Непейвода Н.Н., Скопин И.Н. Основания программирования

Подождите немного. Документ загружается.

8.3. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ИМЕН

385

y = x + N;

a = b + x + y;

P1(); //

вызов процедуры

, глобальной для

Внешние данные

переменные

x, y, a, b

; константы

N1, N

;

} //

конец

Схема контекстов программы для языка, который допускает общий случай:

вложенные описания процедур — представляется чуть сложнее. Проиллю-

стрируем ее на примере языка

Pascal

Программа 8.3.2

program PROG;

const N = 100;

N1 = 30;

var a, b, c : ...;

{ Для иллюстрации контекстов }

x, y, z : ...;

{ типы переменных }

u, v : ...;

{ несущественны.}

procedure P1 ...;

const N1 = 50;

var x, y : ...;

u, v : ...;

procedure Pp1 ...;

const N1 = 40;

var x, z : ...;

v : ...;

{

Контексты процедуры

Pp1

локальный:

const N1 = 40;

var x, z, v;

глобальный:

const N1 = 50;

var y, u, v;

procedure Pp1;

const N = 100;

var a, b, c;

procedure P1;

}

begin {Pp1}

x := N1; {

локальной переменной

присваивается значение

386

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

локальной константы

N1 = 40

}

y := x + N; {

переменной

, глобальной для

Pp1

и локальной

для

, присваивается значение суммы переменной

локальной для

Pp1

и глобальной (из основной программы)

константы

N = 100

}

a := b + x + y; {

глобальной переменной

присваивается

значение суммы глобальных переменных

(из программы) и

(из

) и локальной

переменной

}

{

Внешние данные процедуры

Pp1

переменные

y, a, b

; константа

N }

end; {Pp1}

procedure Pp2 ...;

{

Контексты процедуры

Pp2

локальный: (пустой)

глобальный:

const N1 = 50;

var x, y, u, v;

procedure Pp2, Pp1;

const N = 100;

var a, b, c, z;

procedure P1; }

begin {Pp2}

x := N1; {

переменной

, глобальной для

Pp2

и локальной

для

присваивается значение константы

N1 = 50

из процедуры

(глобальной для

Pp2

)

}

y := x + N; {

переменной

из

присваивается значение

суммы переменной

из

и глобальной

константы

N = 100

(из основной программы)

}

a := b + x + y; {

глобальной переменной

присваивается

значение суммы глобальной переменной

(из основной программы) и локальных для

переменных

y }

Pp1; {

вызов процедуры

Pp1

, глобальной для

Pp2

, но

локальной для

}

{

Внешние данные процедуры

Pp2

переменные

x, y, a, b

;

8.3. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ИМЕН

387

константы

N1, N

;

}

end; {Pp2}

{

Контексты процедуры

локальный:

const N1 = 50;

var x, y, u, v;

глобальный:

const N = 100;

var a,b,c, x,y;

procedure Pp2,Pp1,P1; }

begin {P1}

...

end; {P1}

procedure P2 ...;

{

Контексты процедуры P2

локальный: (пустой)

глобальный:

const N = 100; N1= 30;

var a,b,c, x,y,z, u,v;

procedure P2; P1; }

begin {P2}

...

end; {P2}

{

Контексты программы PROG

локальный:

const N = 100; N1 = 30;

var a,b,c, x,y,z, u,v;

procedure P2, P1;

глобальный:

(пустой) }

begin {PROG}

...

end. {PROG}

Из приведенных схем видно, как глобальные имена экранируются локаль-

ными описаниями и, тем самым, становятся недоступными во вложенных

блоках.

