Vorlesung Programmieren

Transkript

1 Vorlesung Programmieren Speicherverwaltung und Parameterübergabe Prof. Dr. Stefan Fischer Institut für Telematik, Universität zu Lübeck

2 Gültigkeitsbereich von Variablen Merkregeln Variablen können an jeder Position im Code deklariert werden Man unterscheidet globale und lokale Variablen Gültigkeitsbereich erstreckt sich von der Position der Deklaration bis zum Ende des aktuellen Blocks Gültigkeitsbereich wird auch Scope genannt Jede Variable hat Gültigkeitsbereich und Speicherbereich Speicher wird implizit (vom Compiler/Betriebssystem) oder explizit (vom Programmierer) reserviert und freigegeben 5-2

3 Beispiel: globale und lokale Variablen Security - 04 Cryptology #3

4 Beispiel: Inverter args puffer zeichen index i 5-4

5 Variante mit Prozeduren Variablen und Parameter sind jeweils nur innerhalb der Prozedur gültig Übergabe von Werten an aufgerufene Prozeduren Security - 04 Cryptology #5

6 Implizite Speicherverwaltung Security - 04 Cryptology #6

7 Implizite Speicherverwaltung Speicher wird implizit durch Variablendeklarationen reserviert Beispiel: int x; Reserviert Speicher für eine int-variable Implizit: automatisch Speicher wird automatisch zur passenden Zeit reserviert und dann wieder freigegeben Erfolgt durch Compiler bzw. Betriebssystem Keine manuelle Interaktion notwendig bzw. möglich Security - 04 Cryptology #7

8 Implizite Speicherverwaltung Speicher wird durch Variablendeklarationen reserviert Wichtig zum Verständnis: Zeitpunkte der Reservierung und Freigabe Variablen existieren entweder immer und genau einmal (statische Lebensdauer) oder nur im aktiven Block

9 Implizite Speicherverwaltung Wo liegen Variablen, Parameter und Rückgabewerte im Speicher? Für sie wird Platz auf dem sog. Stack reserviert Stack: Teil des Speicherbereichs eines Programms Stack Nicht die Variablen, sondern deren Werte werden auf den Stack abgelegt Gilt in Java für alle primitiven Datentypen Also nicht für Arrays und nicht-primitive Datentypen (z.b. Strings) Prinzip des call by value (vs. call by reference ) Spezielles Register: Stack pointer (SP) Inhalt des Registers ist die Adresse des nächsten freien Stackeintrags Adresse SP 9

10 Implizite Speicherverwaltung: Beispiel Variable statisch Existiert während gesamter Programmlaufzeit Variable args und c Während Ausführung von main Also quasi auch immer (main ist Hauptfunktion) Variable b Nach Aufruf durch g() (Zeile 15) Variable a Nach Aufruf von f() (Zeile 10) Nach Aufruf von f() (Zeile 16)

11 Implizite Speicherverwaltung: Beispiel f() { int a; } g() { float b; f(); } static int statisch; main() { char c; g(); f(); } a(1) a(2) b c statisch Stack 11

12 Demo: Implizite Speicherverwaltung Security - 04 Cryptology #12

13 Implizite Speicherverwaltung und Rekursion Beispiel: Rekursive Programmierung Rekursion: Eine Funktion ruft sich selbst auf Was fehlt im dargestellten Stack? public static int f(int cnt) { if(cnt < 3) { return cnt + f(cnt + 1); } else { return cnt; } } public static void main(string args[]) { f(1); } cnt 3= 3 cnt 5= 2 cnt 6= 1 Stack 13

14 Wichtig: Abbruchbedingung bei Rekursion Security - 04 Cryptology #14

15 Aufgabe: ImpliziteSpeicherverwaltungAufgabe Security - 04 Cryptology #15

16 Explizite Speicherverwaltung Security - 04 Cryptology #16

17 Explizite (dynamische) Speicherverwaltung Oft reicht implizite Reservierung nicht Unbekannte Anzahl zur Compile-Zeit Dann geht z.b. int[] x = new int[10]; nicht Vielleicht ist dann so etwas notwendig: int[] x = new int[integer.parseint(args[0])]; Langlebige aber nicht permanente Elemente Wird z.b. über mehrere Funktionsaufrufe benötigt, aber nicht für die ganze Programmlaufzeit Daher: dynamische Speicherverwaltung Zu beliebigen Zeitpunkten Speicher anfordern und wieder freigeben In Java: nur anfordern, Freigabe erfolgt automatisch 17

