Л.Е. Карпов - Системы программирования (1114903), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Например, для машин с конвейерной иливекторной архитектурой очень важно распознавать в программах, так называемыеливерморские циклы. Ливерморские циклы представляют собой 24 программы(первоначально написанные на Фортране) из состава производственных программ,разработанных Ливеpмоpской национальной лабораторией имени Лоуренса (США).Циклы являются вычислительными ядрами, характерными для трудоемких научныхрасчетов. Они включают в себя как общие математические операции (скалярноепроизведение и умножение матриц), так и сложные алгоритмы поиска и хранения(поисковый цикл Монте-Карло), например так на языке Си выглядит четвертыйливерморский цикл, построенный на базе фрагмента подпрограммы решенияленточных линейных уравнений:void Loop4 (int n, REAL X [AR_1001], REAL Y [AR_1001]){ for (int k = 6; k < AR_1001; k += (AR_1001 - 7) / 2){ int lw = k - 6;for (int j = 4; j < n; j += 5) X [k - 1] -= X [lw ++] * Y [j];X [k - 1] *= Y [4];}}59Обнаружение подобной критической последовательности операторов позволяетвместо прямой подстановки обычной последовательности команд сформироватьпоследовательность, специфическую для данного шаблона и конкретнойвычислительной архитектуры.
Такая замена может уменьшить время выполненияважной программы в десятки или сотни раз.3.4. Редакторы связей: назначение, принципы работыКонечным результатом компиляции является объектный модуль. За один запусккомпилятора всегда порождается ровно один объектный модуль. Если какой-либокомпилятор создает при компиляции с языка программирования текст на языкеассемблера, объектный модуль все равно создается, но работа по его созданиюперекладывается на ассемблер. Дальнейшая работа над объектными модулямипроводится редактором связей, которые иногда называются компоновщиками.Основное назначение редактора связей – завершить ту часть работы, котораяпринципиально не могла быть выполнена компилятором, а именно, осуществитьпр ивязку нескольких модулей друг к другу.
Компилятор не мог выполнить такуюпривязку потому, что он всегда работает только с одной компилируемой программой,зная о других точнее программных компонентах только то, что они должнысуществовать, а также их программные интерфейсы.В отличие от компилятора, который во время своего запуска обрабатываеттолько один объект (программный компонент), редактор связей в общем случаеполучает на вход сразу несколько объектных модулей. Эти модули могут бытьполучены редактором связей непосредственно от компилятора, а могут извлекаться имиз библиотек, которые также указываются среди параметров запуска компоновщика.Редактор связей должен заново прочитать все объектные модули (какоткомпилированные, так и библиотечные), необходимые для формирования однойполной программы, и выявить в них все упоминания внешних объектов (процедур,функций, констант, переменных и т.
д.). Внешними эти объекты являются поотношению к тому конкретному программному компоненту, в котором ониупоминаются и используются, но не определяются или не реализуются. Задачаредактора связей – отыскать среди всего набора объектных модулей те, которыеопределяют или реализуют внешние объекты других модулей.
В конечном итогедолжны быть обнаружены все определения и реализации всех внешних объектов. Еслиже некоторые внешние связи остались неразрешенными, то есть соответствующие имобъекты не обнаружились ни в одном из объектных модулей, поданных наредактирование, редактор связей выдает сообщение об ошибке.Редактор связей в состоянии провести и другой контроль – контрольсоответствия между объектным модулем, в котором упоминается некоторое внешнееимя (используется объект с этим именем), и объектным модулем, в котором данныйобъект определен. В тех случаях, когда имена объектов совпадают, а семантика ихиспользования различается, могут возникать трудно обнаруживаемые ошибки. Найтиих удается только при отладке уже готовых программ.
Избежать подобных ошибок приработе с библиотеками удается только, если точно следовать правилам работы свнешними компонентами, которые подробно разъясняются их поставщиками.Задача редактора связей – сформировать области (разделы, секции) памяти,которые впоследствии смогут быть размещены в памяти вычислительной машины какединое целое, в виде цельных блоков. Области могут иметь инициирующие значения, амогут быть пустыми, то есть использоваться только для резервирования памяти.60Значениями, которыми инициируются разделы памяти, могут быть последовательностикоманд (программные разделы) или начальные значения статических объектов данных,в том числе констант.
Для каждой области редактор связей вводит свой начальныйадрес (реальное его значение определяется на более поздних стадиях, вплоть до записипрограммы в физическую память для выполнения). Истинные адреса начала областейобычно используются только в командах загрузки адресов на регистры базирования,поэтому только эти команды обычно остаются не до конца доработанными послезавершения редактирования связей. Каждый объект программы, определенный внекотором объектном модуле относится редактором связей к одной из областей, длявсех этих объектов редактор связей вычисляет их относительные адреса. После егоработы останется только осуществить прибавление начального адреса загрузки областипамяти.
