Procédures, portée et activations
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- Jean-Claude Armand Charbonneau
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1 Procédures, portée et activations Université de Montréal Portée et activations 1 Variables déf : variable = abstraction d emplacement en mémoire (von Neumann!) donc : variable = nom [identificateur] (sauf pour variables anonymes allouées dynamiquement) + adresse [l-value] (sur la pile ou le tas) + valeur [r-value] + type (ensemble de valeurs possibles) + durée de vie (pointeurs!) + portée [scope] : visibilité du nom Université de Montréal Portée et activations 2
2 Variables II durée de vie : temps pendant lequel la variable est liée à une addresse en mémoire I. statique : même adresse pendant l exécution du programme (toutes variables en FORTRAN, static en C, C++ et Java) II. dynamique sur la pile (variables locales dans procédures) III. dynamique sur le tas, allouée explicitement (accès par pointeurs) IV. dynamique sur le tas, allouée implicitement (p.e., chaînes de caractères en Perl et JavaScript) Université de Montréal Portée et activations 3 Portée Les noms sont utilisés pour identifier des types, variables, procédures, etc. (identificateurs) Dans la plupart des langages un même nom peut servir à désigner plusieurs choses Les règles de portée d un langage spécifient ce qui est désigné par un nom, en fonction du contexte de son utilisation Déf : une déclaration introduit un nouveau sens pour un nom déclaration de type, de variable, de paramètre, de procédure,... Exemple : int x; déclaration qui introduit le nom x Université de Montréal Portée et activations 4
3 Déclaration Déclaration de variables peut être implicite : p.e. FORTRAN Typiquement : la déclaration fixe le type d une variable et la portée de son nom. Souvent : la déclaration alloue de la mémoire (p.e. Java) aussi Exemple en Algol 68 : la déclaration int x ; équivaut à ref int x=loc int ; (loc pour allocation de mémoire sur la pile) philosophie : x est «un pointeur constant» vers une valeur entière (par contre int y=9 ; signifie que y est un entier constant) C et C++ : définition = déclaration avec allocation Université de Montréal Portée et activations 5 Portée II Déf : la portée d une déclaration = la région du programme où l utilisation du nom déclaré désigne cette déclaration. Exemple en C int carre (int x) { return x*x; int f (int y){ return carre (carre (y)); Portée de int x = corps de carre Portée de int carre (int x) = corps de carre et f Université de Montréal Portée et activations 6
4 Portée III Les règles de portée forment une fonction (utilisée par le compilateur ou interprète) nom déclaration Les deux sortes de portée les plus répandues : 1. Portée lexicale/statique (plupart des langages) : si fonction calculable à la compilation 2. Portée dynamique (Perl, APL, TeX, Lisp mais pas Scheme) : si fonction calculable à l exécution Université de Montréal Portée et activations 7 Portée lexicale Règle : un nom désigne la déclaration englobante la plus proche [vers le début] textuellement Donc, une déclaration locale à un bloc (ou procédure) a précéance, à l intérieur de ce bloc, sur toute déclaration du même nom externe à ce bloc Note : en C, une «déclaration» de variable n inclut pas l initialisation (i.e. la portée de int x débute après l initialisation dans int x = x*y;) Université de Montréal Portée et activations 8
5 Exemple en C++ Portée lexicale II Université de Montréal Portée et activations 9 Portée lexicale III Pascal : déclarations au début de procédures nouvelle portée introduisable par une procédure seulement Certains langages permettent l imbrication des procédures (Pascal, Modula-2, Ada, SIMULA, Scheme, Perl mais pas C et FOR- TRAN) La portée des déclarations locales à une procédure s étend aux sous-procédures Université de Montréal Portée et activations 10
6 Exemple en Pascal Portée lexicale IV procedure A; var x : char; (* variable locale de A *) procedure B; writeln(x) end; procedure C; var x : char; (* variable locale de C *) x := C ; B end; x := A ; B; (* imprime A *) C; (* imprime A *) B (* imprime A *) end; Université de Montréal Portée et activations 11 Portée dynamique Règle : un nom désigne la déclaration englobante la plus récente dans la chaîne d appel Donc, si la procédure A appèle la procédure B, une déclaration qui est visible dans A le sera également dans B (à moins que B déclare le même nom) Université de Montréal Portée et activations 12
