Betriebssysteme Teil 3: Laufzeitsystem für Programme

Transkript

1 Betriebssysteme Teil 3: Laufzeitsystem für Programme

2 Literatur [3-1] Stack: ausdruecke/maschinenmodell.html [3-2] [3-3] Programmierung/_Speicherverwaltung/_Stack_und_Heap [3-4] Tanenbaum, A.: Structured Computer Organization (4th Edition), Prentice Hall,

3 Übersicht Stack und Heap Auswertung von arithmetischen Ausdrücken Subroutinen Programm-Layout 3

4 Die einzelnen Ebenen Wir sehen uns in diesem Teil an, wie die Compiler höhere Objekte auf der Ebene des Maschinencodes realisieren. 4

5 Stack I Stack = Stapel = Keller = ist eine Organisation eines Speicherbereichs, um mit minimalen Aufwand beliebig komplexe arithmetische Ausdrücke bzw. Formeln auszuwerten sowie den Aufruf von Unterprogrammen zu realisieren. Die push-prozedur bringt einen Wert auf den Stack. Die pop-funktion holt den obersten Wert vom Stack und liefert ihn als Wert. In den folgenden Beispiele möge der Stack-Pointer (SP) immer auf das oberste Element des Stacks zeigen. Der Stack möge von den hohen Adressen zu den niedrigen wachsen, d.h. mit voller werdenden Stack hat der SP einen immer kleineren Wert. Es gibt Stacks, die anders herum organisiert sind. 5

6 Stack-Aufbau 6

7 Stack II Pseudo-Notation Operation push(param) SP:= SP-sizeof(param); // Reservieren des Bereichs RAM[SP]:= param; // Kopieren in diesen Bereich Operation pop(size) SP:= SP+size; // Freigeben des Bereichs return (RAM[SP-size]); // Zurückkopieren Die Operation pop() hat einen Parameter, der die Größe des zu entfernenden Bereichs in Bytes angibt. 7

8 Stack-Operationen: push(), pop() push(integer) pop(4) Ein Integer sei 4 byte groß. SP steht für Stack Pointer. 8

9 Beispiel: push(), pop() in CPU-Operationen PROC add { register R1:= pop(4) // 1. Operand register R2:= pop(4) // 2. Operand R2:= R1+R2 push(r2) } Die Parameter werden mit pop() vom Stack geholt und die Ergebnisse mit push() wieder auf diesen geschrieben. 9

10 Stackmaschine Diese Architektur - Stackmaschine genannt - ist ein gedankliches Gebilde, das auf realen Architekturen per Software simuliert werden kann. Diese simulierende Software realisiert dann eine virtuelle Maschine durch einen Interpreter. Dieses Prinzip wird zur Realisierung von Java benutzt (der Byte-Code-Interpreter arbeitet stack-orientiert). Unabhängig davon ist aber immer ein Zugriff direkt auf alle Speicherzellen möglich. In der Praxis gibt es keine reinen Stackmaschinen, sondern eine Mischung aus Stackoperationen und direkten Zugriffen unabhängig vom Stack auf den RAM. 10

11 Anwendungsbereiche für Stacks Stacks werden in folgenden Bereichen angewendet: Berechnen von Formeln Realisieren von Subroutinen Behandlung von Ausnahmen (Exceptions) wird später behandelt Behandlung von Unterbrechungen (Interrupts) wird später behandelt Ganz allgemein: Stacks werden immer benutzt, wenn "geschachtelte Dinge" behandelt werden, denn diese benötigen einen kurzzeitigen Zwischenspeicher, der schnell wieder frei gegeben wird. Beispiele für "geschachtelte Dinge": Klammern in Ausdrücken, Blöcke in Java 11

12 Formelberechnung I 12

13 Formelberechnung II Werte, die erst später benutzt werden, werden auf den Stack gebracht und bleiben dort, bis sie gebraucht werden. Werte, die sofort gebraucht werden, werden von einer Operation während der Ausführung vom Stack geholt; dann wird das Ergebnis wieder auf den Stack gebracht. Mit einem Stack können beliebig komplexe, geschachtelte arithmetische Ausdrücke sowie Ausdrücke zur Berechnung von Adressen ausgewertet werden, z.b. die Berechnungen der Offsets bei Array-Zugriffen. 13

