Nombres y Asociación - LDC - Universidad Simón Bolívar

Nombres y Asociaciones
¿Qué son Nombres y Asociaciones?
. . . en el contexto de lenguajes de programación
Lenguajes de Programación I
Ernesto Hernández-Novich
<[email protected]>
mnemónica que denota
un elemento de interés.
Nombres y Asociaciones
y el elemento que denota.
• Creadas y destruidas
• Logran la Abstracción –
Copyright © 2007-2016
Lenguajes de Programación I
• Relación entre un nombre
• Cadena alfanumérica
Universidad “Simón Bolívar”
Hernández-Novich (USB)
Asociación
(Binding)
Nombre
(Name)
Nombres y Asociación
según las decisiones
tomadas por el diseñador.
objetivo de los lenguajes
de programación.
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Hernández-Novich (USB)
Momento de Asociación
Lenguajes de Programación I
Nombres y Asociaciones
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Momento de Asociación
¿Cuándo se asocia un nombre a “algo”?
Las asociaciones más tempranas
Binding Time
Cuando el lenguaje sólo es una idea
Momento de Asociación
(Binding Time)
2016
Al momento de Diseñar el Lenguaje
(Language Design Time)
• Instante en que comienza la relación entre el nombre y lo denotado.
• Momento preciso en que se establece e intervalo de duración
• Palabras reservadas.
dependen de la decisión de diseño.
• Tipos primitivos y sus constructores.
• Asociación temprana – mejorará la eficiencia de ejecución.
• Asociación tardía – mejorará la flexibilidad de uso.
Hernández-Novich (USB)
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Hernández-Novich (USB)
Lenguajes de Programación I
Nombres y Asociaciones
Momento de Asociación
Nombres y Asociaciones
Momento de Asociación
Las asociaciones más tempranas
Las asociaciones del usuario
Cuando se construye la implantación
Mientras se escribe el programa
Al momento de Escribir el Programa
(Program Writing Time)
Al momento de Implantar el Lenguaje
(Language Implementation Time)
• El Programador es libre de escoger nombres para:
• Tipos y sus constructores.
• Variables.
• Funciones o Procedimientos.
• Módulos.
• Precisión para representar elementos.
• Disposición de elementos almacenados en memoria.
• Acoplamiento con el subsistema de I/O.
• Sin entrar en conflicto con lo decidido por Diseñador e Implantador.
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Nombres y Asociaciones
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Hernández-Novich (USB)
Momento de Asociación
Lenguajes de Programación I
Nombres y Asociaciones
Las asociaciones de construcción
Mientras se produce el programa ejecutable
Mientras se completa el programa ejecutable
• Asociar construcciones de Alto Nivel con equivalentes de Bajo Nivel.
• ¿Cuáles instrucciones de máquina para cada fragmento de programa?
• ¿Cuáles ubicaciones de máquina para datos estáticos?
• Generación de nombres internos.
• Para puntos de salto en el lenguaje de máquina.
• Para identificar datos constantes.
• Para agregar información de debugging o profiling.
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Momento de Asociación
Las asociaciones de transformación
Al momento de Compilar el Programa
(Compile Time)
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Al momento de Enlazar el Programa
(Link Time)
• Resolver referencias entre módulos y librerías.
• Decidir la distribución final de memoria.
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Nombres y Asociaciones
Momento de Asociación
Nombres y Asociaciones
Momento de Asociación
Las asociaciones de arranque
Mientras se ejecuta el programa
Ready. . . set. . .
. . . go!
Al momento de Ejecutar el Programa
(Run Time)
Al momento de Cargar el Programa
(Load Time)
• Asociar valores a variables.
• Asignación de memoria virtual.
• Aparecen, cambian, desaparecen y reaparecen –
• Asignación de recursos adicionales.
dependen del flujo de ejecución y anidamiento.
• Ejecutar funciones y procedimientos.
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Nombres y Asociaciones
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Hernández-Novich (USB)
Estático vs. Dinámico
Lenguajes de Programación I
Nombres y Asociaciones
Estático vs. Dinámico
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Estático vs. Dinámico
El panorama de las cosas
Más temprano que tarde, ma non troppo
Momentos de
Asociación Temprana
Asociación Temprana
• También llamada Asociación Estática (Static Binding).
• Apunta hacia la eficiencia.
• Típica de los lenguajes compilados.