7 Exemple en Perl Portée dynamique II sub A { local $x; sub B { printf("%s\n", $x); sub C { local $x = "C"; B; $x = "A"; B; # imprime A C; # imprime C B; # imprime A Note : en Perl, l utilisation de my à la place de local donne la portée lexicale Université de Montréal Portée et activations 13 Portée dynamique III En général la portée dynamique est à éviter car sa sémantique dépend de l ordre d exécution Un cas où la portée dynamique est appropriée, c est pour passer un paramètre à toutes les procédures appelées pendant l activation courante La portée lexicale se compile mieux (programmes plus rapides) que la portée dynamique car la correspondance nom-déclaration est connue à la compilation Université de Montréal Portée et activations 14
8 Portée dynamique IV Exemple en C : changer la destination d impression void imprime_ligne (char* ligne, FILE* F){ while (*msg!= \0 ) fputc (*msg++, F); fputc ( \n, F); void imprime_page (char** page, int nombre_lignes, FILE* F){ int i; for (i=0; i<nombre_lignes; i++) imprime_ligne (page[i], F); char* p[3] = { "ligne 1", "ligne 2", "ligne 3" ; void main (void){ FILE* fich; imprime_page (p, 3, stdout); fich = fopen ("rapport", "w"); imprime_page (p, 3, fich); fclose (fich); Université de Montréal Portée et activations 15 Procédures déf : procédure = fragment de programme paramétrisé déf : signature d une procédure = type des paramètres (et du résultat dans le cas d une fonction) déf : corps d une procédure = opérations associées à la procédure Une définition de procédure donne généralement 1. Le nom de la procédure 2. Sa signature 3. Le nom des paramètres formels 4. Le corps Université de Montréal Portée et activations 16
9 Procédures II déf : appel de procédure = utilisation de la procédure dans le texte du programme Déf : activation de procédure = exécution du corps de la procédure Exemple en C : double demi(int n){ /* signature: int -> double */ return n*0.5; void test (void){ int i; double x = 0; for (i=1; i<=5; i++) x += demi(i); 1 appel et 5 activations de demi Université de Montréal Portée et activations 17 Procédures III 2 procédures intervenantes par activation : 1. La procédure appelante contient l appel 2. La procédure appelée est celle qui est activée par l appel Un appel de procédure contient les paramètres actuels Les paramètres formels sont les représentants des paramètres actuels dans le corps de l appelée Université de Montréal Portée et activations 18
10 Bénéfices 1. Abstraction : permet d exprimer des opérations abstraites, i.e. plus proches des besoins de l application (trier, chercher, etc.) 2. Isoler l implantation : si la spécification de la procédure est bien définie, le corps de la procédure peut être changé/amélioré sans avoir à changer le reste du programme 3. Modularité : un programme peut être découpé en morceaux qui sont plus faciles à comprendre indépendamment 4. Librairies : groupe de procédures d usage général réutilisable par divers programmes (stdio, Xlib,... ) Université de Montréal Portée et activations 19 Variantes 1. Syntaxe de définition avec mot de clé (FORTRAN : SUBROUTINE, Pascal : procedure) ou sans (C, C++, Java : void) 2. Retour du résultat de la fonction : avec mot de clé (C,... : return) possiblement plusieurs fois dans la même fonction nom de fonction à la gauche (Pascal) fonction square(x : entier) : entier; début square := x x fin ; rien (dernière expression évaluée dans la fonction) (Algol) 3. Appel : en général : nom ( paramètres ) (Pascal : parenthèses facultatives si aucun paramètre) Université de Montréal Portée et activations 20
11 Paramètres optionnels Paramètres optionnels (C++, Ada) valeur de défaut : si paramètre n est pas fourni, la valeur de défaut est utilisée exemple en C++ void print_int(int n, int base=10, FILE f*=stdout){... void proc(){ print_int(13); // decimal sur stdout print_int(13,2); // binaire sur stdout print_int(555,16,stderr); // hexadecimal sur stderr Université de Montréal Portée et activations 21 Paramètres nommés Ada, Lisp et Perl permettent de spécifier les paramètres actuels en les nommant (dans n importe quel ordre) utile lorsque combiné avec paramètres optionnels et aussi pour documenter le programme exemple en Ada procedure header (page : in Integer; title : in String := ""; center: in Boolean := True) is... end header; procedure example is header (100, "", False); header (100, center => False); header (center => False, page => 100); end example; Université de Montréal Portée et activations 22