Все сказанное выше про локализацию имен при практическом приме-

нении необходимо согласовывать с возможностями используемой системы

программирования. Применительно к языку

С/С++

нужно иметь в виду на-

388

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

личие препроцессора, который в принципе ‘не знает’ языка,но, тем не менее,

оперирует с именами программного текста. Среди прочего действия препро-

цессора включают в себя подстановку определенным образом оформленных

фрагментов вместо их имен, которые определяются операторами

#deﬁne

. В

результате в программном тексте появляются как нормальные, относящие-

ся к языку имена, так и имена обозначений текстовых фрагментов. Так вот,

если первые подчиняются только что определенным правилам локализации,

то вторые — нет. Они подчиняются правилам, которые “знает” препроцес-

сор: если имя определено оператором

#deﬁne

как обозначение некоторого

фрагмента, то это обозначение действует, сразу же после данного операто-

ра и до конца текста либо до нового оператора

#deﬁne

, переопределяющего

данное имя. Слово ‘действует’ надо понимать следующим образом: препро-

цессор подставляет обозначенный именем фрагмент в то место текста, в ко-

тором встречается данное имя. Нужно осознавать, что при вставке фрагмента

встречающиеся в нем имена приобретают смысл из контекста вставки (но не

описания, как если бы действовали правила (a)–(e)). Таким образом, работа

препроцессора может создать впечатление нарушения правил локализации

имен.

Следующие два программных текста представляют собой описания на-

ших сквозных примеров процедур

MyOwnInpMatr

MyInpMatr

. Они демон-

стрируют возможности определения функций в глобальном контексте для

языка

. В данном случае предлагается использовать контекст с описанием

одной матрицы:

Matrix Matr;

Первая функция должна вызываться, когда размерность

Matr

, т. е. перемен-

ная

, заранее определена, вторая, когда требуется определить

, задать ей

нужное значение.

Программа 8.3.3

void MyOwnInpMatr()

{

int i,j;

printf("Enter matrix data:\n");

for(i=0; i < N; i++)

{

Если же пользоваться встраиваемыми функциями, то правила локализации имен сохра-

няются.

8.3. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ИМЕН

389

printf("Row %3i:",i);

for(j=0; j < N; j++)

scanf("%f",& Matr [i][j]);

printf("\n");

}

Программа 8.3.4

int MyInpMatr()

{

int i,j,N=0;

char c; //

Переменная используется для определения

окончания ввода первой строки матрицы

printf("Enter matrix data:\n");

printf("Row 0:");

scanf("%f%c",& Matr [0][N++],&c);

while(c!=’\n’);

// scanf("\n");

for(i=1; i < N; i++)

{

printf("Row %2i:",i);

for(j=0; j < N; j++)

scanf("%f",& Matr [i][j]);

scanf("%c",&c);

while(c!=’\n’);

}

return N;

}

В описании локального контекста функции

MyInpMatr

определяется перемен-

ная

, что иллюстрирует пересечение глобального и локального контекстов

390

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

по именам. Как было сказано выше, локальное

делает недоступным для

использования в теле функции глобального

, а потому все присваивания

значений локальной переменной

никак не влияют на значение внешней

переменной

Тело функции

MyInpMatr

демонстрирует, каким способом в

С/С++

значе-

ние функции передается в точку ее вызова: оператор

return N;

В ранних языках для этой цели применяется прием, который назовем ал-

головский возврат, т. к. впервые он появился в

Algol 60

: присваивание имени

функции (это не переменная, которую можно использовать!) вырабатывае-

мого значения. Этот прием сегодня можно считать устаревшим, но его при-

ходится сохранять, например, в языках линии

Pascal

для преемственности.

Следует, тем не менее, заметить, что алголовский возврат значения функции

в определенном смысле выразительнее: можно выработать значение, а после

этого продолжать другие вычисления функции. Но такая возможность всегда

достижима с помощью использования переменной нужного типа (в частно-

сти в

Object Pascal

для такой переменной вводится специальное обозначение

Result

, и, тем самым атавизм языка

Pascal

может быть превращен в преиму-

щество).

Наслоение новых и старых подходов привело к тому, что в

Object Pascal

возможные противоречия

Result := 17; F := 5;

ликвидируются на уровне прагматики.