Momentos de
Asociación Tardía
• Diseño.
• Enlace.
• Implantación.
• Carga.
• Escritura.
• Ejecución.
• Compilación.
Asociación Tardía
• Enlace.
• También llamada Asociación Dinámica (Dynamic Binding).
La frontera entre lo estático y dinámico
es bastante difusa en algunos lenguajes.
• Apunta hacia la flexibilidad.
• Típica de los lenguajes interpretados.
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Nombres vs. Objetos
Ciclo de Vida
Nombres vs. Objetos
Diferentes tiempos, diferentes espacios
Espacio Vital
¿Dónde se almacenan los objetos?
Memoria virtual asignada al programa en ejecución
MAXADDR
• Creación de Objetos –
• Sistema de Operación
variables, tipos, procedimientos. . . “cosas” del lenguaje.
• Creación de Asociaciones entre Nombres y Objetos.
asigna espacio virtual
al proceso.
• Uso de los Objetos a través de esas Asociaciones.
• MAXADDR según CPU –
• Activación y reactivación de Asociaciones suspendidas temporalmente.
4Gb en 32 bits puro,
64Gb en 32 bits PAE,
16Eb en 64 bits puro.
• Destrucción de Asociaciones entre Nombres y Objetos.
• Destrucción de Objetos.
• Programa sólo puede
El tiempo que pasa entre la creación y destrucción
de una Asociación se denomina Tiempo de Vida (lifetime).
usar lo asociado.
0
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Nombres vs. Objetos
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Hernández-Novich (USB)
Espacio Vital
Lenguajes de Programación I
Nombres vs. Objetos
Mecanismos de Asignación de Almacenamiento
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Espacio Vital
Guía para la existencia
El Tiempo de Vida establece el Espacio
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
• Objetos Estáticos
• Ubicación fija absoluta.
• Establecida a tiempo de compilación o carga.
• Mantenida durante la ejecución del programa.
• Objetos en Pila
• Almacenados y removidos en la Pila de Ejecución.
• Modelan la invocación de subrutinas o bloques anidados.
• Objetos en Heap
• Almacenados y removidos arbitrariamente.
• Implícita o explícitamente en conexión con variables dinámicas.
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int foo = 21;
int baz(int qux) {
int *bar;
bar = (int *) malloc(sizeof(int));
*bar = foo * qux;
return *bar;
}
main() {
printf("The answer is %d\n", baz(2));
}
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Hernández-Novich (USB)
Lenguajes de Programación I
Nombres vs. Objetos
Almacenamiento Estático
Nombres vs. Objetos
Almacenamiento Estático
Almacenamiento Estático
¿Cuáles son los objetos estáticos?
El código al principio, las globales después
Almacenamiento Estático
MAXADDR
• Código ejecutable – en general, no puede modificarse.
• Tamaño fijo –
• Variables globales.
calculado al compilar.
• Constantes – explícitas e implícitas.
• TEXT sólo puede
• Variables locales que preservan su valor entre invocaciones.
ejecutarse.
• Tablas de Símbolos para debugging y profiling.
• DATA/BSS puede tener
DATA/BSS
• En lenguajes sin recursión, el espacio para subrutinas.
datos sin inicializar.
TEXT
0
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Nombres vs. Objetos
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Almacenamiento Estático
Lenguajes de Programación I
Nombres vs. Objetos
Guía para la existencia – Objetos Estáticos
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Almacenamiento en Pila
Almacenamiento en Pila
¿Cuáles objetos aparecen y desaparecen según el flujo?
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
• En lenguajes con recursión, cada subrutina cuenta con su espacio de
trabajo denominado Registro de Activación para almacenar
• Argumentos.
• Variables locales.
• Direcciones y valores de retorno.
int foo = 21 ;
int baz (int qux) {
int *bar;
bar = (int *) malloc(sizeof(int));
*bar = foo * qux;
• El programa ejecutable debe mantener la pila:
• El llamador sigue la secuencia de invocación antes de saltar.
• El llamado debe comenzar con un prólogo
y finalizar con un epílogo para el mantenimiento.
return *bar;
• Una pila modela la aparición de llamadas a rutinas activas –
}
main () {
printf( "The answer is %d\n"
}
Hernández-Novich (USB)
no sabemos cuántas, ni en cuál orden, hasta correr el programa. . .
, baz(2));
Lenguajes de Programación I
Los detalles (¡muchos!) los estudiaremos más adelante,
ahora solamente interesa la idea general.