12 Passage de paramètre déf : mode de passage de paramètre = lien qui existe entre le paramètre formel et le paramètre actuel Les 4 modes les plus répandus 1. par valeur (existe dans presque tous les langages ; aussi appelé par copie) 2. par référence (Pascal, Modula-2, C++, Java pour les objets) 3. par valeur-résultat (Ada) 4. par nom (Algol, SIMULA) Université de Montréal Portée et activations 23 Passage par valeur Paramètre actuel est une expression (R-value) Paramètre formel est une variable créée pour l activation et initialisée avec la valeur du paramètre actuel /* exemple de passage par valeur en C*/ int carre (int x) { x = x*x; return x; void test (void) { int n = 3; printf ("%d", carre (n)); /* 9 */ printf ("%d", n); /* 3 */ printf ("%d", carre (n+1)); /* 16 */ Donc, les affectations au paramètre formel n affectent pas le paramètre actuel Université de Montréal Portée et activations 24
13 Passage par référence Paramètre actuel est une variable ou tout autre emplacement mémoire (L-value) Paramètre formel a la même addresse que celle du paramètre actuel lors de l activation (i.e. c est un alias) /* exemple de passage par référence en C++ */ int carre (int &x) /* x passe par reference */ { x = x*x; return x; void test (void) { int n = 3; printf ("%d", carre (n)); /* 9 */ printf ("%d", n); /* 9 */ (Le même effet peut être obtenu en C avec le passage par valeur d un pointeur) Université de Montréal Portée et activations 25 Passage par valeur-résultat Paramètre actuel est une variable ou tout autre emplacement mémoire (L-value) Paramètre formel est une variable créée pour l activation et initialisée avec la valeur du paramètre actuel Au retour de la procédure, le paramètre formel est copié dans le paramètre actuel Université de Montréal Portée et activations 26
14 Passage par valeur-résultat II -- exemple de passage par valeur-résultat en Ada i, n : integer; procedure add2 (x : in out integer) is x := x+i; x := x+i; end; n := 0; i := 1; add2 (n); put (n); -- imprime 2 (serait 2 par reference) add2 (i); put (i); -- imprime 3 (serait 4 par reference) Permet accès plus rapide au paramètre formel que passage par référence (évite indirection) Sens plus simple pour les systèmes concurrents Université de Montréal Portée et activations 27 Passage par nom Paramètre actuel est un L-value ou un R-value Une utilisation du paramètre formel évalue le paramètre actuel comme L-value (si à gauche d une affectation) sinon comme R-value Le paramètre actuel est évalué à chaque accès Université de Montréal Portée et activations 28
15 Exemple en SIMULA integer i, n; integer array t(1:2); Passage par nom II procedure add2 (x); name x; integer x; x := x+1; i := i+1; x := x+1; end; n := 0; i := 1; add2 (n); outint (n,0);! imprime 2 (serait 2 par reference) ; n := 0; i := 1; t(1) := 0; t(2) := 0; add2 (t(i)); outint (t(1),0);! imprime 1 (serait 2 par reference) ; outint (t(2),0);! imprime 1 (serait 0 par reference) ; Université de Montréal Portée et activations 29 Passage par nom III Les subtilités de la sémantique du passage par nom peuvent être exploitées pour créer des nouvelles structures de contrôle Exemple : calcul d une somme générale, tel que 10 i=1 2 i. real procedure somme (index, bas, haut, valeur); name index, valeur; integer index, bas, haut; real valeur; integer j; real s; s := 0; for j := bas step 1 until haut do index := j; s := s + valeur; end; somme := s; end; integer i; outfix (somme (i,1,10,1/2**i), 10, 15);! ; outfix (somme (i,1,10,i), 1, 4);! 55.0 ; Université de Montréal Portée et activations 30
16 Macros Le compilateur C (gcc) est composé de plusieurs programmes qui traitent à leur tour le programme à compiler cpp est le préprocesseur C Université de Montréal Portée et activations 31 Macros II cpp traite toutes les directives de préprocesseur # et les macros #include : inclusion de fichier #if ou #ifdef, #else, #endif : compilation conditionnelle #define : définition de macro déf : une macro c est une sorte de procédure dont l appel sera traité par le préprocesseur, en remplaçant l appel par le corps de la macro avec une substitution textuelle des paramètres Université de Montréal Portée et activations 32
