Концепція розподілу пам’яті

При активізації програми в оперативній пам’яті ЕОМ створюється її образ, структура якого представлена на рис. 3.

16 Кб	Сегмент стека (росте вниз )
64 Кб	Сегмент даних основної програми		образ
	. . .		.exe- файлу
64 Кб	Сегмент коду основної програми

Рис. 3. Карта розподілу оперативної пам’яті комп’ютера при активізації програми

Область оперативної пам’яті, що її використовує програма, поділяється на декілька розділів -сегментів (зазвичай об’ємом 64 Кб), що служить для розміщення певного виду інформації. Зокрема, в сегменті коду програми зберігаються команди програми, в сегменті даних – значення глобальних змінних і типізованих констант.

Сегмент стека (за замовчуванням - 16Кб) служить для збереження викликів підпрограм (їх точок повернення), а також локальних змінних. Його особливістю є принцип обробки свого вмісту. У програмному стеці доступним завжди є тільки один елемент – вершина стеку. Елементи стеку обробляються за принципом LIFO (Last Input - First Output) - “останнім ввійшов - першим вийшов”.

Коли здійснюється виклик підпрограми, відповідна точка повернення у блок верхнього рівня запам’ятовується у стеці і зберігається там до завершення роботи цієї підпрограми. Там же розміщуються і її локальні змінні. Після завершення роботи підпрограми стек автоматично очищається, що призводить до знищення розміщених там даних.

Слід зазначити, що під глобальні дані пам'ять (у сегменті даних) виділяється на етапі компіляції і її розмір залишається незмінним протягом усього часу виконання програми.

Способи передачі параметрів

Класифікація способів передачі параметрів. Параметри підпрограми використовуються як інструмент для передачі в неї вихідних даних і повернення в основну програму (зовнішню підпрограму) отриманих результатів. Така передача у самому простому випадку може здійснюватися і за допомогою глобальних змінних зовнішнього блоку, що дозволяє говорити про підпрограми без параметрів. При цьому очевидно, що підпрограма - це нісенітниця, якщо вона взагалі не використовує в якості вихідних даних ніяких даних з викликаючої програми і не повертає їй (або не виводить) результатів обчислень.

Загалом, параметри підпрограм розрізняються:

• за механізмом передачі -

• передаються за значенням (value);

• передаються за адресою або за посиланням (addr);

• за способом взаємодії з підпрограмою -

• є тільки вхідним параметром (in);

• є тільки вихідним параметром (out);

• є як вхідним, так і вихідним параметром (inout).

Тому теоретично можливі 6 способів передачі параметрів:

value in	value out	value inout
addr in	addr out	addr inout

Дамо коротку характеристику цихспособів передачі параметрів.Але спочатку узагальнимоосновні кроки процесувиклику підпрограми з фізичної точки зору, які є спільними для усіх шести способів. Зокрема, при виклику підпрограми:

1. в стеці виділяється пам'ять під процес виконання такого виклику;

2. обчислюється і запам'ятовується у стеці точка повернення в основну програму (підпрограму верхнього рівня);

3. за необхідності у стеці виділяється пам'ять під формальні параметри та локальні дані підпрограми (якщо вони є);

4. за необхідності вказаним способом готуються і передаються у підпрограму її аргументи;

5. виконуються оператори тіла підпрограми;

6. результат виклику підпрограми копіюється в пам'ять основної програми;

7. за адресою точки повернення в основну програму (підпрограму верхнього рівня), збереженою у п. 2, здійснюється повернення в основну програму (підпрограму верхнього рівня);

8. пам'ять, виділена під процес виконання виклику підпрограми (зокрема, під формальні параметри і локальні дані), очищається.

Після закінчення роботи підпрограми процес виконання основної програми продовжується із точки повернення в неї. Пам'ятьстека стає недоступноюпрограмі і можна вважати, що вонаочищена.Томуїї можна наново зайняти під локальні змінні при виконанні наступноговиклику якої-небудь підпрограми.

Особливості реалізації кожного із способів передачі параметрів наведено у табл. 1 (можутьмати місцевідмінності при конкретній реалізації в деякихмовахпрограмування).