14 Subroutinen I Es gibt immer wieder zu verwendende Code-Stücke. Um diese nicht immer wieder neu programmieren zu müssen, werden diese einmal im Speicher abgelegt und bei Bedarf angesprungen, ausgeführt und von dort zurück gekehrt. Prozedur = Procedure = Routine = Methode = Funktion = Benanntes Stück Code, das angesprungen und ausgeführt werden kann, um am Ende wieder zurückzuspringen Unter einer Subroutine wird hier der Oberbegriff für alle eben genannten Begriffe benutzt. Statt Routine bzw. Subroutine wird beim objektorientierten Ansatz von Methoden gesprochen. Funktion = Routine, die einen Wert an den Aufrufer liefert Prozedur = Routine, die keinen Rückgabewert hat (Java, C und C++: void) 14

15 Subroutinen II 15

16 Subroutinen III Subroutinen können auch geschachtelt aufgerufen werden. Die Subroutine, die am Anfang als erstes gestartet wird, wird Hauptprogramm genannt. Wenn sich Subroutinen selbst aufrufen, wird dies Rekursion genannt: Direkte Rekursion liegt vor, wenn sich die betreffende Subroutine selbst aufruft. Indirekte Rekursion liegt vor, wenn die eigene Subroutine von einer anderen Subroutine aufgerufen wird, die sie selbst aufgerufen hat. 16

17 Subroutinen III - Schachtelungen 17

18 Realisierung I 18

19 Realisierung II Der Stack ermöglicht eine einfache Realisierung bei geschachtelten sowie auch bei rekursiven Aufrufen von Subroutinen. Die Instruktionen jsr (Jump to Subroutine) und rts (return from Subroutine) sind fiktiv. Bei jedem Prozessor heißen sie anders, haben aber im Prinzip dieselbe Bedeutung wie jsr und rts. 19

20 Aufbau eines Programmes I 20

21 Erklärungen I Lokale Variablen Subroutinen benötigen für das Speichern von Zwischenergebnissen auch Variablen, die aber nur während ihrer Aktivierung vorhanden sind. Diese Variablen müssen beim Aufruf erzeugt sowie direkt vor der Rückkehr wieder entfernt werden. Da dies auch bei Rekursion erfolgen soll, müssen diese Variablen auf den Stack gebracht werden: So geschachtelt wie die Aufrufe, so geschachtelt sind diese Variablen auf dem Stack vorhanden. Lokale Variablen = Variablen, die nur während der Laufzeit einer Subroutine existieren Damit der Stack nicht in den Heap hineinläuft (dann zeigt der SP in den Heap), gibt es für ihn eine Begrenzung (Stack-Limit: SL), so dass immer gilt SL<=SP. 21

22 Erklärungen II Globale Bereiche Heap = Halde = globaler Bereich, um die mit static und die mit extern deklarierten Variablen (jedenfalls in C) abzulegen. Dazu gehören auch die konstanten Strings. Es sind auch andere Realisationen möglich: Die globalen Variablen liegen dann oberhalb des Stacks. 22

23 Aufbau eines Programmes II Max. SP -> SL -> Stack Diese Struktur gilt für alle Programme oberhalb des Betriebssystems unabhängig von der Programmiersprache Software innerhalb des Betriebssystems das Betriebssystem selbst auf der nackten Hardware (Kernel) Mit anderen Worten: es gilt für jede Software. Heap Min. Code 23

24 Beispiel: Funktion in C #include <stdio.h> extern char *welcome="hello"; int main(int argc,char *argv[]) { int i; static char *name="you"; for(i= 0;i<3;i++) { printf("%s %s\n",welcome,name); } } Heap Heap Stack Heap Alle String-Konstanten liegen bei C auf dem Heap. 24

