Связывание. Сравнительная характеристика языков программирования
Трансляция и последующие действия по подготовке программы к выполнению представляют собой процесс преобразования программы, записанной на некотором формальном языке, в другую формальную систему - архитектуру компьютера, в которой она может быть выполнена (интерпретирована). Для понимания этого процесса, а также отличий, имеющихся в различных языках программирования, в [3] введено понятие СВЯЗЫВАНИЯ, а также ВРЕМЕНИ СВЯЗЫВАНИЯ.
СВЯЗЫВАНИЕ -- процесс установления соответствия между объектами и их свойствами программы на формальном языке программирования (операции, операторы, данные) и объектами архитектуры компьютера (команды, адреса.
ВРЕМЕНЕМ СВЯЗЫВАНИЯ называется соответственно фаза подготовки программы к выполнению (трансляция, компоновка, загрузка), на которой производится это действие. Заметим, что различные характеристики одного и того же объекта (например, переменной) могут связываться с различными элементами архитектуры в разное время, то есть процесс связывания не является одномоментным. Для начала перечислим возможные времена связывания:
- при определении языка;
- при реализации компилятора;
- во время трансляции, включающей в себя:
- препроцессор (макропроцессор)
- лексический, синтаксический и семантический анализ, генерацию кода и его оптимизацию;
- компоновку (связывание);
- во время загрузки программы;
- во время выполнения программы, в том числе:
- при входе в модуль (процедуру, функцию);
- в произвольной точке программы.
В качестве примера рассмотрим простейший фрагмент программы, для которого перечислим более-менее полный перечень времен связывания его различных свойств с элементами архитектуры компьютера:
int a,b; … a+b …
1. Тип переменных int - как способ определения целой переменной в машинном слове стандартной длины (представление целого со знаком, дополнительный код), связывается с аналогичной формой представления данных в компьютере при определении языка.
Язык Си характерен тем, что базовые типы данных в нем полностью совпадают с соответствующими формами представления данных в компьютере.
2. Конкретная размерность переменной int определяется при реализации соответствующего компилятора.
3. Имя a может быть определено в конструкции вида #define a 0x11FF. В этом случае имя (псевдо-переменная) связывается со своим значением на первой фазе трансляции - в препроцессоре.
4. Если переменная определяется обычным способом в виде int a; то связывание переменной с соответствующим ей типом происходит во время трансляции (на фазе семантического анализа).
5. Если переменная определяется как внешняя (глобальная, вне тела функции), то смысл ее трансляции заключается в распределении под нее памяти в сегменте данных программы, который создается для текущего модуля (файла). Но при этом сама распределенной памяти к конкретной оперативной памяти осуществляется в несколько этапов:
- при трансляции переменная привязывается к некоторому относительному адресу в сегменте данных объектного модуля (то есть ее размещение фиксируется только относительно начала модуля)
- при компоновке (связывании) сегменты данных и команд различных объектных модулей объединяются в общий программный файл , представляющий собой образ памяти программы. В нем переменная получает уже относительный адрес от начала всей программы.
- при загрузке программы в некоторую область памяти (например, в DOS или в режиме эмуляции DOS в WINDOWS) она может размещаться не с самого начала этой области. В этом случае осуществляется привязка адресов переменных, заданных в относительных адресах от начала программного модуля к адресам памяти с учетом перемещения программного модуля (так называемый ПЕРЕМЕЩАЮЩИЙ ЗАГРУЗЧИК, которая имеет место для exe-файлов в DOS).
- если программа работает не в физической, а в виртуальной памяти, то процесс загрузки может быть несколько иным.
Программный модуль условно считается загруженным в некоторое виртуальное адресное пространство (с перемещением или без него как всей программы, так и отдельных ее сегментов). Реальная загрузка программы в память осуществляется уже в процессе работы программы по частям (сегментам, страницам), причем установление соответствия (или связывание) виртуальных и физических адресов осуществляется динамически операционной системой с использованием соответствующих аппаратных средств.
6. Если переменная определяется как автоматическая (локальная внутри тела функции или блока), то она размещается в стеке программы:
- во время трансляции определяется ее размерность и генерируются команды, которые резервируют под нее память в стеке в момент входа в тело функции (блок). То есть в процессе трансляции переменная связывается только с относительным адресом в стеке программы;
- связывание локальным переменной с ее адресом в сегменте стека осуществляется при выполнении в момент входа в тело функции (блок). Благодаря такому способу связывания в рекурсивной функции существует столько “экземпляров” локальных переменных, сколько раз функция вызывает сама себя.
7. Тип операции “+” в конкретном выражении a+b определяется при трансляции в зависимости от типов операндов. В данном случае генерируется операция целого сложения.
8. С точки зрения времени связывания понятие ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ внешних переменных можно определить как связывание переменных с их значениями в процессе трансляции программы (int a=10;) С этой точки зрения обычное присваивание можно рассматривать как связывание переменной с ее значением во время выполнения программы.
С понятием связывания тесно переплетаются понятия СТАТИЧЕСКОГО и ДИНАМИЧЕСКОГО определения данных. Статически определенные данные имеют раннее время связывания - обычно во время трансляции программы, динамические данные - позднее, во время выполнения.