Таблиця 1. Особливості реалізації передачі параметрів у підпрограми

Тип параметра	При виклику підпрограми	Під час роботи підпрограми	По завершенні підпрограми
value in	виконується копіювання значень фактичних параметрів у стек	зміна значень формальних параметрів не впливає на вміст комірок пам'яті фактичних параметрів	нові значення формальних параметрів, отримані в процесі роботи підпрогра-ми, губляться разом з очищенням пам'яті
value out	виконується копіювання адрес (але не значень!) фактичних параметрів у стек; значення формальних пара-метрів безпосередньо після виклику не визначені; використовувати константи як фактичні параметри заборонено	забороняється використовувати формальні параметри поки їм не буде присвоєне яке-небудь значення; зміна значень формальних параметрів не викликає одночасної зміни відповід-них фактичних параметрів	використовуючи скопійовані адреси фактичних параметрів,виконується запис результуючих значень формальних параметрів у комірки пам'яті  фактичних параметрів
value inout	виконується копіювання як адрес фактичних параметрів, так і їхніх значень у стек; використовувати константи як фактичні параметри заборонено	допускається як використовувати, так і змінювати значення формальних параметрів; зміна значень формальних параметрів не викликає одночасного зміни відповідних фактичних параметрів	використовуючи скопійовані адреси фактичних параметрів,виконується запис результуючих значень формальних параметрів у комірки пам'яті фактичних параметрів
addr in	виконується копіювання адрес (але не значень!) фактичних параметрів у стек	заборонена зміна значень формальних параметрів; використовувати значення формальних параметрів дозволено тільки в якості вихідних даних; значення формальних параметрів за скопійованими адресами вибираються безпосередньо з пам'яті фактичних параметрів	вплив підпрограми на викликаючу через такі параметри відсутній
addr out	виконується копіювання адрес (але не значень!) фактичних параметрів у стек; значення формальних пара-метрів безпосередньо після виклику не визначені; використовувати константи як фактичні параметри заборонено	забороняється використовувати значення формальних параметрів доти, поки їм не буде виконане первісне присвоювання якого-небудь значення; зміна значень формальних параметрів за скопійованими адресами виконується безпосередньо у комірках пам'яті відповідних фактичних параметрів	спеціального копіювання результатів не потрібно, оскільки результат відразу зберігається у комірках па-м'яті фактичних параметрів
addr inout	виконується копіювання адрес (але не значень!) фактичних параметрів у стек; використовувати константи як фактичні параметри заборонено	ніяких обмежень на використання параметрів даного виду не накладається; зміна значень формальних параметрів за скопійованими адресами виконується безпосередньо у комірках пам'яті відповідних фактичних параметрів	спеціального копіювання результату не потрібно, оскільки всі дії з формальними параметрами виконувалися безпосередньо над комірками пам'яті фактичних параметрів

В мовах програмування, як правило, використовується не більше двох - трьох зазначених способів передачі параметрів. Зокрема, у мові Pascal реалізовані наступні три способи:

• за значенням (value in);

• за адресою з аргументами-покажчиками (addr inout);

• за адресою з аргументами-константами (addr in).

У С/С++ підтримуються такі способи передачі параметрів у функції:

• за значенням (value in);

• за адресою з аргументами-покажчиками (addr inout);

• за адресою з аргументами-посиланнями (addr inout).

Відповідно до способів передачі параметрів, що підтримуються мовами програмування, розрізняють параметри–значення, параметри–змінні, параметри–посилання, параметри– константи.

Параметри–значення. Це параметри, які передаються у підпрограму способом value in. Відповідні параметри називають параметрами-значеннями, оскільки кожен такий параметр в тілі підпрограми представляє значення відповідного фактичного параметра.

Даний спосіб передачі параметрів передбачає, що під час виклику підпрограми обчислюється значення відповідного аргументу (фактичного параметра) і копія отриманого результату передається підпрограмі (відповідному формальному параметру). Зміна параметрів-значень усередині підпрограми не впливає на значення змінних, які могли бути вказані як аргументи підпрограми, оскільки змінюються їх копії. Механізм передачі параметрів-значень можна представити наступною схемою:

Після ініціалізації формального параметра значенням фактичного параметра, останній є недоступним з підпрограми - вона не в змозі ні змінити його, ані використати яким-небудь іншим способом.

Декларування такого способу передачі параметрів, зазвичай, здійснюється шляхом задання ідентифікатора формального параметра. РБНФ для С/С++:

параметр-значення = тип ім'я.

Як фактичні параметри-значення можуть використовуватися константи, змінні, вирази.

Наприклад,

void func (int);

main ( )

{ int n = 4;

n= func(n);

cout << “n = “ << n << endl;

system(“pause“);

}

void func (int num)

{ return (num + 5) *num;

}

Тут формальний параметр num оголошується як звичайна локальна змінна, а фактичним параметром оператора виклику функції func є змінна n.

Параметри–змінні. Якщо передача параметрів відбувається за значеннями, то у тілі підпрограми не можна змінити значення змінних, що є фактичними параметрами. Однак, формальні параметри підпрограми можуть визначати не лише дані, які передаються на обробку до підпрограми, а також дані, які можуть повертатися підпрограмою у вигляді результатів. Такі параметри в тілі підпрограми повинні представлятися не значеннями, які є тільки вхідними даними підпрограми, а деякими змінними, що існують поза тілом підпрограми. Щоб підпрограма могла присвоїти значення таким змінним, необхідно забезпечити безпосередній доступ до них із підпрограми.

Такі можливості притаманні так званим параметрам-змінним – параметрам, які передаються у підпрограму способом addr inout. Механізм передачі параметрів такого типу можна представити наступним чином:

При виклику підпрограми формальному параметру-змінній передається не значення фактичного параметра, а адреса аргумента в сегменті даних оперативної пам’яті. Це дає змогу підпрограмі виконувати дії над значенням змінної, а не над її копією, тобто, напряму модифікувати значення змінної, що була вказана як аргумент в операторі виклику підпрограми.