25 Beispiel: Klasse in Java class Point { double x; // x-koordinate double y; // y-koordinate } double deltax(double xposition) { double diff; } diff= x-xposition; return(diff); Lokale Variablen (einer Klasse) Heap Lokale Variable (einer Methode) Stack Lebensdauer = Dauer zwischen dem Zeitpunkt des Erzeugens eines Objektes bzw. einer Variablen und dem des Entfernens Sichtbarkeit = Textueller Bereich innerhalb eines Programms, innerhalb dessen der Name des Objekts bzw. Variablen benutzt werden kann. 25

26 Parameter Wenn z.b. eine allgemeine Subroutine zum Ausgeben einer Variablen geschrieben werden soll, dann muss es möglich sein, zu verschiedenen Zeitpunkten auch verschiedene Variablen auszugeben. Um derartige Subroutinen schreiben zu können, werden Parameter benötigt, über die der Subroutine mitgeteilt wird, womit sie ihre Aufgabe lösen soll. Parameter = Wert einer Variablen aus dem Bereich der aufrufenden Subroutine, mit der die aufgerufene Subroutine arbeiten soll Dieses Übergabe-Verfahren wird Call-by-Value genannt, da eine Kopie des Wertes übergeben wird. 26

27 Wieder das Beispiel: Klasse in Java class Point { double x; // x-koordinate double y; // y-koordinate Parameter der Methode } double deltax(double xposition) { double diff; diff= x-xposition; return(diff); } Auch hier muss das Problem der Schachtelung gelöst werden. Parameter werden daher wie lokale Variablen gehandelt. 27

28 Call by value und Call by reference Wenn die Adresse eines Objekts statt dessen Wert übergeben und in der Routine beim Parameterzugriff immer automatisch dereferenziert wird, dann wird von Call by reference gesprochen. Bei dieser Übergabe-Methode kann dem übergebenen Objekt etwas zugewiesen werden. Bei Call by value ist das nicht möglich. Auf der anderen Seite können bei dieser Methode keine Ausdrücke oder Konstanten übergeben werden, das ist nur bei Call by value möglich. In Pascal sind beide Methoden möglich, aber in C nur das Call by value. Aber(!): wenn in C ein Pointer-/Adresswert per Call by value übergeben wird, dann kann ein Call by reference simuliert werden. 28

29 Stack-Aufbau während einer Subroutine 29

30 Schrittweiser Aufbau des Stacks I 30

31 Schrittweiser Aufbau des Stacks II 31

32 Schrittweiser Aufbau des Stacks III 32

33 Schrittweiser Aufbau des Stacks IV 33

34 Schrittweiser Aufbau des Stacks V 34

35 Erläuterungen Nach dem vorgestellten Schema arbeiten die meisten Aufrufe von Subroutinen. Bei einer Subroutine ohne Parameter entfällt das "push Parameter" und "pop Parameter". Bei einer Subroutine ohne lokale Variablen entfällt das "push Lokale Variablen" und "pop Lokale Variablen". Wenn die Subroutine selbst einen Wert als Ergebnis zurückliefern soll, wie z. B. Bei sin(x), dann wird der Platz für das Resultat vom Aufrufer als besonderer Parameter gleich zum Anfang auf den Stack gebracht, so dass nach dem Aufruf das Resultat als oberstes Element auf dem Stack steht (siehe Formelberechnung durch Stack). 35

36 Framepointer oder Local Base I Activation Record = Teil des Stacks, der alle temporären Daten eines Subroutinenaufrufs beinhaltet (Parameter, Rückkehradresse, lokale Variablen) Framepointer(FP) = Local Base(LB) = Zeiger, der auf einen festgelegten Abschnitt des Activation Record zeigt Er manchmal auch Dynamic Link genannt. Dieser Zeiger liegt häufig in einem Register. Ziele Einfacher Zugriff auf Parameter und lokale Variablen Zugriff unabhängig vom Stand des SP-Zeigers Nach einem push/pop ändern sich ja die Adressdifferenzen zu den lokalen Variablen Zum Beginn einer Subroutine (Prolog) muss der alte FP/LB-Wert gerettet und zum Ende (Epilog) dieser alte Wert wieder hergestellt werden. 36

37 Framepointer oder Local Base II <- LB <- SP Positive Offsets zu LB adressieren Parameter Negative Offsets zu LB adressieren Lokale Variablen 37

38 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... 38