第六章 运行时的存储组织与管理

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1) 静态变量(Static Variable)
所需的存储区大小固定、在编译时可确定大小、 编译时分配空间、运行时绑定于一个存储区，不 会随所在的程序单元（过程、子程序）调用/返回 而改变存储位置。这类变量称为静态变量。
2) 半静态变量(Semistatic Variable)
所需的存储区大小固定、在编译时可确定大小、 编译时分配空间，但随所在的程序单元调用而被 绑定，返回而失去空间，并可能会在存储空间留 有多个副本。在运行时可知（动态可确定），称 为半静态变量。
b) 显式：通过执行释放命令来释放无用空间，由程 序员完成。如C语言中的free(..）。
缺点是引起如“悬摆指针”这样的致命错误。
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c) 隐式：即自动回收无用的堆空间，由系统完成， 称为“无用单元收集”（garbage Collection)
常用方法：
i. 单引用：不允许同一存区由多于一个引用存在， 一旦引用改变指向，就释放该存区。此方法简 单，但只适用简单数据类型，而不适合复杂的 数据类型，如图、网等。
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二、静态/半静态变量的访问
i. 局部变量的访问： 局部变量——本过程（分程序）中定义的数据实体 设立了当前栈指针SP，其指向当前AR首址。 访问AR中数据实体x的公式为： SP+Dx Dx为x的位移量
ii. 非局部变量的访问： 非局部变量——所有在静态外层的过程（分程序） 中定义的数据实体
ii. 引用计数：对每个存区设立一个引用计数，当 计数为零时释放,如COM。
iii. 废区自动收集：跟随所有得到的存区的指针， 不断地标识所有可存取的堆目标，定时地检查 存区是废区就回收。将消耗大量的时/空资源。
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§3. 栈式分配
• 适合进行栈式分配一类语言（或变量）的特点为： i. 子程序调用关系是后进先出的栈模型 ii. 静态嵌套的程序结构，采用静态作用域规则 iii. 允许半静态、半动态变量 一、存储管理模式
• 联编有二种：
i) 静态联编（早期，early) 编译、链接时进行
ii) 动态联编（滞后，late）运行时进行
• 变量的存储分配，尤其是局部于过程（子程序） 的变量的存储分配、绑定的要求和方法对存储分 配的管理的实施有着直接的影响。如从这个角度 考察变量，通常可将变量分为四类：
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堆空间 动 态 区
栈空间
库模块及分别编译的
静 模块代码和静态数据
态全局数据区区 Nhomakorabea主过程代码
保留区
高地址
每个模块有自己 的代码区和数据 区，由链接、装 配程序分配，并 确定相对于定位 单元的偏移量
低地址
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• 注意：
SP
B’s AR
F’s AR
A’s AR
a. 要求：在B中只能访问B中的局部量和A中的非局 部量，不能访问F中的变量。
b. 静态嵌套层次与动态的栈区布局不一致。
c. 如何才能访问A中的变量？如何保证F中变量不被 访问到？
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双指针方法
• 存储分配以unit为单位，在每个AR中设立静态嵌套 层号、动态和静态指针，其中：
iii. 调用点的机器状态
iv. 形实参数通讯区
v. 返回值
vi. 被调用过程的局部量和临 时变量存储区
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• 程序单元一般可以以过程或分程序为单位，主要 讨论以过程为单位。一旦知道过程的静态嵌套层 号，AR所需的存储空间的大小是确定的。
• AR的管理方法为：
例如：在允许递归语言中的递归过程中的变量。
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3) 半动态变量(Semidynamic Variable)
主要指数组。所需存储区大小未知，但维数编译 时已知，因此信息向量表的大小确定，是半静态 的，数组元素的实际存储区则在运行时分配、绑 定。例如：数组元素将被分配在二级存储区中。
• 说明：
i. 在FORTRAN语言中有二类特殊的语句说明数据 实体。
a) COMMON语句与COMMON区。在COMMON 区中存放的是COMMON语句所定义的变量，功 能上相当于全局变量。
b) 等价语句(EQUIVALENCE)。为降低空间开销， 使用的一种覆盖技术，但覆盖会导致出现难以理 解的错误。
栈 增
Q’s AR (1)
长
call Q
方
p’s AR
向
call p
main’s AR