На відміну від формального параметра-значення, фактичним параметром для якого може бути будь-який вираз відповідного типу, для параметра-змінної фактичним параметром може бути лише змінна (її адреса).

Якщо деякий параметр підпрограми представляє результат її виконання, то він обов'язково повинен задаватися як формальний параметр-змінна.

Щоб відрізнити формальний параметр-змінну від параметра-значення у мові Pascal, перед ним в списку параметрів записується службове слово var. УС/С++для реалізації даного способу передачі параметрів треба описати відповідний формальний параметр як покажчик натип аргумента функції, а в якості фактичного параметра в операторі виклику функції передатиадресуцього аргумента. У цьому випадку формальному параметру передається не значення, аадреса аргумента, що надає функції можливість прямого доступу до даних, які передаються, а також можливість зміни цих даних, використовуючи операцію розіменування.

Наприклад,

void prim (int *);

main ( )

{ int n = 4;

prim (&n);

cout << “n = “ << n << endl;

system(“pause“);

}

void prim (int *nPtr)

{ *nPtr = (*nPtr + 5) * *nPtr;

}

Недоліком даного споособу передачі параметрів є недостатня захищеність даних, оскільки підпрограма має доступ до них і можезіпсувати дані, що передаються до неї.

Параметри-посилання. Це різновид параметрів-змінних. Характерним такий спосіб передачі параметрів є для мовС/С++.

Якщо параметр оголошено як параметр-посилання, то підпрограмі передається адреса аргумента — змінної в сегменті даних оперативної пам’яті. Тому підпрограма виконує дії над значенням змінної, а не над її копією, і модифікація параметра-посилання приводить до модифікації змінної, що була вказана як аргумент в операторі виклику підпрограми. Тобто, при використанні параметра-посилання відбувається пряме звертання до аргумента функції, але через його псевдонім (інше ім’я).

Механізм передачі параметрів за посиланням можна представити так:

Для задання такого способу передачі параметрів у заголовку підпрограми треба відповідний формальний параметр описати як посилання на тип аргумента функції, а в якості фактичного параметра в операторі виклику функції вказати ідентифікатор змінної-аргумента.

Наприклад,

void prim (int &);

main ( )

{ int n = 4;

prim (n);

cout << “n = “ << n << endl;

system(“pause“);

}

void prim (int &nRef)

{ nRef *= nRef ;

}

Параметри-константи. Параметри-константи – це параметри, що передаються у підпрограму за адресою способом addr in. Такий спосіб передачі параметрів використовується коли значення, що передаються у функцію, не повинні змінюватися, навіть при виконанні дій над копією аргументу.

Механізм передачі параметрів-констант можна представити наступним чином:

Такий спосіб передачі параметрів використовується, наприклад, у мові Pascal, але для мов С/С++ він не передбачений.

Для декларації передачі параметрів підпрограм, як параметрів-констант, у Pascal слід при описі заголовків підпрограм перед ідентифікаторами параметрів-констант ставити ключове слово const. Наприклад,

Procedure Proc (const par1, par2 : byte; const par3 : word).

В якості фактичних параметрів-констант можуть використовуватися як змінні, так і константи. Однак, забороняється виконувати присвоювання формальним параметрам-константам і формальні параметри-константи не можуть передаватися як фактичні параметри іншим підпрограмам.

Параметри-константи доцільно використовувати у випадках, коли потрібно передавати структури даних, які займають великий об’єм пам'яті, але змінювати вихідні значення параметрів з алгоритмічної точки зору неприпустимо. У результаті економно використовується ОП і одночасно гарантується цілісність вихідних даних.

Якщо оперативної пам’яті недостатньо і термін виконання програми є важливим фактором, то слід використовувати параметри-покажчики. Якщо до терміну виконання програми та обсягу пам’яті, що його вона потребує, не висуваються жорсткі вимоги, то з метою захисту даних від випадкових змін слід передавати параметри як параметри-значення.

Слід зауважити, що не може бути повної незалежності між підпрограмами. Залежність між ними існує:

• через списки параметрів;

• тоді, коли вони користуються спільними (глобальними) змінними;

• всі блоки програми залежать від структури даних цієї програми;

• підпрограми залежать від логіки функціонування програми (від того фактору, що підпрограма може викликатися іншими підпрограмами).

Однак, бажано, щоб підпрограми були незалежними в межах інтерфейсу програми і структури даних. Практика показала, що чим вищий ступінь незалежності блоків, тим простіше розібратись в окремих підпрограмах і в програмі в цілому; тим менша ймовірність появи нових помилок при виправленні старих, або внесенні змін в програму, тобто менша ймовірність так званого хвильового ефекту.

Тому не слід без крайньої необхідності використовувати в підпрограмах глобальні змінні. Всі зв’язки між підпрограмами повинні підтримуватися через списки параметрів.