И.А. Волкова, И.Г. Головин, Л.Е. Карпов - Системы программирования (1119414), 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, осуществитьпривязку нескольких модулей друг к другу. Компилятор не мог выполнить такуюпривязку потому, что он всегда работает только с одной компилируемой программой,зная о других программных компонентах только то, что они должны существовать, атакже 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 дозагрузки программы в оперативную память для выполнения). Истинные адреса началаобластей обычно используются только в командах загрузки адресов на регистрыбазирования, поэтому только эти команды обычно остаются не до концасформированными после завершения редактирования связей. Каждый объектпрограммы, определенный в некотором объектном модуле относится редакторомсвязей к одной из областей, для всех этих объектов редактор связей вычисляет ихотносительные адреса.
После его работы останется только осуществить прибавлениеначального адреса загрузки области памяти. В некоторых вычислительных системах наредактор связей возлагается также обязанность проводить выравнивание адресов прикомпоновке 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 памятиразработчики библиотек часто оформляют их не в виде одного большогобиблиотечного 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.Таким образом, основные задачи редактора связей таковы:•••связывание между собой по внешним данным объектных модулей,порождаемых компилятором и составляющих единую программу;подготовка таблицы трансляции относительных адресов для загрузчика;статическое подключение библиотек с целью получения единогоисполняемого модуля;61•подготовка таблицы точек вызова функций динамических библиотек (см.3.6.2).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 загрузчик (в какую бы систему он ни входил) мог выполнить своифункции, редактор связей вставляет в заголовок исполняемого файла 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.Формат таблицы трансляции адресов зависит не только от архитектурывычислительной системы, но и от той операционной системы, которая должнауправлять выполнением готовых программ.
Это делает несовместимыми друг с другомпрограммы, подготовленные в рамках разных операционных систем (например,программы, подготовленные для систем Windows и Linux, имеют разные по структуретаблицы трансляции адресов, хотя и те, и другие должны выполняться на одной и тойже аппаратуре – процессоре персонального компьютера). В то же время вынесениезагрузчика из состава систем программирования в состав операционных систем делаетструктуру этой таблицы более общей, не зависящей от конкретной системыпрограммирования. В противном случае, программы, подготовленные системамипрограммирования компании Borland, нельзя было бы выполнять в операционнойсистеме, предназначенной для работы с системами программирования компанииMicrosoft.Вынесение загрузчиков в операционные системы имеет еще один очень важныйсмысл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