17 Macros III #include <stdio.h> int printf (char *format,...);... /* reste de /usr/include/stdio.h */ #define N 10 #define MIN(x,y) (x<y)?x:y #if N < 5 int t[n]; #else int t[n*2]; int t[10*2]; #endif int min3(int a,int b,int c) int min3(int a,int b,int c) { { a = MIN(a,b); a = (a<b)?a:b; a = MIN(a,c); a = (a<c)?a:c; return a; return a; main () main () { { #ifdef sun printf ("version SUN\n"); #endif #ifdef SGI printf ("version SGI\n"); #endif printf ("version SGI\n"); Université de Montréal Portée et activations 33 Macros IV Les macros sont souvent utilisées au lieu de procédures pour éviter le coût d appel (copie des paramètres, transferts de contrôle,... ) Le traitement des macros par expansion textuelle peut cependant accroître la taille de l exécutable Si la macro contient des déclarations : une sorte de portée dynamique résultats inattendus #define echange(x,y) { int t = y; y = x; x = t; void proc (int a, int b, int t, int t2) { echange(a,b); /* { int t = b; b = a; a = t; ; */ echange(t,t2); /* { int t = t2; t2 = t; t = t; ; */ /* le deuxieme appel ne change pas t et t2 */ Université de Montréal Portée et activations 34
18 Macros V Les macros ont d autres différences sémantiques avec les procédures 1. Catégorie syntaxique de l expansion possiblement différente de l appel (idem pour le paramètre formel) #define abs(x) (x<0)? -x : x #define echange(x,y) { int t = y; y = x; x = t; b = abs(a+1)*2; /* b = (a+1<0)? -a+1 : a+1*2; */ if (a < b) /* if (a < b) */ echange(a,b); /* { int t = b; b = a; a = t; ; */ else... /* else... <-- erreur de syntaxe */ une solution : #define abs(x) (((x)<0)? -(x) : (x)) #define echange(x,y) do { int t = y; y = x; x = t; while (0) Université de Montréal Portée et activations 35 Macros VI 2. Évaluation multiple du paramètre actuel (ceci est un problème difficile à contourner en même temps que les conflits de noms) b = abs(f(a)); /* b = (((f(a)+1)<0)? -(f(a)+1) : (f(a)+1))*2; */ echange(x[i++],x[j++]); /* do {int t=x[j++];x[j++]=x[i++];x[i++]=t; while (0); */ une solution : #define echange(x,y) \ do { int *px=&(x), *py=&(y), t=*py; *py=*px; *px=t; while (0) Université de Montréal Portée et activations 36
19 Activation Objectif : expliquer les mécanismes d activation de procédure et d accès aux variables Problème fondamental : comment associer une valeur à une variable? nom de variable valeur de la variable Décomposé en 3 étapes : 1. nom déclaration : portée 2. déclaration emplacement mémoire : activation courante 3. emplacement mémoire valeur : état de la mémoire Université de Montréal Portée et activations 37 Activation II La deuxième étape est nécessaire pour traiter les procédures récursives déf : une procédure est récursive s il est possible que pendant son activation elle soit activée à nouveau directement récursive : f appelle f indirectement récursive : f appelle g qui appelle f Université de Montréal Portée et activations 38
20 unsigned int f(unsigned int n){ unsigned int retval; if (n==0) retval=1; else retval = n*f(n-1); return retval; Activation III à l exécution d un appel f(2), il y a 3 activations de f : chaque activation a sa propre copie de la variable n le nombre d appels récursifs n est pas connu statiquement : récursivité allocation dynamique des variables locales et paramètres formels pile! Université de Montréal Portée et activations 39 Activation : cas non-récursif L espace pour stocker les paramètres et variables locales des procédures non-récursives peut être alloué statiquement (e.g. FORTRAN) La procédure appelante doit indiquer à la procédure appelée où il faut retourner le contrôle après l activation (adresse de retour) L adresse de retour est simplement un paramètre implicite de toutes les procédures Université de Montréal Portée et activations 40
21 Activation : cas non-récursif II Exemple : FORTRAN 77 organisation de mémoire source SUBROUTINE R(I) variables globales INTEGER I REAL F9, H2 COMMON F9 bloc d'activation: MAIN variables locales... RETURN bloc d'activation: R code: MAIN paramètres adresse de retour END PROGRAM MAIN INTEGER J REAL G COMMON G code: R... CALL R(J+9)... STOP END Université de Montréal Portée et activations 41 Activation : cas récursif L état d une activation est conservé dans un bloc d activation qui stocke Les paramètres formels (incluant l adresse de retour) Les variables locales et temporaires (introduites par le compilateur) Le résultat de la fonction (pas vraiment nécessaire car allocation statique possible) Le lien dynamique qui chaîne les blocs des activations qui n ont pas encore terminées Le lien dynamique permet de retrouver le bloc de la procédure appelante au moment du retour de la procédure courante Université de Montréal Portée et activations 42