过程的一次执行对应一个AR，解决了过程递 归的数据区管理问题！
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• 为保证SP总指向当前AR首址，要求： i. 调用发生时，在新建立的AR中保存当时的SP
（称为oldSP)。 ii. 改变SP的当时值，使其指向新的AR。 iii. 过程执行结束时，取出oldSP，恢复为当前的SP。
第六章 运行时的存储组织与管理
• 运行时存储管理是指目标程序对存储空间的使用和 再使用的方法。
• 目的：对内存使用的经济性和对各数据实体访问的 方便性及高效率。
• 为达到这一目的，必须营造一个环境支持存储空间 的管理。
• §1. 存储分配 一、存储空间
程序再运行时，系统为该目标程序分配一块空间， 主要存放代码和数据，一个典型的内存格局为：
2. 动态分配策略
i. 若分配的存区长度固定，则可以将组织成链， 这样分配、释放等操作就成为相应的链操作。
ii. 如长度可变，常用的分配策略有：
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a) 最优满足法（best-fit method)：寻找一块剩余最 少的自由块。效率较差：引起小（无用）碎片增 多。
b) 首次满足法（first-fit)：选择第一个找到的足够大 的自由块。
c) 循环首次满足法（Circular first fit)：类似b)，但 不同的是开始搜索不总是起点，而是当前的搜索 点。
3. 释放策略
a) 不释放（ignore)：空间用完了就停止或从头分配。 并不很差，尤其对空间较大的环境。
动态链 dynamic link
静态链 static link
机器状态 machine states
参数单元 parameters
局部变量 local variables
临时变量 temporaries
低地址 高地址
i. 被调用过程非局部变量存 储区的首地址（静态链、 Display表）
ii. 调用过程的AR首址（动 态链，oldSP)
注意：这儿不考虑形参过程！
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• 例3：一个类PASCAL的程序框架为：
program mian procedure P
• 程序流进入过程R时，运行栈为：
procedure R
begin
end R
SP
begin
CALL R end P procedure Q begin
4) 动态变量(Dynamic Variable)
存储区大小不能确定、且可能变化。即使到所在 程序单元被激活（被调用）仍然未知，或者对数 组而言信息向量表的大小未知，只有到使用时才 能确定并被绑定。称为动态变量。
一般而言，1)存放在静态区，2)3)在栈区，4)在堆区
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将一个程序单元(Program Unit)的每一次激活所 需的信息存放在一个连续的存储区域，该区域称 为活动记录(Activation Record) 。当前的AR首地 址由栈指针SP指出。 • AR中通常应包含如下内容：
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返回指针 returned pointer
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§2. 存储管理
• 编译程序根据不同的语言、不同的数据实体对存 储分配的要求，采用不同的管理模式，一般有三 类：
一、静态存储管理模式
如果程序语言只允许静态变量，那么变量与存储 区域的绑定关系在编译时便可建立，并完成存储 分配。这一类语言便是静态语言。它们不允许递 归调用，不允许动态数组，不允许动态类型的数 据对象，即不允许有非静态变量。FORTRAN、 COBOL便是静态语言。
iv. 堆区存放动态申请存储空间的动态变量及不遵守 栈式规则的过程中的数据，如ADA的“task”。
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二、变量的存储分配
• 程序中使用的变量必须为其分配存储空间，称将 一个数据实体的名（ID）和存储地址相联系（分 配地址）为联编（Binding，绑定) ，变量获得存 储区的这种活动称为分配(Allocation)。
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ii. 静态分配也适用于许多语言中的静态变量。如全 局变量。
– 在Modula-2中一个模块的局部量
– Ada语言中最高层模块（包）(Top-level packages)中定义的变量
– C语言中的外部变量、静态变量
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注意：包括全局量。
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unit A; a1: int; unit B; a2: int; unit C;