7.7. Еще о стековой архитектуре

Доступ к переменным на промежуточных уровнях

Мы обсудили, как можно эффективно обращаться к локальным переменным по фиксированным смещениям от указателя дна, указывающего на запись ак­тивации. К глобальным данным, т. е. данным, объявленным в главной про­грамме, также можно обращаться эффективно. Это легко увидеть, если рас­сматривать глобальные данные как локальные для главной процедуры. Па­мять для глобальных данных распределяется при входе в главную процедуру, т. е. в начале программы. Так как их размещение известно на этапе компиля­ции, точнее, при компоновке, то действительный адрес каждого элемента из­вестен или непосредственно, или как смещение от фиксированной позиции. На практике глобальные данные обычно распределяются независимо (см. раздел 8.3), но в любом случае адреса фиксированы.

Труднее обратиться к переменным на промежуточных уровнях вложения.

procedure Main is

G: Integer,

procedure Proc_1 is

L1: Integer;

Ada

procedure Proc_2 is

L2: Integer;

begin L2 := L1 + G; end Proc_2;

procedure Proc_3 is

L3: Integer;

begin L3 := L1 + G; Proc_2; end Proc_3;

begin -- Proc_1

Proc_3;

end Proc_1;

begin — Main

Proc_1;

end Main;

Мы видели, что доступ к локальной переменной L3 и глобальной переменной G является простым и эффективным, но как можно обращаться к L1 в Ргос_3? Ответ прост: значение указателя дна сохраняется при входе в процедуру и используется как указатель на запись активации объемлющей процедуры Ргос_1. Указатель дна хранится в известном месте и может быть немедленно загружен, поэтому дополнительные затраты потребуются только на косвен­ную адресацию.

При более глубоком вложении каждая запись активации содержит указа­тель на предыдущую запись активации. Эти указатели на записи активации образуют динамическую цепочку (см. рис. 7.9). Чтобы обратиться к вышележа­щей переменной (вложенной менее глубоко), необходимо «подняться» по ди­намической цепочке. Связанные с этим затраты снижают эффективность работы с переменными промежуточных уровней при большой глубине вло­женности. Обращение непосредственно к предыдущему уровню требует толь­ко одной косвенной адресации, и эпизодическое глубокое обращение тоже не должно вызывать никаких проблем, но в циклы не следует включать операто­ры, которые далеко возвращаются по цепочке.

Вызов вышележащих процедур

Доступ к промежуточным переменным фактически еще сложнее, потому что процедуре разрешено вызывать другие процедуры, которые имеют такой же или более низкий уровень вложения. В приведенном примере Ргос_3 вызыва­ет Ргос_2. В записи активации для Ргос_2 хранится указатель дна для проце­дуры Ргос_3 так, что его можно восстановить, но переменные Ргос_3 недо­ступны в Ргос_2 в соответствии с правилами области действия.

Так или иначе, программа должна быть в состоянии идентифицировать статическую цепочку, т.е. цепочку записей активации, которая определяет статический контекст процедур согласно правилам области действия, в про­тивоположность динамической цепочке вызовов процедур во время выполне­ния. В качестве крайнего случая рассмотрим рекурсивную процедуру: в дина­мической цепочке могут быть десятки записей активации (по одной для каж­дого рекурсивного вызова), но статическая цепочка будет состоять только из текущей записи и записи для главной процедуры.

Одно из решений состоит в том, чтобы хранить в записи активации стати­ческий уровень вложенности каждой процедуры, потому что компилятор зна­ет, какой уровень необходим для каждого доступа. Если главная программа в примере имеет нулевой уровень, то обе процедуры Ргос_2 и Ргос_3 находятся на уровне 2. При продвижении вверх по динамической цепочке уровень вло­женности должен уменьшаться на единицу, чтобы его можно было рассматривать как часть статической цепочки; таким образом, запись для Ргос_3 про­пускается, и следующая запись, уже запись для Ргос_1 на уровне 1, использу­ется, чтобы получить индекс дна.

Другое решение состоит в том, чтобы явно включить статическую цепоч­ку в стек. На рисунке 7.10 показана статическая цепочка сразу после вызова Ргос_2 из Ргос_3 . Перед вызовом статическая цепочка точно такая же, как ди­намическая, а после вызова она стала короче динамической и содержит толь­ко главную процедуру и Ргос_1.

Преимущество явной статической цепочки в том, что она часто короче, чем динамическая (вспомните здесь о предельном случае рекурсивной процеду­ры). Однако мы все еще должны осуществлять поиск при каждом обращении к промежуточной переменной. Более эффективное решение состоит в том, чтобы использовать индикатор, который содержит текущую статическую це­почку в виде массива, индексируемого по уровню вложенности (см. рис. 7.10). В этом случае для обращения к переменной промежуточного уровня, чтобы получить указатель на правильную запись активации, в качестве индекса ис­пользуется уровень вложенности, затем из записи извлекается указатель дна, и, наконец, прибавляется смещение, чтобы получить адрес переменной. Недо­статок индикатора в том, что необходимы дополнительные затраты на его об­новление при входе и выходе из процедуры.

Возможная неэффективность доступа к промежуточным переменным не должна служить препятствием к применению вложенных процедур, но про­граммистам следует учитывать такие факторы, как глубина вложенности, и правильно находить компромисс между использованием параметров и прямым доступом к переменным.