Vorlesung „Programmieren“

Vorlesung „Programmieren“
Speicherverwaltung und
Parameterübergabe
Prof. Dr. Stefan Fischer
Institut für Telematik, Universität zu Lübeck
http://www.itm.uni-luebeck.de/people/fischer
Gültigkeitsbereich von Variablen
• Merkregeln
– Variablen können an jeder Position im Code deklariert werden
– Man unterscheidet globale und lokale Variablen
– Gültigkeitsbereich erstreckt sich von der Position der Deklaration
bis zum Ende des aktuellen Blocks
– Gültigkeitsbereich wird auch Scope genannt
• Jede Variable hat Gültigkeitsbereich und Speicherbereich
– Speicher wird implizit (vom Compiler/Betriebssystem) oder
– explizit (vom Programmierer) reserviert und freigegeben
5-2
Beispiel: globale und lokale Variablen
Security - 04 Cryptology
#3
Beispiel: Inverter
args
puffer
zeichen
index
i
5-4
• Variante mit
Prozeduren
• Variablen
und
Parameter
sind jeweils
nur innerhalb
der Prozedur
gültig
• Übergabe
von Werten
an
aufgerufene
Prozeduren
Security - 04 Cryptology
#5
Implizite Speicherverwaltung
Security - 04 Cryptology
#6
Implizite Speicherverwaltung
• Speicher wird implizit durch
Variablendeklarationen reserviert
– Beispiel: int x;
– Reserviert Speicher für eine int-Variable
• Implizit: automatisch
– Speicher wird automatisch zur passenden Zeit
reserviert und dann wieder freigegeben
– Erfolgt durch Compiler bzw. Betriebssystem
– Keine manuelle Interaktion notwendig bzw. möglich
Security - 04 Cryptology
#7
Implizite Speicherverwaltung
•
Speicher wird durch
Variablendeklarationen
reserviert
•
Wichtig zum Verständnis:
Zeitpunkte der
Reservierung und Freigabe
•
Variablen existieren
entweder
– immer und genau einmal
(statische Lebensdauer)
– oder nur im aktiven Block
Implizite Speicherverwaltung
•
Wo liegen Variablen, Parameter und
Rückgabewerte im Speicher?
Stack
•
Nicht die Variablen, sondern deren Werte werden
auf den Stack abgelegt
– Gilt in Java für alle primitiven Datentypen
– Also nicht für Arrays und nicht-primitive Datentypen
(z.B. Strings)
– Prinzip des „call by value“ (vs. „call by reference“)
•
Adresse
– Für sie wird Platz auf dem sog. Stack reserviert
– Stack: Teil des Speicherbereichs eines Programms
Spezielles Register: Stack pointer (SP)
– Inhalt des Registers ist die Adresse des nächsten freien
Stackeintrags
SP
9
Implizite Speicherverwaltung: Beispiel
•
Variable „statisch“
–
•
•
Variable „args“ und „c“
–
Während Ausführung von main
–
Also quasi auch immer (main ist
Hauptfunktion)
Variable „b“
–
•
Existiert während gesamter
Programmlaufzeit
Nach Aufruf durch g() (Zeile 15)
Variable „a“
–
Nach Aufruf von f() (Zeile 10)
–
Nach Aufruf von f() (Zeile 16)
Implizite Speicherverwaltung: Beispiel
f() {
int a;
}
static int statisch;
main() {
char c;
g();
f();
}
a(1)
a(2)
b
c
statisch
Stack
g() {
float b;
f();
}
11
Demo: Implizite Speicherverwaltung
Security - 04 Cryptology
#12
Implizite Speicherverwaltung und Rekursion
•
Beispiel: Rekursive Programmierung
– Rekursion: Eine Funktion ruft sich selbst auf
Was fehlt im dargestellten Stack?
