Stackmaschine; Speicheradressierung

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1 Stackmaschine; Speicheradressierung Erweiterung um globalen Speicher (Heap, Halde) pro Speicherplatz eine Zahl. Notation ist als Array SP [0..]. Zugriff mittels Adresse (Index): eine Zahl i.a.: Zahlen und Indizes sind nicht unterscheidbar auf dem Stack. Innerer Zustand der Stackmaschine: Stack Programm Programmzeiger globaler Speicher SP [] P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 1

2 Direkte Adressierung: Stackmaschine; Befehle zur Speicheradressierung get a Der Wert SP[a] wird auf den obersten Platz des Stacks abgelegt. put a Der Wert (Stack 0) wird an die Adresse a geschrieben. Danach ein implizites pop. P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 2

3 Stackmaschine mit Speicher: Beispiel Programm mit Zuweisungen: x := x + 1 x-adresse ist get pushk 1 + put P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 3

4 Stackmaschine mit Speicher: Beispiel implizite Annahme der Stackmaschine: Paare von zwei Zahlen sind als Objekte im Hauptspeicher Die Befehle genpair und readpair erzeugt / liest Paare. Die Befehle iget und iput bewirken eine indirekte Adressierung: P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 4

5 Stackmaschine mit Speicher: Befehle iget Stack(0) := SP[Stack(0)]: Die Zahl SP[Stack(0)] wird auf den obersten Platz des Stacks abgelegt. Stack(0) wird dabei überschrieben. iput SP[(Stack 0)] := (Stack 1): Danach pop;pop genpair Zwei Adressen sind oben auf dem Stack. Es wird ein Objekt erzeugt, das diese beiden Adressen enthält, und an einer neuen Adresse steht. Diese wird auf dem Stack abgelegt. readpair Dies Operation nimmt das oberste Element des Stacks als Adresse, liest dort im Speicher das Paar und legt die beiden Adressen des Paars auf dem Stack ab. getmem Legt einen Speicherplatz für eine Zahl an; bzw. findet eine freie Adresse; und legt die Adresse auf dem Stack ab. P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 5

6 Stackmaschine mit Adressierung: Beispiel Verwaltung von Paaren und Listen: Dias Paar (1, 2) kann man erzeugen durch: getmem push 0 pushk 1 iput getmem push 0 pushk 2 iput genpair P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 6

7 Stackmaschine mit Adressierung: Beispiel Programm zu Liste (1, 2): Abarbeitung: Befehl Stack danach Speicher danach getmem... ; 5555 push 0... ; 5555; 5555 pushk 1... ; 5555; 5555; 1 iput... ; getmem... ; 5555; ; push 0... ; 5555;7777; pushk 2... ; 5555;7777;7777; iput... ; 5555;7777; ; genpair... ; 8899; ; ; ; P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 7

8 Stackmaschine: Kodierung Die Stackmaschine ist immer noch zu abstrakt explizitere Angaben notwendig: Die Zahlen müssen von ihrem Speicherbedarf her festgelegt werden (4 byte, 8 byte,??) Die Länge der Adressen muss festgelegt werden. Kodierung der Stackprogramm-Befehle: jeder Befehl ein Halbbyte (Byte, o.ä). Die symbolischen Marken müssen in Adressen bzgl. des Programms umgewandelt werden. Kodierung eines Stackmaschinenbefehls: Kode für den Namen des Befehls hat (z.b. push = X 01, pop = X 02,... ). Danach Kodierung der Argument, bzw. die Argumente, falls der Befehl welche benötigt. P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 8

9 Stackmaschine: Kodierung Kodierung der Sprungziele: Ist die Abfolge der Befehle und Argumente bekannt, Sowie deren Längen in der Kodierung, Dann kann man die Adressen der Sprungziele ermitteln Sprungziele: Angabe relativ zum Programmanfang Bemerkungen: Die gemischte Benutzung von Befehlen mit keinem, einem, zwei oder sogar mehr Argumenten führt zwar zu kurzem Maschinenkode, hat aber Nachteile bei RISC-Architekturen Die Implementierung beliebiger langer Zahlen wie Integer in Haskell erfordert eine eigene Implementierung aller arithmetischen Operationen als Stackmaschinenprogramme. P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 9

