第7章-运行时的存储组织与分配要点课件.ppt

1、1 1北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日第第7 7章运行时的存储组织与分配章运行时的存储组织与分配1.1.要求明确静态存储分配和动态存储分配的含义要求明确静态存储分配和动态存储分配的含义2.明确明确活动记录的含义及组成活动记录的含义及组成3.3.掌握掌握C/C+C/C+和和JAVAJAVA的存储分配策略的存储分配策略4.4.掌握掌握PL/0PL/0的存储分配策略的存储分配策略教学目标教学目标2 2北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日S.PO.P语义分析、生成中间代码语义分析、生成中间代码生成目标程序生成目标程序代码优化代码优化语法分析程序语

2、法分析程序词法分析程序词法分析程序错错误误处处理理符符号号表表管管理理编译程序在编译阶段要为源程序中出现的变量、常量等组编译程序在编译阶段要为源程序中出现的变量、常量等组织好在织好在运行阶段的存储空间运行阶段的存储空间将这种组织形式通过生成的将这种组织形式通过生成的目标代码目标代码体现出来体现出来为运行阶段实现存储为运行阶段实现存储奠定基础奠定基础3 3北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日 7.1 7.1 存储组织概述存储组织概述 7.2 7.2 静态存储分配静态存储分配 7.3 7.3 栈式动态存储分配栈式动态存储分配 7.4 7.4 堆式动态存储分配堆式动态存储分

3、配 7.5 PL/07.5 PL/0编译程序目标代码解释执行时的存储分配编译程序目标代码解释执行时的存储分配 教学内容教学内容4 4北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日7.17.1存储组织概述存储组织概述运行时存储空间的划分运行时存储空间的划分代码空间代码空间数据空间数据空间目标代码空间目标代码空间静态数据空间静态数据空间栈栈自由空间自由空间 堆堆5 5北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日过程的活动和活动记录过程的活动和活动记录 一个过程的一个过程的活动：活动：该过程的一次执行。该过程的一次执行。即每次执行一个过程体，就产生该过程的即每次执行

4、一个过程体，就产生该过程的一个活动。一个活动。活动记录活动记录：为了管理过程在一次执行中所：为了管理过程在一次执行中所需要的信息，使用一段连续的存储区需要的信息，使用一段连续的存储区 6 6北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日活动记录的结构活动记录的结构 7 7北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日7.27.2静态存储分配静态存储分配 在在编译阶段编译阶段由由编译程序编译程序实现对存储空间的实现对存储空间的管理，为源程序中的变量分配存储单元。管理，为源程序中的变量分配存储单元。（如看电影）（如看电影）条件条件在在编译时能够确定编译时能够确定变量

5、在运行时的数据空间大小变量在运行时的数据空间大小运行时不改变运行时不改变8 8北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日FORTRAN程序的静态分配程序的静态分配 9 9北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日动态存储分配动态存储分配 在目标程序在目标程序运行阶段运行阶段由由目标程序目标程序实现对存实现对存储空间的组织与管理，为源程序中的变量分储空间的组织与管理，为源程序中的变量分配存储单元配存储单元特点特点 在目标程序在目标程序运行时进行分配运行时进行分配 编译时为运行阶段编译时为运行阶段设计好存储组织形式设计好存储组织形式，即为每个，即为每个数据项

6、安排好它在数据区中的数据项安排好它在数据区中的相对位置相对位置C语言引用语言引用sizeof进行计算时，是在编译阶段完成进行计算时，是在编译阶段完成的，还是在运行阶段完成的？的，还是在运行阶段完成的？（如开大会）（如开大会）1010北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日7.37.3栈式动态存储分配栈式动态存储分配 变量生存期具有嵌套特性，即变量生存期具有嵌套特性，即后进先出后进先出的特性（如递归）的特性（如递归）进入时：进入时：在栈顶为其分配一个数据区在栈顶为其分配一个数据区退出时退出时：撤消过程数据区：撤消过程数据区1111北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院20

7、22年12月16日练习练习下面程序的运行结果是什么？如果把第下面程序的运行结果是什么？如果把第6行的行的(i+1)*fact()改改成成fact()*(i+1)的话，则程序的运行结果是有什么变化？试分析的话，则程序的运行结果是有什么变化？试分析为什么会有这两种不同的结果。为什么会有这两种不同的结果。int fact()static int i=5;if(i=0)return 1;else i-;return(i+1)*fact();/第第6行行 main()printf(factor of 5!=%dn,fact();1212北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日7.4