public static int f(int cnt) {
if(cnt < 3) {
return cnt + f(cnt + 1);
} else {
return cnt;
}
}
public static void main(String args[]) {
f(1);
}
cnt3= 3
cnt5= 2
cnt6= 1
Stack
•
13
Wichtig: Abbruchbedingung bei Rekursion
Security - 04 Cryptology
#14
Aufgabe: ImpliziteSpeicherverwaltungAufgabe
Security - 04 Cryptology
#15
Explizite Speicherverwaltung
Security - 04 Cryptology
#16
Explizite (dynamische) Speicherverwaltung
• Oft reicht implizite Reservierung nicht
– Unbekannte Anzahl zur Compile-Zeit
• Dann geht z.B. int[] x = new int[10]; nicht
• Vielleicht ist dann so etwas notwendig:
int[] x = new int[Integer.parseInt(args[0])];
– Langlebige aber nicht permanente Elemente
• Wird z.B. über mehrere Funktionsaufrufe benötigt, aber nicht für die
ganze Programmlaufzeit
• Daher: dynamische Speicherverwaltung
– Zu beliebigen Zeitpunkten Speicher anfordern und wieder freigeben
– In Java: nur anfordern, Freigabe erfolgt automatisch
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Explizite (dynamische) Speicherverwaltung
• Speicher wird nicht auf dem
Stack, sondern auf dem Heap
reserviert
Stack
Heap
• Heap und Stack teilen sich
den Programmspeicher
Heap
• Heap und Stack wachsen
aufeinander zu
Stack
18
Beispiel für die Programmiersprache C
•
Funktion malloc reserviert Speicher
– Gibt Anfangsadresse des reservierten
Speichers zurück
Funktion free gibt Speicher wieder frei
– Anfangsadresse muss übergeben
werden
– Wenn man diese „vergessen“ hat,
bleibt der Speicher „für immer“
reserviert
5000
4000
3000
2000
1000
•
Beispiel
– void* b1 = malloc(1000);
void* b2 = malloc(2000);
free(b1);
free(b2);
--b2
----b1
Heap
•
19
Explizite (dynamische) Speicherverwaltung
• Erfolgt durch den Programmierer
– Speicher kann nach Bedarf reserviert werden
– Alle nicht-primitiven Datentypen müssen (in Java) so instanziiert
werden
• Variablen sind frei in Ihrer Gültigkeitsdauer
– In vielen Sprachen muss Speicher explizit freigegeben werden
– In Java erfolgt dies automatisch, wenn keine Referenz mehr auf diesen
Bereich verweist Garbage Collection (später)
• Wichtiges Schlüsselwort: new
Schlüsselwort new
•
new reserviert so viel Speicher wie Datentyp benötigt
•
Beispiel: new int[100];
– Reserviert Speicherplatz für 100 int-Zahlen
•
Rückgabewert von new: Referenz auf erzeugtes Objekt
– Datentyp der Rückgabe: wie angegeben (hier: int[])
Referenzen auf Speicherbereiche
•
a1, a2 und b sind Variablen, die auf ein int-Array verweisen können
–
–
•
Es werden zwei int-Arrays erzeugt und je eins wird a1 und a2 zugewiesen
Damit referenziert jede Variable den neu reservierten Speicherbereich
Die Variable b referenziert zunächst nichts
–
Für „nichts“ gibt es eine spezielle Adresse: null
Beginn des Speicherbereichs
Was bedeutet „null“?
•
Wörtlich: nichtig, ungültig
– Bedeutet, dass diese Variable keinen Speicherbereich referenziert
– Kann anstelle einer echten Speicherreferenz verwendet werden (Array, String, ...)
– Nicht aber anstelle eines primitiven Wertes (boolean, int usw.)
•
Hinter null verbirgt sich kein Objekt im Speicher
– Greift man denn darauf zu, wird ein Fehler erzeugt (NullPointerException
später)
Java: Reference Counting
• Java: automatische Speicherfreigabe
– Wird ein Speicherbereich nicht mehr über eine Variable referenziert,
dann wird er freigegeben
– Erfolgt periodisch und automatisch durch sog. Garbage Collector (GC)
• Beispiel
– int d1[] = new int[100];
// 1 Referenz
int d2[] = d1;
// 2 Referenzen
d1 = null;
// 1 Referenz
d2 = null;
// 0 Referenzen
GC
Auch der Heap ist endlich...
Security - 04 Cryptology
#25
•
Größe von
Heap und
Stack
können
vorgegeben
werden
•
Parameterübergabe
an Java VM
•
Beispiel:
java
–Xmx128m
–Xms256m
MeinProg
Security - 04 Cryptology
#26
Call by Value vs. Call by Reference
Security - 04 Cryptology
#27
Call by Value vs. Call by Reference
• Call by Value
–
–
–
–
Übergabe von Werten an Funktionen
Geschieht über den Stack
Gilt für alle primitiven Datentypen in Java
Veränderungen des Parameters wirken sich nur
innerhalb der Funktion aus
• Call by Reference
– Übergabe von Referenzen auf den Speicherbereich
– Veränderungen des Parameters wirken auch
außerhalb der Funktion aus
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#28
Beispiel: Call by Value
• Übergabe von Werten (primitive Datentypen)
Security - 04 Cryptology
#29
Beispiel: Call by Reference
• Verändern des übergebenen, referenzierten
Speicherbereichs
– Also Veränderung des übergeneben Parameters
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#30
Beispiel: Call by Reference
• Zuweisen eines neuen Speicherbereichs an
den übergebenen Parameter
Security - 04 Cryptology
#31
Zusammenfassung und Ausblick
•
Variablen, Parameter und Rückgabewerte werden automatisch erzeugt und
freigegeben
– Implizite Speicherverwaltung über Stack
•
Parameter- und Rückgabewertübergabe erfolgt über Stack
– Werte der primitiven Datentypen werden auf den Stack kopiert
– Daten (Parameter, Rückgabe, Variablen) werden immer relativ zum Stack Pointer
referenziert (erlaubt rekursive Aufrufe)
– Nicht-primitive Datentypen: es wird eine Referenz (die Adresse im Speicher) übergeben
•
Speicher für nicht-primitive Datentypen muss explizit angefordert werden
– Dynamische Speicherverwaltung über Heap
– In Java wird reservierter Speicher automatisch freigegeben sobald keine Referenz mehr
existiert (Garbage Collection)
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