Этот принцип легко проиллюстрировать средствами языка Си, в котором все действия, связанные с динамическими данными и поздним связыванием производятся только в явном виде. Возьмем, к примеру, массивы:
- обычное статическое определение массива предполагает его связывание с памятью во время трансляции программы, поэтому тип сохраняемых в нем элементов и их количество должны быть величинами неизменными:
int A[100];
- динамический массив, размерность которого определяется в процессе работы программы, может быть вычислена в момент создания, но затем не меняется , может быть представлен в Си указателем на динамическую переменную (массив) соответствующей размерности, создаваемую и уничтожаемую внешними функциями. Легко представить себе язык программирования, в котором массивы такого рода определяются в самом трансляторе, в этом случае можно говорить о связывании массива с его размерностью и памятью во время выполнения программы, например, в момент входа в модуль (блок):
double *p;
p = malloc(sizeof(double)*n); // или
p = new double[n];
for (i=0; i<n; i++) p[i] = 5.44;
// ПРИМЕР СИНТАКСИСА ДИНАМИЧЕСКОГО МАССИВА
// n = getnum();
// ReDim double A[n];
- виртуальный массив, размерность которого может меняться уже в процессе работы программы, по мере заполнения его данными, в Си также может быть смоделирован с использованием функций перераспределения динамической памяти realloc. При определении таких массивов в самом трансляторе можно говорить о связывании массива с его размерностью и памятью во время выполнения программы, причем многократной, во время заполнения его данными, то есть в любой точке программы:
double *p; int n=10;
p = malloc(sizeof(double)*n);
for (i=0; i<10000; i++)
{
if (i >= n) // Если надо,
{ n = n+10; // увеличить размерность
p = realloc(p, sizeof(double)*n);
}
p[i] = 5.44
}
// ПРИМЕР СИНТАКСИСА ВИРТУАЛЬНОГО МАССИВА
// ReDim double A[];
// for (i=0; i<10000; i++) A[i]=5.44;
- виртуальный массив, в котором может меняться не только размерность, но и типы хранящихся в нем элементов, можно смоделировать в Си с помощью динамического массива указателей на переменные - элементы массива:
void **p; int n=10;
p = malloc(sizeof(void*)*n);
int b; double c;
i = 5;
if (i >= n) // Если надо,
{ n = i+10; // увеличить размерность
p = realloc(p, sizeof(void *)*n);
}
p[i] = &b;
// ПРИМЕР СИНТАКСИСА ВИРТУАЛЬНОГО МАССИВА
// С ПРОИЗВОЛЬНЫМИ ТИПАМИ ЭЛЕМЕНТОВ
// ReDim A[];
// int b; double c;
// A[5] = b;
// A[66]= c;
Из рассмотренного примера видно, что реализация позднего связывания в языках программирования связана с использованием неявных (скрытых) указателей на структуры данных. Это предположение можно подтвердить и примером связывания для к такого объекта, как функция:
- тело функции является статическим объектом. То есть память под нее выделяется во время трансляции (когда генерируется программный код) в создаваемом объектном модуле. Что же касается вызова функции, то связывание вызова функции с самой функцией может производиться на разных этапах;
- если функция вызывается в том же самом модуле, где она определена, то связывание вызова функции с ее телом (адресом) осуществляется в процессе трансляции;
- если функция определена в другом модуле (частный случай, библиотека), то связывание вызова функции с ее телом (адресом) осуществляется при компоновке. Для этой цели тело функции в объектном модуле сопровождается информацией, именуемой “точкой входа”, сам вызов сопровождается “внешней ссылкой”, а для корректного формирования вызова Си-компилятору необходимо объявить прототип внешней функции. Для библиотечных функций необходимо подключить заголовочный файл, в котором они содержатся.
В технологии объектно-ориентированного программирования существует термин ПОЛИМОРФНАЯ ФУНКЦИЯ. В Си++ она называется ВИРТУАЛЬНОЙ. На самом деле она представляет собой группу одноименных функций, определенных соответственно для группы родственных (производных классов).
При вызове такой функции для объекта обобщающего их класса (базового класса) программа должна идентифицировать, к какому конкретно классу относится текущий объект и выбрать соответствующую ему функцию. С точки зрения понятия связывания это означает, что связывание вызова функции с ее телом может осуществляться в таком случае во время, и только во время работы программы. Действительно, в Си++ механизм виртуальных функций реализуется при помощи массива указателей на функции, который назначения объекту в момент его создания, то есть при выполнении программы.
К позднему (динамическому) связыванию функций относятся и используемые в Windows ДИНАМИЧЕСКИ СВЯЗЫВАЕМЫЕ БИБЛИОТЕКИ (DLL-Dynamic Linking Library) . Фактически в них процесс связывания вызова и тела внешней функции, выполняемый при компоновке, откладывается до момента загрузки программы. В этом случает программный файл содержит несвязанные вызовы внешних функций (внешние ссылки) и перечень используемых библиотек. Загрузка требуемых библиотек и связывание внешних ссылок и точек вход производится в момент загрузки программного файла. Этот способ дополнительно позволяет разделять одну и ту же библиотеку несколькими программами в общем адресном пространстве.
В заключение подчеркнем различие между компиляцией и интерпретацией с точки зрения понятия связывания. Компиляция обычно предусматривает однократное связывание объектов программы с элементами архитектуры при трансляции программы, а интерпретация - многократное связывание при интерпретации соответствующего фрагмента программы.
6. Задания к контрольным и лабораторным работам