8、7.4堆式动态存储分配堆式动态存储分配 变量生存期具有变量生存期具有随机交叉随机交叉特性，即非后进先出的特性（如程序特性，即非后进先出的特性（如程序运行时动态申请存储空间）运行时动态申请存储空间）给运行的程序划分一个大的存储区给运行的程序划分一个大的存储区(称为称为堆堆)每当每当需要时可从堆中分得一块需要时可从堆中分得一块用完之后再退还给堆用完之后再退还给堆1313北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日C/C+三种不同内存分配策略比较三种不同内存分配策略比较1414北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日 程序运行前程序运行前，有些编程语言有些编程

9、语言(C+)(C+)编写的程序会直接编写的程序会直接向操作系统请求内存，但向操作系统请求内存，但 Java Java 并不支持那么做并不支持那么做 这样做的一个重要优点是保证了程序的这样做的一个重要优点是保证了程序的平台无关性平台无关性 JavaJava是由是由 JVM JVM 完成完成申请内存的操作申请内存的操作 当当程序准备执行程序准备执行时，由时，由JVM JVM 向操作系统请求一定的向操作系统请求一定的内存空间，称为初始内存空间内存空间，称为初始内存空间 程序执行过程中所需的内存都由程序执行过程中所需的内存都由Java Java 虚拟机从这片虚拟机从这片内存空间中划分。内存空间中划分。

10、JavaJava内存分配策略内存分配策略1515北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日程序运行前程序运行前：JavaJava内存分配策略内存分配策略1616北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日程序运行程序运行中：中：JavaJava内存分配策略内存分配策略1717北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日（1 1）方法区：类的结构、静态成员）方法区：类的结构、静态成员（2 2）堆：对象属性的值）堆：对象属性的值（3 3）栈：变量（包括基本类型和引用类型）栈：变量（包括基本类型和引用类型）JavaJava内存分配策略内存分配策

11、略1818北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日方法区方法区堆堆栈栈1919北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日（1 1）方法区方法区：类结构类结构（属性和方法）、静态成员（属性和方法）、静态成员2020北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日（2 2）堆：对象属性的值）堆：对象属性的值2121北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日（3 3）栈：变量（基本类型变量和引用类型变量）栈：变量（基本类型变量和引用类型变量）p与与C/C+不同，不同，Java中中所有对象的存储空间所有对象的存储空间都是在堆中

12、分配都是在堆中分配的，但是这个对象的引用却是的，但是这个对象的引用却是在在栈栈中分配中分配p也就是说在建立一个对象时从也就是说在建立一个对象时从两个地方两个地方都分都分配内存，在配内存，在堆堆中分配的内存实际建立这个对象，中分配的内存实际建立这个对象，而在而在栈栈中分配的内存只是一个指向这个堆对象中分配的内存只是一个指向这个堆对象的的引用引用2222北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日生成了生成了2 2部分的内存区域部分的内存区域:1 1）stu1stu1这个这个引用变量引用变量，是方法内的变量，放到，是方法内的变量，放到栈栈里里 2)2)真正真正StudentStu

13、dent类的类的实例对象实例对象，放到，放到堆堆里里方法结束后方法结束后,对应栈中的变量马上回收，但是堆中对应栈中的变量马上回收，但是堆中的对象要等到的对象要等到GCGC来回收来回收例如：例如：Student stu1=new Student();自动垃圾回收器自动垃圾回收器 2323北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日Garbage Collector(GC)p清除内存垃圾清除内存垃圾p保障堆的内存分配和其他语言中栈的内存分配一样快保障堆的内存分配和其他语言中栈的内存分配一样快 在栈在栈(也有可能在静态存储区也有可能在静态存储区)找到一个对象找到一个对象的引用的引用

14、，GC将它从堆的一个块中将它从堆的一个块中移到移到另外另外块中，并将它们一个挨一个的块中，并将它们一个挨一个的排列起来排列起来,模模拟出了一个拟出了一个栈的结构栈的结构，但不是先进后出的，但不是先进后出的分配，而是可以分配，而是可以任意分配任意分配的的2424北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日总结：总结：JAVA三种不同内存分配策略比较三种不同内存分配策略比较（1 1）方法区：存放类的结构（包括类的属性和方法）方法区：存放类的结构（包括类的属性和方法）及静态成员及静态成员（2 2）堆：存放所有）堆：存放所有类的实例（即类的实例（即对象属性的值对象属性的值）及数）及数

15、组组（3 3）栈：存放变量（包括基本类型和引用类型），）栈：存放变量（包括基本类型和引用类型），JVM为每个新创建的为每个新创建的线程都分配一个栈，线程都分配一个栈，栈以栈以帧帧（活动活动记录记录）为单位为单位保存线程的状态，当线程保存线程的状态，当线程激活一个激活一个Java方方法法，JVM就会在栈里新压入一个帧，存放局部变量、方就会在栈里新压入一个帧，存放局部变量、方法出口等，方法结束后从栈里弹出一个帧。法出口等，方法结束后从栈里弹出一个帧。2525北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日.NET 框架VB 应用程应用程序序Visual C#应应用程序用程序Visua