10 Code-Optimierungen durch den Compiler Syntaxbaum oder nach der Zwischencodeerzeugung Prozedurersetzung (procedure inlining) Schleifentransformation partielle Auswertung Nach der Kodeerzeugung Gucklochoptimierung Elimination redundanter Sprünge Umstellungen P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 10

11 Gucklochoptimierungen lokale Optimierungen des erzeugten Codes Verkürzung, aber gleicher Effekt Beispiel: push i; pop kann man streichen. Vorgehen: Alternativen Suche nach Mustern im erzeugten Kode Ersetzung entsprechend der Vorgabe Fest vorgegebener Satz von Mustern Allgemeine Suche nach kurzen Sequenzen, bei denen Zustand-Vorher Zustand-Nachher einfacher zu ereichen ist. P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 11

12 Gucklochoptimierungen. Beispiele Stackmaschinenkode der Identitätsfunktion: push 0; slide 1 1 Diese Sequenz ist redundant und kann eliminiert werden. jump m1;... ; m1.; jump m2;...; m2.;... kann ersetzt werden durch: jump m2;... ; m1.; jump m2;...; m2.;... Bemerkungen: bewirkt insgesamt nur leichte Verbesserungen Der Codegenerator wird immer nicht optimalen Code erzeugen, wegen des schematischen Vorgehens P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 12

13 Prozedurersetzung / Inlining Idee: aus (sqrt (quadratsumme x y)) wird durch Ersetzung: (sqrt (x*x + y*y)) Dies erspart einen Prozeduraufruf Programm kann sich dadurch vergrößern! Terminierung? Erhaltung der Semantik? Einsetzungsprozess terminiert nicht für rekursive Prozeduren P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 13

14 Inlining: Beschränkungen Prozedurersetzung erhält nicht immer die Semantik. 1. Auswertungsreihenfol ebenso das Terminierungsverhalten des Programms. 2 Verdopplung von Seit P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 14

15 Inlining-Beschränkungen. Beispiel Das Terminierungsverhalten des Programms wird geändert: def f (x,y): if y == 0 then x else 0 def g (x): return g(x) f(g(x),1) terminiert nicht Nach Prozedurersetzung ergibt sich: if 1 == 0 then g(x) else 0 P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 15

16 Inlining-Beschränkungen. Beispiel Verdopplung von Seiteneffekten ( Zuweisungen, Drucken) def f (x): x*x def g(x): print x;return x Druckt einmal. f (g x) Nach Prozedurersetzung ergibt sich: g(x) * g(x) Druckt zweimal. Diese Verdopplung tritt ein, wenn ein formaler Parameter der ersetzten Prozedur mehr als einmal im Rumpf vorkommt. Vermeiden kann man diesen Effekt durch ein let-konstrukt, wobei allerdings der Optimierungseffekt verloren gehen kann. P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 16

17 partielle Auswertung partielle Auswertung = Berechnungen zur Compilezeit Wichtig: Berechnung darf nicht von einer Eingabe abhängen. statt kompiliert man: 10*10 + y*y y*y Voraussetzung für partielle Auswertung ist eine festgelegte eindeutige Semantik Anwendbar, wenn zur Kompilierzeit ein Interpreter vorhanden ist. ABER: Nichtterminierung des Interpreters muss verhindert werden. Beispiel In einem funktionalen Programm kann im Prinzip jeder geschlossene Ausdruck zur Compilezeit ausgewertet werden (falls das terminiert). P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 17

18 partielle Auswertung: Instanziierung Unerwartete Optimierungen im Beispiel: map f [] = [] map f (x:xs) = (f x) : map f xs... map quadrat x... Optimierung von map quadrat x durch partielle Auswertung: mapq [] = [] mapq (x:xs) = (quadrat x) : mapq xs... mapq x... P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 18

19 partielle Auswertung: Java Schleifen-Vorauswertung: for (int i =1; i > 20; i++) x += 1; Ist ersetzbar durch x += 20 P raktische Informatik 2, SS 2005, F olien Kap.4, 3, (6. Juli2005) Seite 19