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Nombres vs. Objetos
Almacenamiento en Pila
Nombres vs. Objetos
Almacenamiento en Pila
Almacenamiento en Pila
Guía para la existencia – Objetos en Pila
Pila de Ejecución
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
MAXADDR
STACK
int foo = 21 ;
• Pila crece hacia las
direcciones bajas.
int baz (int qux ) {
• Tamaño limitado por el
int * bar ;
bar = (int *) malloc(sizeof(int));
*bar = foo * qux;
sistema de operación.
• Usar instrucciones
especiales del CPU
(PUSH, POP) siempre
que sea posible.
DATA/BSS
return *bar;
}
main () {
printf( "The answer is %d\n"
}
TEXT
0
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Almacenamiento en Pila
, baz(2));
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Nombres vs. Objetos
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Almacenamiento en Pila
Registro de Activación – Stack Frame
Registro de Activación – Stack Frame
Separación de preocupaciones
Separación de preocupaciones
El código generado para la llamada. . .
• Comienza por empilar parámetros y saltar a la rutina –
esta es la secuencia de llamada en el llamador.
El código generado para la rutina. . .
• Establece un apuntador base a la pila (frame o base pointer).
• Accede a los objetos en la pila usando desplazamientos relativos
(offset) en relación al frame pointer.
• No importa dónde quede el registro de activación en la pila,
pues los desplazamientos son relativos al “centro” de cada invocación.
• El prólogo dentro del procedimiento llamado
• Conserva el frame pointer previo.
• Establece valor concreto para frame pointer.
• Mueve tope de la pila para reservar espacio local.
• El procedimiento llamado ejecuta.
• El epílogo dentro del procedimiento llamado
• Regresa tope de pila al frame pointer.
• Restablece el frame pointer anterior.
• Retorna al llamador.
Todo el código es generado estáticamente,
para controlar llamadas que ocurrirán dinámicamente.
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Hernández-Novich (USB)
Lenguajes de Programación I
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Nombres vs. Objetos
Almacenamiento en Pila
Nombres vs. Objetos
Almacenamiento en Pila
Registro de Activación
Guía para la existencia – Las llamadas
. . . el rastro de la ejecución
Llamando a baz(2)
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
← SP • SP (Stack Pointer) –
• main empila el 2
tope de la pila.
locales
int foo = 21 ;
• BP (Base Pointer) –
Sub D
← BP • Locales – tienen
offset negativo.
Sub C
int * bar ;
bar = (int *) malloc(sizeof(int));
*bar = foo * qux;
• Argumentos – tienen
Sub A
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Nombres vs. Objetos
• baz mueve SP
main () {
printf( "The answer is %d\n"
}
¿quién llamó a quién?
MAXADDR
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• baz empila BP.
apunta al “centro”.
}
• Cadena dinámica –
CPU guarda la
dirección en pila.
• baz copia SP a BP,
return *bar;
offset positivo.
Sub B
• main llama a baz –
int baz (int qux ) {
base de stack frame.
argumentos
• BP → main.
Hernández-Novich (USB)
Almacenamiento en Pila
, baz(2));
haciendo espacio
para bar.
Lenguajes de Programación I
Nombres vs. Objetos
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Almacenamiento en Pila
Guía para la existencia – Las llamadas
Guía para la existencia – Las llamadas
En el cuerpo de la subrutina baz(2)
Regresando de la subrutina baz(2)
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
• BP más offset
positivo para qux.
int foo = 21 ;
negativo para bar.
int baz (int qux ) {
int * bar ;
bar = (int *) malloc(sizeof(int));
*bar = foo * qux;
return *bar;
main () {
printf( "The answer is %d\n"
}
Hernández-Novich (USB)
podria tener offset
positivo o estar en
un registro.
}
main () {
printf( "The answer is %d\n"
}
Hernández-Novich (USB)
• baz retorna a main.
valor de retorno del
tope de la pila o de
un registro.
return *bar;
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BP anterior.
• main recupera el
*bar = foo * qux;
, baz(2));
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• baz desempila el
int * bar ;
bar = (int *) malloc(sizeof(int));
llamar a malloc.