Уже упоминалось, что функция

MyInpMatr

более автономна, чем проце-

дура

MyOwnInpMatr

, так как не требует, чтобы заранее был известен размер

матрицы. По этой причине было сказано, что ее использование предпочти-

тельнее. В то же время, совершенно понятно, что как та, так и другая под-

программа слишком зависят от глобального контекста, чтобы их можно бы-

ло сравнивать по этому критерию (обе предназначены для ввода одной и той

же матрицы). В дальнейшем будут обсуждаться языковые средства, позво-

ляющие повышать автономность подпрограмм, и в этой связи на примере

MyInpMatr

MyOwnInpMatr

будет показано, как применять такие средства.

§ 8.4. ВЫЗОВ ПРОЦЕДУРЫ

8.4.1. Семантика вызова процедуры

Цель данного параграфа состоит в том, чтобы дать представление о се-

мантике языковых конструкций, которые задают в программе выполнение

8.4. ВЫЗОВ ПРОЦЕДУРЫ

391

алгоритма процедуры (оператора процедуры и использования функции в ка-

честве составляющего выражения), т. е. ответ на вопрос, что происходит при

выполнении программы, когда очередное действие требует вызова процеду-

ры. Обращаясь к терминологии модели вычислений языка, эту цель можно

сформулировать как обсуждение действий абстрактного вычислителя язы-

ка, связанных с вычислением конструкций

<оператор вызова процедуры>

<использование функции>

Синтаксически вызов процедуры практически во всех языках программи-

рования оформляется с помощью употребления в тексте программы имени

процедуры или функции

. Процесс, который активизируется при выполне-

нии конструкции вызова процедуры, разбивается на три фазы:

• подготовка выполнения процедуры;

• выполнение алгоритма процедуры;

• завершение выполнения процедуры.

На первой фазе абстрактный вычислитель языка

1. создает локальный контекст: обеспечивает возможность оперирова-

ния с системой контекстов, доступных для операторов тела вызывае-

мой процедуры, в частности, он выделяет память для локального кон-

текста процедуры;

2. осуществляет вход в подпрограмму: передает управление на тело про-

цедуры с запоминанием точки возврата,т. е.адреса,куда должно будет

передаваться управление после выполнения процедуры.

Вторая фаза заключается в

3. активизируется абстрактный вычислитель языка: выполняются опе-

раторы тела процедуры.

На третьей фазе абстрактный вычислитель языка

Неявный, ‘безымянный’ вызов подпрограммы возможен в тех языках, которые допуска-

ют задание программистом реакции на события, возникающие в ходе вычислений или же

запроцедуривание: превращение некоторого выражения или оператора в неявную процеду-

ру. Этот случай целесообразно рассмотреть отдельно, когда основа механизма вызова будет

изучена.

392

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

4. уничтожает локальный контекст:возвращает состояние памяти,пред-

шествовавшее вызову процедуры (с точностью до изменений значений,

произведенных во внешнем контексте процедуры при выполнении вто-

рой фазы), в частности, он ликвидирует память, выделенную на первой

фазе для локального контекста;

5. передает управление в точку возврата.

Указанные шаги выполнения абстрактным вычислителем языка процес-

са вызова процедуры определяют семантику данной языковой конструкции.

Большинство моделей вычислений языков предписывает именно эти дей-

ствия для реализации вызова, хотя в некоторых случаях они могут быть вы-

рождены или дополнены. Наиболее заметны в этом отношении расхождения

моделей в части работы с контекстами (шаги 1 и 4). Так, во многих языках

предусматривается инициализация памяти, т. е. задание начальных значений

для переменных локального контекста. В

С/С++

предусматривается иници-

ализация переменных, а в Паскале их значения считаются неопределенны-

ми. В простых языках, в которых процедуры не имеют локального контек-

ста, действия по подготовке памяти вырождены (например, в

Basic

). Иногда

предписывается необходимость сохранения локального контекста после за-

вершения вызова (описатель own

Algol 60

, который трактуется как средство,

предназначенное для передачи информации от вызова к вызову процедуры).

В этих случаях следует говорить не только о создании и уничтожении ло-

кальных контекстов, но и об упрятывании их, возможно, частичном, а также

о восстановлении контекстов.