16、l C+应用程序应用程序.NET 架架构代码构代码.NET 框架类库类库WindowsXML Web serviceADO.NETCLR源代码编译成源代码编译成 MSIL代码代码编程服务编程服务JIT 编译器编译器 生成本机代码生成本机代码数据类型数据类型2626北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日CLRCLR的产生的产生 Windows DNAWindows DNA 有很多开发语言有很多开发语言 每种语言都有自己的运行库每种语言都有自己的运行库 是否有：是否有：“可以被多种语言共用可以被多种语言共用”的的通用环境通用环境有，这就是有，这就是CLRCLR！2727北京

17、林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日托管代码与非托管代码托管代码与非托管代码 托管代码（托管代码（Managed CodeManaged Code）以以CLRCLR为目标的代码为目标的代码 非托管代码非托管代码 以以“操作系统操作系统”为目标为目标 2828北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日即时编译即时编译 微软中间语言微软中间语言 Microsoft Intermediate LanguageMicrosoft Intermediate Language，MSILMSIL 即时编译即时编译Just-in-time Compilation,JI

18、TJust-in-time Compilation,JIT CLRCLR就相当于就相当于JavaJava语言的虚拟机语言的虚拟机 2929北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日MSILMSIL编译和执行编译和执行源代码源代码语言编译语言编译编译编译在安装或函数在安装或函数/方法第方法第一次被调用时一次被调用时执行执行即时编译即时编译（JIT CompilerJIT Compiler）二进制代码二进制代码（NativeNativeCodeCode）中间代码中间代码元数据元数据（MetadataMetadata）3030北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12

19、月16日.NET内存分配机制（托管和非托管）内存分配机制（托管和非托管）CLR CLR 执行模型执行模型3131北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日.NET托管资源内存分配机制托管资源内存分配机制静态分配静态分配栈式动态分配栈式动态分配堆式动态分配堆式动态分配取决于该变量的数据类型取决于该变量的数据类型 3232北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日.NET数据类型数据类型3333北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日.NET托管资源内存分配机制托管资源内存分配机制(1)如果该值类型的实例作为类型中的方法如果该值类型的实

20、例作为类型中的方法(Method)中的局部变量，则该实例被创建在线中的局部变量，则该实例被创建在线程栈上；程栈上；(2)如果该值类型的实例作为类型的成员，则该实如果该值类型的实例作为类型的成员，则该实例作为引用类型例作为引用类型(引用类型在引用类型在GC堆或者堆或者LOH上上创建创建)的实例的一部分，被创建在的实例的一部分，被创建在GC堆上。堆上。值类型值类型3434北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日public class Test1 private int i;/上面上面(2)中的情况中的情况,生成生成Test的实例的同时，的实例的同时，int类型的实类型的实例

21、例i被创建在被创建在GC堆上堆上 public Test1()byte b=0;/(1)中的情况，中的情况，byte类型的实例类型的实例b被创建在执行这段代码被创建在执行这段代码的线程栈上的线程栈上 值类型分配示例值类型分配示例3535北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日.NET托管资源内存分配机制托管资源内存分配机制(1)如果该引用类型的实例的如果该引用类型的实例的Size=85000byte，则该实例被创建在则该实例被创建在LOH(Large Object Heap)上上(LOH不会被压缩不会被压缩)。引用类型引用类型3636北京林业大学信息学院北京林业大学信息学

22、院2022年12月16日public class Test2 private int intArr;public Test2()private Object o=new Object();/引用引用o存在线程栈上，它指向存在线程栈上，它指向GC堆上的堆上的Object实例实例 intArr=new int21250;/符合符合(2)中的中的Size条件，条件，int数组的实例被创建在数组的实例被创建在LOH上上 引用类型分配示例引用类型分配示例3737北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日7.57.5PL/0PL/0目标代码解释执行时的存储分配目标代码解释执行时的存储分

23、配 codecode程序存储器程序存储器s s数据存储器数据存储器i i指令寄存器指令寄存器b b基本地址寄存器基本地址寄存器t t地址寄存器地址寄存器p p程序地址寄存器程序地址寄存器pcodepcode解释器的结构解释器的结构保存目标代码保存目标代码执行时的数据栈执行时的数据栈3838北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日（1）程序存储器）程序存储器codestruct instruction enum fct f;int l;int a;struct instruction codeCXMAX+1;（2）数据存储器）数据存储器sint sSTACKSIZE;在调用