В некоторых вычислительных системах на редактор связей возлагается такжеобязанность проводить выравнивание адресов при компоновке областей памяти.От редактора связей не зависит эффективность выполнения готовой программы.Все, что можно сделать для повышения этой эффективности, делается в периодкомпиляции. Однако от редактора связей может зависеть эффективность использованияпамяти вычислительной машины, поскольку именно при редактировании связейопределяется истинный размер готовой программы.Самый простой редактор связей при обнаружении ссылки на некоторыйобъектный модуль (или даже при передаче некоторого объектного модуля наредактирование, независимо от того, имеются на его объекты ссылки в другихобъектных модулях или нет) просто вставлять в готовую программу все определенныев нем объекты, как программы, так и данные. В таком случае файл готовой программы(и размер, занимаемой ею памяти машины) будет максимальным, но в этом файлемогут оказаться объекты, никогда в программе не используемые.
В особенности частоподобная ситуация может возникать при работе с библиотеками, в которыхкомпонуются множество семантически связанных процедур, из которых в реальнойработе используется лишь некоторая часть. Чтобы избежать потерь памятир зра ботчикиабиблиотек часто оформляют их не в виде одно ог большо огбиблиотечного файла, а виде набора относительно небольших файлов, вставка которыхв готовые программы не будет приводить к их существенному росту.Однако лучшим выходом из этой ситуации является усложнение алгоритмаработы редактора связей, который обладает всей информацией, необходимой дляотбора тех объектов модуля, которые реально используются в программе.Неиспользуемые объекты могут исключаться из рассмотрения и в формируемыеразделы памяти не попадать.
В таком случае они не будут попадать и в файл готовойпрограммы. Современные системы программирования стараются комплектоватьименно такими редакторами связей, использование которых снижает нагрузку наиспользуемую память машины.Еще одним важным свойством редакторов связей является способностьнекоторых из них формировать оверлейные структуры, то есть структуры программ,имеющих одинаковые адреса в памяти, но никогда не размещаемые в памятиодновременно, а замещающие друг друга в процессе работы программ. Для того, чтобыредакторы связей могли формировать оверлейные структуры, им в качестве параметразапуска передают описание процесса смены модулей в памяти, выполняемое нанекотором простейшем языке спецификаций:61Модуль А (В, С)Модуль В (К, М)Модуль С (К, М, Н)КАВСМКМНВ приведенном примере модули B и С будут иметь в памяти машиныодинаковые адреса.
Также одинаковые адреса будут у группы модулей K и M и группымодулей K, M и H. Поскольку размеры модулей B и С могут отличаться друг от друга,начальные адреса разных групп модулей, располагающихся на одном уровнеоверлейной структуры, в общем случае отличаются друг от друга, даже если в нихвходят одни и те же модули.Оверлейные программы создаются для того, чтобы избежать ситуаций, вкоторых линейно загруженные модули, составляющие целую программу, не могут бытьразмещены в памяти машины из-за наличия физических ограничений.
Оверлейныеструктуры позволяют загружать программы в память не целиком, а фрагментарно, имеяв каждый момент выполнения программы в памяти те ее фрагменты, которые в этотмомент необходимы. Если же обращения к оверлейному фрагменту не происходит, то ив память он не загружается.3.5. Загрузчики: основные функции, принципы работыРабота редактора связей заканчивается формированием собранной программы,для которой остались неизвестными лишь начальные адреса размещения разделовпамяти. Ни компилятор, ни редактор связей не в состоянии знать, в какой именнообласти физической памяти будет размещаться программа в момент ее выполнения.Эти компоненты работают лишь с относительными адресами, которые отсчитываютсяот некоторой условной точки (обычно она совпадает с началом разделов памяти,отводимых для объектов самого первого модуля, поданного для компоновки редакторусвязей).
Задача следующего преобразования – преобразовать условные адреса разделовпамяти в истинные (абсолютные). Такое преобразование выполняется загрузчиками.Загрузчики могут включаться в состав систем программирования, но чаще ониоказываются составными частями операционных систем, поскольку выполняемые имифункции не только зависят от архитектуры вычислительной системы, в которой должнавыполняться программа, но также и от конкретной физической конфигурации этойсистемы (в частности, от точного количества и размеров модулей памяти). Загрузчикиобязательно входят в состав тех систем программирования, которые передаютподготовленные компиляторами и редакторами связей программы не аппаратуре наисполнение, а программе интерпретатора для интерпретации.Чтобы загр узчик (в какую бы систему он ни входил) мог выполнить своифункции, редактор связей вставляет в передаваемую ему программу специальнуютаблицу, с помощью которой можно определить все места в программе, где надопроизвести модификацию условных или относительных адресов в абсолютные.Обрабатывая информацию, содержащуюся в этой таблице, загрузчик создаетокончательное представление тех команд программы, которые еще не были к этомувремени сформированы.62Формат таблицы трансляции адресов зависит не только от архитектурывычислительной системы, но и от той операционной системы, которая должнауправлять выполнением готовых программ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