Lenguajes de Programación I
hasta BP liberando
el espacio de bar.
int baz (int qux ) {
• El valor de retorno
• Proceso similar para
}
• baz mueve SP
int foo = 21 ;
• BP más offset
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, baz(2));
Lenguajes de Programación I
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Nombres vs. Objetos
Almacenamiento en Heap
Nombres vs. Objetos
Almacenamiento en Heap
Almacenamiento en Heap
¿Cuáles objetos aparecen y desaparecen arbitrariamente?
Completa
Almacenamiento en Heap
MAXADDR
• Heap – región de almacenamiento en la cual pueden reservarse y
STACK
liberarse bloques arbitrariamente.
• Crece hacia las
• Primitivas o funciones del lenguaje para reservar y liberar bloques.
• El ejecutable debe contar con código adicional que implante la
direcciones altas.
• Crece en bloques
estrategia de manejo de memoria:
HEAP
• Lista de Bloques Libres (Free List).
• Política para reservar bloques:
• First Fit.
• Best Fit.
necesario reciclar.
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TEXT
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Almacenamiento en Heap
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Nombres vs. Objetos
Guía para la existencia – Almacenamiento en Heap
Fragmentación del Heap
. . . no lo puedo colorear /
Memoria libre que no puedes usar
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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Almacenamiento en Heap
• malloc reserva
espacio en el heap
para un int.
int foo = 21 ;
Fragmentación Interna
• bar apunta a ese
int baz (int qux ) {
int * bar ;
bar = (int *) malloc(sizeof(int));
*bar = foo * qux;
return *bar;
}
main () {
printf( "The answer is %d\n"
}
Hernández-Novich (USB)
• Nunca se reduce –
DATA/BSS
Escribir un manejador de memoria es un ejercicio complicado
que se estudia en Lenguajes de Programación III
Hernández-Novich (USB)
grandes – se amplía
con sbrk en Unix.
espacio.
• El objeto contenido no ocupa todo el bloque asignado.
• El heap tendrá
bastante más
espacio reservado,
disponible para
otros malloc.
• El espacio sobrante no puede utilizarse.
• Aparece cuando el tamaño de los bloques es fijo o no hay disponible
ningún bloque que ajuste mejor.
, baz(2));
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Lenguajes de Programación I
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Nombres vs. Objetos
Almacenamiento en Heap
Nombres vs. Objetos
Almacenamiento en Heap
Fragmentación del Heap
¿Cuánto cuesta almacenar en el Heap?
Memoria libre que no puedes usar
Eficiencia en espacio y tiempo
• Recorrer la Lista Libre es proporcional a su longitud.
• Varias Listas Libres cada una con bloques de tamaño diferente.
• Sistema de “panitas” (Buddy System).
• Sistema Fibonacci.
• Combinación de contigüos en ambos casos.
Fragmentación Externa
• El objeto es más grande que cualquiera de los bloques disponibles.
• Hay muchos bloques pequeños que no son continuos, o bien son
• Compactar el heap a intervalos regulares puede reducir la
continuos pero no se consolidaron.
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Nombres vs. Objetos
fragmentación externa.
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Almacenamiento en Heap
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Nombres vs. Objetos
Liberación de Espacio en el Heap
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Almacenamiento en Heap
Disposición de almacenamiento
Fallas accediendo a memoria
• Explícita.
• Simple de implantar con alguna instrucción primitiva en el lenguaje.
• Es el método más eficiente.
• Requiere que el programador identifique correctamente el momento
en que el objeto debe destruirse...
• ...pero suelen equivocarse y ocurren errores por referencias colgantes o
pérdida de memoria.
• Implícita.
• Conocida como recolección de basura (garbage collection).
• Complejo de implantar para minimizar el impacto sobre el tiempo de
ejecución y los requerimientos de memoria disponible.
• El programador no necesita hacer nada.
• Prácticamente obligatorio en lenguajes interpretados y muy frecuente
en lenguajes con Máquina Virtual.
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MAXADDR
STACK
Your fault!
HEAP
DATA/BSS
Segmentation fault
El programa accede a
una dirección dentro de
su espacio, pero sin
asociación.
TEXT
0
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Referencias Bibliográficas
Bibliografía
• [Scott]
• Secciones 3.1 y 3.2.
• Ejercicios y Exploraciones
• Página de Wikipedia sobre Memory Management
• Página de Wikipedia sobre Segmentation Fault
• Compile el programa sólo hasta lenguaje ensamblable y fíjese en la
asignación de espacio hecha por el compilador, así como en la
secuencia de llamada.
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