第3章:名字 作用域 约束——《实践之路》笔记
一个对象拥有其语义价值的区域<其作用域
当一个变量将不再被使用,那它应该被理想的回收机制回收。但现实是我们仅当一个变量离开了其作用域,或变成不可访问,才考虑回收。
然而,作用域规则有其优点:1.可以一次性考虑一组语义相关的变量,并能对其进行成批回收。
相对于显式的作用域规则,隐式的自动垃圾回收将尝试提前回收作用域周期较长的变量。
但另一方面,我们需要更灵活的引用环境规则,来获得更丰富的语义表述。
引言
语言设计的目标:高级特征——高抽象级别
机器无关性:不依赖于特定指令集
高级语言把与机器相关的工作推给了编译器与解释器
名字:有效标识符(词法分析,扫描器),用来表示变量 ,常量,操作,类型等。完成了一次抽象。
低级 高级
地址 指针
抽象是一个过程,将一个名字与一个程序片段相关联,封装成一个接口。
给程序片段取名的过程。
名不正则言不顺
子程序:控制抽象
类:数据抽象
抽象隐藏了细节,减少了概念的复杂性。
概念的打包
##在3-8章中用对象表示可以有名字的东西
3.1约束时间:名字与事物的约束
约束时间:实现决策的期间。
##在各个阶段确定一部分语义,消除不确定性
语言设计时:控制流程,内部数据结构,类型构造器等语言语义
语言实现时:类型精度,IO连接到操作系统,栈堆组织方式,异常处理
编写语言时:算法,数据结构,名字
编译时:高级结构映射到机器代码,静态定义数据在内存中布局
连接时:标准子程序库或其他模块 连接
装入时:为对象选择机器地址,虚拟地址翻译到物理地址计算映射
运行时:值与变量的约束。程序启动时,模块入口时,加工时(首次声明),子程序调用时,分程序进入时,语句执行
##术语:静态,动态
##编译器并没有尝试执行程序,所以在编译期间的获得的信息都是静态的
##编译后,依然存在不确定性,这些不确定性只有在运行时才能得到信息,运行期间得到的信息都是动态的
##编译器所做的努力就是尽可能的推断程序的信息,从而对运行时作出安排
3.2对象与名字的生存期
:为对象分配与释放存储空间的机制,
命名&约束
名字引用对象
关键事件:对象/名字 的 创建/引用/失活激活/撤销
生存期:创建——撤销
对象生存期与名字不重合:悬空引用,内存泄漏
作用域:进入(声明),退出,失活激活(执行进入嵌套作用域或退出作用域),结束(不再访问)
生存期对应于三种主要的存储分配机制,用于管理 对象空间
静态对象:绝对地址,全局
栈对象:先进先出分配释放,对应于子程序调用与退出
堆对象:任意时间,要求更通用的存储管理算法
3.2.1.静态分配:
全局变量,语句翻译成的指令,子程序在调用间保持值的局部变量,常量字面量(小的保存在指令中,大的保存在存储区),
编译器生成的:表格,
支持运行时的例程:调试,动态类型检查,废料收集,异常处理
其中执行时不该改变的:指令,常量,运行时表格,分配受保护的只读区,写操作导致处理器中断
编译时常量:常量,常量调用内部函数&算术运算符,
加工时常量:依赖于程序具体运行,加工后不变
##不会同时出现对同一子程序的多个活动状态的调用——静态分配局部变量???
编译器负责保存:加工时常量,局部变量?
子程序相关信息:参数值&返回值:寄存器或内存,
临时量:寄存器,
簿记信息:返回地址,动态链,寄存器内容,错误信息
3.2.2.栈
递归结构:局部变量不能静态分布——一个变量可以同时拥有多个实例个数
嵌套结构:容易分配栈空间
子程序实例:在栈上的帧中,包含:参数,返回值,局部变量,临时值,簿记信息
栈维护子程序的调用序列:调用者前后,被调用者前后代码
编译器不能确定帧栈地址,但(静态)确定对象在帧内的偏移(寄存器,帧指针)
局部变量,临时值,簿记信息:帧负偏移
参数,返回值:帧正偏移(调用方帧内)
当前活动子程序数目<<all子程序数目,栈中分配好于静态
栈指针:第一个未用位置
帧指针:帧中已知位置
3.2.3.堆
大小可变的对象:赋值与更新操作(为什么栈不维护大小可变的对象?效率?静态信息?)