При рассмотрении шагов 2 и 5 может возникнуть вопрос о том, где за-

поминается адрес возврата. С целью предоставить гибкость при разработ-

ке систем программирования и обеспечить возможность учета архитектуры

компьютера, эталонные определения языков, как правило, не фиксируют ре-

гламент хранения адреса возврата, но обычно он размещается в локальном

контексте, дополняя последний недоступным для пользователя элементом.

Иллюстрациями вызова процедур (функций) в

С/С++

в рамках продолже-

ния сквозного примера могут служить следующие конструкции:

MyOwnInpMatr();

после которого (при условии корректного ввода) матрица

Matr

получает зна-

чения своих элементов, и

N = MyInpMatr();

при выполнении которого кроме ввода матрицы

Matr

значение, выработанное

функцией, присваивается глобальной переменной

8.4. ВЫЗОВ ПРОЦЕДУРЫ

393

8.4.2. Статическая и динамическая цепочки

Для тех,кто желает ограничить себя программированием на языках

С/С++

данный раздел, скорее всего, не представляет интереса, однако для глубокого

усвоения процессов, которые происходят в реальной вычислительной техни-

ке при вызовах процедур, представленный материал является необходимым.

Из предыдущего видно, что вызов процедуры приводит к оперированию с

контекстами. В этой связи важно проследить взаимодействие контекстов, ди-

намически возникающих в ходе выполнения программы, и статических кон-

текстов, которые обсуждались ранее.

Возможность доступа к любым объектам в процедуре определяется до

выполнения программы в соответствии с механизмом согласования контек-

стов (см. параграф 8.4.1). При выполнении программы локальные контексты

порождаются и уничтожаются в порядке, который определяется динамиче-

ски: порядком вызовов процедур. Поскольку их имена являются элементами

контекстов, в которых они описываются, возможность вызова той или иной

процедуры (как и других объектов) регламентируется статической вложен-

ностью контекстов. За счет этого одновременно существуют локальные кон-

тексты всех процедур, вызванных в некоторый момент вычислений. Таким

образом, для каждой процедуры имеются:

• статическая последовательность контекстов доступа, называемая ста-

тической цепочкой процедур, и

• динамическая,определенная в момент вызова процедур,последователь-

ность контекстов, которые суть локальные контексты вызванных, но не

завершенных процедур в порядке их вызовов,— динамическая цепочка

процедур.

Приводимый ниже пример поясняет введенные понятия. Пусть имеется сле-

дующая схема программы, на которой многоточиями обозначены описания

программных объектов, входящих в контексты основной программы и про-

цедур. Справа от схемы отмечены локальные контексты, которые обозначе-

ны буквой

с последующим именем подпрограммы. Слева указаны номера

строк. Пример приводится для языка

Pascal

, для

С/С++

он был бы вырожден-

ным из-за запрета вложенных описаний процедур.

В частности, логическое описание обработки исключительных ситуаций приводит к вы-

воду, что их корректное представление возможно, лишь если обработчики будут процедура-

ми, описанными внутри процедур.

394

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

Программа 8.4.1

1. program PROG; KPROG

2. ... KPROG

3. procedure P; KP KPROG

4. ... KP

5. begin

6. ...

7. end; {P}

8. procedure Q; KQ KPROG

9. ... KQ

10. procedure Q1; KQ1 KQ

11. ... KQ1

12. begin

13. P;

14. end; {Q1}

15. procedure Q2; KQ2 KQ

16. ... KQ2

17. begin KQ2

18. Q1; KQ2

19. end; {Q2}

20. begin

21. Q2;

22. end; Q

23. begin

24. Q;

25. ...

26. P;

27. end.

Локальный контекст основной программы

KPROG

, являющийся глобальным

для процедур

, включает среди прочего имена этих процедур. Это по-

зволяет задать вызов процедуры

в теле программы (строка 24). Тем самым

при вызове

будет образована динамическая цепочка

KPROG, KQ,

которая совпадает со статической цепочкой тела процедуры

, образованной

путем погружения в контекст.

включает в себя имена процедур

доступных для вызова в теле

. Вызов

(строка 21) приводит к образова-

нию динамической цепочки