22 Activation : gestion mémoire L allocation et la récupération du bloc d activation peut se faire d un seul coup ou incrémentallement L allocation et récupération incrémentale se fait en partie dans l appelant et en partie dans l appelé Par exemple, les compilateurs C font normalement L allocation d un bloc contenant les paramètres dans l appelant (empilés dans l ordre droite à gauche) L extension de ce bloc avec les variables locales dans l appelé La contraction de ce bloc en quittant la portée des variables locales dans l appelé La récupération du bloc au retour de l activation dans l appelant Université de Montréal Portée et activations 43 Activation : gestion mémoire II Exemple en C : fp+0 const int N=100; bloc d'activation: f(0) locales et temps adresse de retour int f(unsigned n){ int v; if (n==0) v=1; PILE bloc d'activation: f(1) paramètres fp-8 else v = n*f(n-1); return v; bloc d'activation: main void main(void){ int k; STATIQUES variables statiques code: f... k=f(1);... code: main point de référence (frame pointer) (il n est pas nécessaire de stocker le lien dynamique) Université de Montréal Portée et activations 44
23 Récursion terminale déf : un appel terminal c est un appel de fonction qui est en position terminale déf : une fonction récursive est en forme itérative si les appels récursifs sont tous des appels terminaux unsigned int fact_aux(unsigned int n, unsigned int v){ if (n==0) return v; else return fact_aux(n-1, n*v); unsigned int fact(unsigned int n){ return fact_aux(n, 1); réutiliser le bloc d activation courant pour la nouvelle activation : espace constant au long de la récursion Université de Montréal Portée et activations 45 Activation : procédures imbriquées accès aux variables avec portée lexicale : L accès à une variable globale est simple car l adresse de la variable dans la zone statique est connue à la compilation L accès à une variable non-globale demande de trouver le bloc d activation la contenant et d accéder au champ approprié de ce bloc En C : non-globale est dans le bloc d activation courant Procédures imbriquées : bloc d activation peut être très loin dans la chaîne d appel lien statique vers parent lexical Université de Montréal Portée et activations 46
24 Procédures imbriquées II Exemple en Pascal program imbrique; locales et temps var x: integer; procedure aa (a: integer); paramètres procedure bb (b: integer); BA: bb(200) lien statique writeln(b+a); BA: cc(20) lien dynamique end; procedure cc(c: integer); PILE BA: aa(1) (résultat) bb(c*10); end; BA: imbrique bb(10); cc(20); end; variables globales aa(1); (* *) aa(2); (* *) code end. Université de Montréal Portée et activations 47 Procédures imbriquées III Niveau d imbrication = nombre de parents lexicaux accès à une variable non-globale v : nombre de liens statiques à traverser déplacement dans le bloc contenant v (calculable à la compilation) marche parce que : 1. parent statique est toujours dans la chaîne statique 2. niveaux d imbrication calculables à la compilation Université de Montréal Portée et activations 48
25 Procédures imbriquées IV procédure passée en paramètre (C, Pascal, Simula, Scheme, AL- GOL,... ) procedure fn_en_param; function derive(function f(w: real):real, x:real):real; derive := (f(x+0.001)-f(x-0.001))/0.002 end; procedure test(exp: integer); function puiss(z:real):real; (* calcule z^exp *) var temp:real ; i:integer; temp:=1; for i:=1 to exp do temp := temp * z; puiss := temp end; writeln(derive(puiss,10.0)) end; test(3) (* *) end; Université de Montréal Portée et activations 49 Procédures imbriquées V procédure passée en paramètre : problèmes 1. niveau d imbrication n est pas constant 2. parent statique n est pas nécessairement dans la chaîne statique un paramètre procédural est représenté par un enregistrement contenant 1. pointeur vers le code exécutable 2. pointeur vers le parent statique Université de Montréal Portée et activations 50
26 Displays déf : un «display» c est un tableau de pointeurs vers des blocs d activation plutôt que représenter la chaîne statique comme une liste de blocs, utiliser le display : display[niveau]= pointeur vers bloc dans la chaîne à ce niveau d imbrication accès se fait en temps constant ; taille maximale calculable à la compilation (max. niveau d imbrication) lors d un appel à f il faut sauvegarder l entrée du display au niveau de f (ou plusieurs entrées si une procédure est passée en paramètre) Université de Montréal Portée et activations 51
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