堆空间管理:速度与空间的权衡
内部碎片:供>求(原因:固定块大小,对象变小)
外部碎片:max供<求<all供(原因:切块)
自由表:未使用空间的链接表
最先适配:
最佳适配:搜索开销 ,较少的外部碎片
供>>求时,两种算法都切块
合并相邻未分配块
维护单一自由表:分配的代价与自由块数目,线性相关(搜索)
为不同大小的块维护不同的自由表,将堆划分成存储池
划分:静态,
动态:伙伴系统:2的乘幂;斐波那契堆。及时合并
外部碎片问题:碎片数量随时间递增,max块递减
移动已分配块,堆的紧缩
废料收集
手动:识别对象的生存周期的结束。悬空引用,流失存储
自动:边际复杂性降低
3.3作用域规则
约束的作用域:约束起作用的正文区域,大多为静态确定。纯粹根据正文规则,知道名字引用哪个对象
子程序入口引入作用域
建立局部对象约束
遮蔽全局对象
一个作用域:程序中,约束关系不会变化(至少不会撤销)的最大区域
常见作用域类型:模块,类,子程序,结构化控制流 的主体(块)
加工:控制流初次进入作用域,各个声明被激活。伴随着约束的建立
可能伴随着为局部对象分配栈空间,赋初始值
Ada:执行错误检查,堆空间分配相关代码、传波异常、创建并发执行的作业
引用环境:执行中的给定点,{所有活动状态的约束的集合}
对应于一系列作用域,检查并确定名字对应的约束
约束规则:对S的引用,与S的引用环境,两者的约束在何时完成
深约束:初次创建引用时确定
浅约束:引用被使用时确定
3.3.1静态作用域
程序正文中包围的最近处的匹配
变量:默认声明,隐式声明
覆盖规则:局部变量一次执行后销毁,提升至整个执行期
3.3.2嵌套子程序
作用域嵌套
预定义对象:全局作用域外的一层
空洞:被同名遮蔽
修饰词,作用域解析运算符:访问外层同名变量
帧指针寄存器:偏移寻址的基点。+偏移量访问局部变量
帧中维护静态链接:指向父帧(词法外围,最近调用)
运行时反引用(加上偏移量)寻找外层变量
3.3.3声明的顺序
声明下方可见:C,java
声明所在整个块可见:python
声明可能相互引用
C++,Java
免除了使用前必须声明的要求
类的成员在该类的所用方法中可见
Python:子程序局部变量:被赋值的变量
非局部变量是只读的,除非显式导入:global
声明与定义:
语言要求使用名字前必须声明
递归类型,子程序
C:区分对象的声明与定义
声明:引进对象的名字,指明作用域,可能省略实现细节(静态?)
定义:描述对象细节,使编译器确定其实现
C:允许声明出现在任何语句上下文
Java:不允许重名
嵌套块中声明的变量不需要额外的空间分配与释放工作。与子程序局部变量类似
ML:重新声明
3.3.4模块
工作分配
信息隐藏
减少信息量,减轻思维负担
接口尽可能小,设计决策隐藏在模块中
减少名字冲突
保护数据抽象的完整性
减少错误扩散:在作用域中寻找
封装数据与子程序
静态变量:子程序的记忆
单一子程序抽象
无法构造多个子程序构成的抽象:如多个子程序共享的变量
模块作为抽象
封装一组对象:内部可见,外部不可见(显式导出)
内部对象对外部也不可见
java:包
c++:命名空间
c:分别编译机制模拟模块行为
导入与导出
受限导出:
变量:只读
类型:非透明???
模块的闭作用域:名字必须显示导入
开作用域
java ,python:选择性开作用域
模块A 导出foo
模块B 导入模块A A.foo
导入foo foo
每个模块只能定义一个抽象
3.3.5模块类型与类
模块作为管理器
类:模块中内容属于使用者
模块用于支持分别编译与减少名字冲突
模块分为头部:用于编译,编译不依赖于体
面向对象
类看做扩充了继承机制的模块类型
模块类型或类的实例A,在A中包含所有内部变量的单独副本??这样,执行A的操作时,所有变量可见。传参A,可引用A中变量
模块:功能划分
类:多实例抽象
3.3.6动态作用域
约束依赖于运行时的控制流,尤其是子程序调用顺序
最新遇到并且没有撤销的
运行前无法检测到引用环境相关的错误(至少类型崩溃错误)
容易实现
3.4作用域的实现
编译器:符号表(字典):跟踪静态作用域的各个名字
名字——编译器已知信息
静态作用域规则增加了程序复杂性:一个名字,程序不同部分:不同对象
静态作用域的变化:扩充基本符号表,跟踪可见性
任何东西都不会从符号表删除
保存,供调试器或运行时的反馈机制使用
关联表:A表:名值对
实现动态作用域时像栈:声明——压入;作用于结束——弹出
中心引用表:避免线性搜索,显式维护映射
3.5别名,重载,多态
作用域中名字的含义
确定了作用域,去歧义,得到确切的映射关系
同一位置,不同名字,同一对象:别名
同一名字,不同位置,不同对象:重载
别名的出现
指针
引用传参
使程序难以理解(编译器)
resrict 限定符 用于指针声明
指针所引用对象在当前作用域无别名,地址唯一
3.5.2重载
C++同一作用域,同一名字,指代不同子程序,只需函数签名不同
3.5.3多态性
强制,重载,多态
强制:编译器控制,为满足上下文条件,隐式完成。存在开销,传参时也存在,修改参数
多态:子程序不加转换地接收多种类型参数
支持的类型满足某些共性
参数化多态性中,显式,隐式地以类型为参数
子程序多态性中,设计成作用于父类,子类也可使用
显式:泛型
C++模板
为每种类型创建一个不副本
继承:一份副本,在对象的表示中插入足够多的元数据???
隐式
运行时检查:一份代码,检查参数是否支持操作
编译时检查:多份代码,类型检查
python 运行时检查
强制有隐含成本
泛型需要传入类型type
重载:不同对象
泛型:同份代码
3.6引用环境的约束
作用域规则
确定了给定语句的引用环境
允许创建子程序引用的
何时将作用域规则应用于子程序?
创建引用时,深约束
最终调用时,浅约束
子程序第一次被作为参数传递时做好环境约束!!!
在子程序最终被调用时恢复环境
3.6.1子程序闭包
为实现深约束,需要创建引用环境的显式表示
子程序被调用时在其中运行,与子程序引用绑定在一起
闭包
静态作用域语言,闭包捕捉闭包创建时的环境
调用时恢复环境
程序运行中,一个递归子程序中声明的对象可以存在多个实例
3.7宏扩展