24、一个过程时，先要在数据在调用一个过程时，先要在数据栈顶栈顶为过程及其变量分配一些为过程及其变量分配一些位置。所有操作运算都在栈顶找到它的操作数，并以计算结果位置。所有操作运算都在栈顶找到它的操作数，并以计算结果代之。栈顶数据元素在数据栈的位置通过代之。栈顶数据元素在数据栈的位置通过地址寄存器地址寄存器t标记。标记。3939北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日（3）程序地址寄存器）程序地址寄存器pint p=0;p是是code数组的索引地址，用来存放下数组的索引地址，用来存放下一条要解释执行指令一条要解释执行指令在在程序存储器程序存储器code里的位置。在解释执行时才用

25、到，里的位置。在解释执行时才用到，初值为初值为0，即第即第1条要解释执行的指令存放在条要解释执行的指令存放在code0。（4）地址寄存器）地址寄存器tint t=0;地址寄存器地址寄存器t是是s数组的索引地址，由于数据存储器被当作数据数组的索引地址，由于数据存储器被当作数据栈使用，它用来栈使用，它用来存放数据栈存放数据栈s的栈顶位置的栈顶位置。在解释执行时才用。在解释执行时才用到，到，初值为初值为0，在解释执行前，数据栈是空栈。，在解释执行前，数据栈是空栈。4040北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日（5）指令寄存器）指令寄存器istruct instruction

26、i;用来存放正在解释执行的一条目标代码指令。在解释程序里，用来存放正在解释执行的一条目标代码指令。在解释程序里，每次通过每次通过i=codep；和；和p=p+1；这两条赋值语句，完成从程序；这两条赋值语句，完成从程序存储器存储器code中取指令，以及使程序地址寄存器中取指令，以及使程序地址寄存器p指向下一条指指向下一条指令位置的任务。令位置的任务。（6）基本地址寄存器）基本地址寄存器bint b=1;在解释执行时用到，初值为在解释执行时用到，初值为1，它等于正在执行的过程段在，它等于正在执行的过程段在数数据栈的起始地址据栈的起始地址。4141北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年1

27、2月16日活动记录活动记录连接数据（也称联系单元）连接数据（也称联系单元）局部数据区局部数据区 静态链静态链动态链动态链返回地址返回地址4242北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日 三个联系单元三个联系单元：SLSL：静态链，指向：静态链，指向定义定义该过程的直接外层过程的该过程的直接外层过程的活动记录的基地址，以确保变量的活动记录的基地址，以确保变量的正确存取正确存取。DLDL：动态链，指向：动态链，指向调用调用该过程前正在运行的那个该过程前正在运行的那个过程的活动记录的基地址，以确保能过程的活动记录的基地址，以确保能返回到调用返回到调用过程段过程段。RARA：返回

28、地址，保存该：返回地址，保存该被调过程返回后的地址被调过程返回后的地址，即当时程序的地址寄存器即当时程序的地址寄存器p p的值，也就是调用过程的值，也就是调用过程指令的下一条指令的地址，用来确保返回到正确指令的下一条指令的地址，用来确保返回到正确的指令地址。的指令地址。4343北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日4444北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日 以下两条指令协助以下两条指令协助calcal完成过程调用和返回完成过程调用和返回ini 0 aini 0 a过程目标程序的入口，开辟数据段。过程目标程序的入口，开辟数据段。a a为局部变量

29、为局部变量个数个数+3+3。开辟数据段的结果是改变栈顶寄存器。开辟数据段的结果是改变栈顶寄存器t t的的值，即值，即t=t+at=t+a。在在blockblock中调用中调用statementstatement之前调用之前调用gen(ini,0,dx);gen(ini,0,dx);opr 0 0opr 0 0过程目标程序的出口，释放数据段。恢复调用该过过程目标程序的出口，释放数据段。恢复调用该过程前正在运行的过程的数据段基地址寄存器的值和程前正在运行的过程的数据段基地址寄存器的值和栈顶寄存器的值，并将返回地址送到地址寄存器栈顶寄存器的值，并将返回地址送到地址寄存器p p中，以使调用前的程序从断

30、点开始继续执行。中，以使调用前的程序从断点开始继续执行。在在blockblock中调用中调用statementstatement之后调用之后调用gen(opr,0,0);gen(opr,0,0);4545北京林业大学信息学院北京林业大学信息学院2022年12月16日小结小结 重点掌握：重点掌握：静态静态存储分配（存储分配（FortranFortran）和）和动态动态存储分存储分配（配（C C、PascalPascal）的含义）的含义活动记录活动记录的含义及组成的含义及组成掌握掌握C/C+C/C+和和JAVAJAVA的存储分配策略的存储分配策略掌握掌握PL/0PL/0的存储分配策略的存储分配策略