18 Explizite (dynamische) Speicherverwaltung Speicher wird nicht auf dem Stack, sondern auf dem Heap reserviert Stack Heap Heap und Stack teilen sich den Programmspeicher Heap und Stack wachsen aufeinander zu Heap Stack 18

19 Beispiel für die Programmiersprache C Funktion malloc reserviert Speicher Gibt Anfangsadresse des reservierten Speichers zurück Funktion free gibt Speicher wieder frei Anfangsadresse muss übergeben werden Wenn man diese vergessen hat, bleibt der Speicher für immer reserviert Beispiel void* b1 = malloc(1000); void* b2 = malloc(2000); free(b1); free(b2); b b1 Heap 19

20 Explizite (dynamische) Speicherverwaltung Erfolgt durch den Programmierer Speicher kann nach Bedarf reserviert werden Alle nicht-primitiven Datentypen müssen (in Java) so instanziiert werden Variablen sind frei in Ihrer Gültigkeitsdauer In vielen Sprachen muss Speicher explizit freigegeben werden In Java erfolgt dies automatisch, wenn keine Referenz mehr auf diesen Bereich verweist Garbage Collection (später) Wichtiges Schlüsselwort: new

21 Schlüsselwort new new reserviert so viel Speicher wie Datentyp benötigt Beispiel: new int[100]; Reserviert Speicherplatz für 100 int-zahlen Rückgabewert von new: Referenz auf erzeugtes Objekt Datentyp der Rückgabe: wie angegeben (hier: int[])

22 Referenzen auf Speicherbereiche a1, a2 und b sind Variablen, die auf ein int-array verweisen können Es werden zwei int-arrays erzeugt und je eins wird a1 und a2 zugewiesen Damit referenziert jede Variable den neu reservierten Speicherbereich Die Variable b referenziert zunächst nichts Für nichts gibt es eine spezielle Adresse: null Beginn des Speicherbereichs

23 Was bedeutet null? Wörtlich: nichtig, ungültig Bedeutet, dass diese Variable keinen Speicherbereich referenziert Kann anstelle einer echten Speicherreferenz verwendet werden (Array, String,...) Nicht aber anstelle eines primitiven Wertes (boolean, int usw.) Hinter null verbirgt sich kein Objekt im Speicher Greift man denn darauf zu, wird ein Fehler erzeugt (NullPointerExceptionspäter)

24 Java: Reference Counting Java: automatische Speicherfreigabe Wird ein Speicherbereich nicht mehr über eine Variable referenziert, dann wird er freigegeben Erfolgt periodisch und automatisch durch sog. Garbage Collector (GC) Beispiel int d1[] = new int[100]; // 1 Referenz int d2[] = d1; d1 = null; d2 = null; // 2 Referenzen // 1 Referenz // 0 Referenzen GC

25 Auch der Heap ist endlich... Security - 04 Cryptology #25

26 Größe von Heap und Stack können vorgegeben werden Parameterübergabe an Java VM Beispiel: java Xmx128m Xms256m MeinProg Security - 04 Cryptology #26

27 Call by Value vs. Call by Reference Security - 04 Cryptology #27

28 Call by Value vs. Call by Reference Call by Value Übergabe von Werten an Funktionen Geschieht über den Stack Gilt für alle primitiven Datentypen in Java Veränderungen des Parameters wirken sich nur innerhalb der Funktion aus Call by Reference Übergabe von Referenzen auf den Speicherbereich Veränderungen des Parameters wirken auch außerhalb der Funktion aus Security - 04 Cryptology #28

29 Beispiel: Call by Value Übergabe von Werten (primitive Datentypen) Security - 04 Cryptology #29

30 Beispiel: Call by Reference Verändern des übergebenen, referenzierten Speicherbereichs Also Veränderung des übergeneben Parameters Security - 04 Cryptology #30

31 Beispiel: Call by Reference Zuweisen eines neuen Speicherbereichs an den übergebenen Parameter Security - 04 Cryptology #31

32 Zusammenfassung und Ausblick Variablen, Parameter und Rückgabewerte werden automatisch erzeugt und freigegeben Implizite Speicherverwaltung über Stack Parameter- und Rückgabewertübergabe erfolgt über Stack Werte der primitiven Datentypen werden auf den Stack kopiert Daten (Parameter, Rückgabe, Variablen) werden immer relativ zum Stack Pointer referenziert (erlaubt rekursive Aufrufe) Nicht-primitive Datentypen: es wird eine Referenz (die Adresse im Speicher) übergeben Speicher für nicht-primitive Datentypen muss explizit angefordert werden Dynamische Speicherverwaltung über Heap In Java wird reservierter Speicher automatisch freigegeben sobald keine Referenz mehr existiert (Garbage Collection) 5-32