Этот механизм включается в момент, когда перед системойуправления памяти возникает необходимость выделить фрагмент памяти такогоразмера, который невозможно обеспечить, не проведя уплотнения занятых блоковпамяти. Алгоритм работает следующим образом:••••все ранее выделявшиеся блоки памяти помечаются как свободные;анализируются все указатели (переменные программы) и помечаютсязанятыми все блоки, на которые они ссылаются;итеративно анализируются все указатели, хранящиеся в виде значений полейобъектов, размещенных в блоках, помеченных, как занятые; процессостанавливается, когда новые занятые блоки перестают возникать;все недостижимые по указателям блоки памяти остаются свободными,занятая ими память может быть уплотнена; одновременно с уплотнениемзанятых блоков осуществляется модификация значений действующихуказателей.Процесс “сборки мусора” запускается системой управления памятью впроизвольные моменты времени, что может влиять на процесс решения сразу многихзадач, работающих в вычислительной системе в одно и то же время.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
