01.02.2021 02:50
Dukarav 15 1900 Источник

Как-то попалось интересное (для меня), хотя и довольно давнее обсуждение языков программирования, где упоминался и язык PL/1. В конце концов, как всегда и бывает на таких форумах, все стороны остались при своем мнении, и тогда один из участников предложил написать на разных языках и затем сравнить простой тест, один из тех, которые часто дают студентам «для закрепления пройденного»:

 Стандартный входной поток содержит произвольное (и заранее не известное) количество целых чисел. Нужно все их прочитать, а затем вывести нечетные числа в стандартный выходной поток в порядке, обратном исходному. Чтобы "не заслонять лес деревьями", будем считать, что доступная память бесконечна. Критерии сравнения предлагаю следующие (в порядке убывания их приоритета):

  • точность решения сформулированной задачи;

  • эффективность кода (по требуемой памяти и скорости работы);

  • простота её реализации на данном языке;

  • понятность алгоритма при минимуме комментариев;

  • читабельность кода;

  • краткость кода.

Для языка PL/1 был предложен следующий вариант: 

PL1_EXAMPLE: PROCEDURE OPTIONS(MAIN);
DECLARE I FIXED CONTROLLED;

ON ENDFILE(SYSIN) GOTO L2;

L1: ALLOCATE I;
    GET LIST(I);
    IF MOD(I,2)=0 THEN FREE I;
GOTO L1;

L2: FREE I;
DO WHILE(ALLOCATION(I));
    PUT LIST(I);
    FREE I;
END;
END PL1_EXAMPLE;

На мой взгляд, можно было бы ещё укоротить текст. Поставив метку L2 прямо внутрь цикла DO WHILE и сократив, тем самым, один оператор FREE. Но согласен, это не лучший стиль программирования — входить в цикл не через заголовок.

В этом тесте использовалось такая возможность PL/1 как «управляемые» (controlled) переменные. Название «управляемые», на мой взгляд, неудачное. Программист, по большому счету, всегда управляет размещением объектов программы, даже, если это и делается неявно. Наверное, больше бы подошло название «клонированные» переменные.

Controlled-переменные требуют явного создания оператором ALLOCATE и после использования – явного уничтожения оператором FREE.

Однако в отличие от «обычных» т.н. «базированных» (based) переменных, controlled-переменные после оператора FREE не исчезают, а получают предыдущее значение, если операторов ALLOCATE было несколько. Например, целая переменной X будет принимать следующие значения: 

ALLOCATE X; X=1;
ALLOCATE X; X=2;
FREE X;         // X принимает предыдущее значение 1
FREE X;         // X больше не существует

Чтобы узнать существуют ли ещё экземпляры controlled-переменной, в языке предусмотрена встроенная функция ALLOCATION, которая возвращает «да/нет» для заданного объекта.

Таким образом, для каждой controlled-переменной по существу создается свой отдельный стек, хотя и реализованный в виде связанного списка в «куче».

В компиляторе, который я использую и сопровождаю, «клонированных» переменных не было. А поскольку их реализация казалась слишком сложной, я внушал себе (методом «зелен виноград»), что такая возможность и не очень-то и нужна.

Но читая указанную дискуссию, мне вдруг пришла мысль, что controlled-переменные легко реализовать, используя такое свойство языка, как неявные указатели.

В PL/1 можно в описании based-переменной не объявлять, какой указатель нужно использовать для данной based-переменной, но тогда в операторах программы его нужно каждый раз указывать явно. А можно наоборот, явно объявить один раз указатель в описании переменной и затем просто забыть про него – компилятор при каждом обращении к based-переменной будет подставлять его по умолчанию.

В данном случае компилятору достаточно просто переводить controlled-переменные в based-переменные, указывая каждый раз не «обычные», описанные программистом, а специальные служебные указатели, имена которых меняются самим компилятором, например, на единицу.

А при разборе операторов ALLOCATE и FREE компилятору нужно проверить использование обычного или такого служебного указателя.

Если используется служебный указатель, то для ALLOCATE нужно увеличить размер заказанной памяти ещё на размер указателя, а затем в конец выделенного участка памяти записать текущее значение этого указателя перед тем, как заполнить его новым значением.

А в операторе FREE перед освобождением памяти необходимо ещё содержимое последних байт указанного фрагмента памяти поместить в служебный указатель как его восстановленное значение.

Для x86-64 эти дополнительные коды будут выглядеть так (учитывая, что в «куче» есть двунаправленный связанный список и восемью байтами «выше » в «куче» находится адрес следующего участка выделяемой памяти):

для ALLOCATE

E800000000       call   ?ALLOA              ; выделяем память для переменной
488BCB           mov    rcx,rbx             ; запомнили начало памяти в куче      
F048871D20000000 xchg   ?P0001,rbx          ; запомнили и достали предыдущее
488B49F8         mov    rcx,0FFFFFFF8h[rcx] ; предыдущий адрес переменной
488959F8         mov    0FFFFFFF8h[rcx],rbx ; запомнили пред.адрес в текущем экземпляре

для FREE 

BB20000000 mov  q rbx,offset ?P0001   ; адрес указателя 
488B0B     mov  q rcx,[rbx]           ; значение указателя
488B49F8   mov  q rcx,0FFFFFFF8h[rcx] ; предыдущий адрес
488B49F8   mov  q rcx,0FFFFFFF8h[rcx] ; предыдущая память
F048870B   xchg q rcx,[rbx]           ; предыдущий адрес в указатель
488BD9     mov  q rbx,rcx
E800000000 call   ?FREOP              ; освободили память текущего экземпляра

Однако даже в такой простой реализации оказался свой подводный камень – число служебных указателей (?P0001,?P0002…) становится известным только после полного разбора исходного текста, а проще всего заводить их как раз в начале разбора, просто дописывая в таблицу стандартных объектов.

Чтобы не переусложнять компилятор, число служебных указателей я сделал настраиваемым через реестр (как и ключи компилятора). Небольшое число таких указателей компилятор имеет, на всякий случай, всегда, а если требуется большое число controlled-переменных, тогда их число всегда можно увеличить через реестр, не меняя сам компилятор.

Также для упрощения функции ALLOCATION её пришлось сделать с параметром «адрес», что потребовало ещё обращаться к имеющейся встроенной функции ADDR. Т.е. вместо обращения типа: 

IF ALLOCATION(X) THEN…

применяется более громоздкое обращение: 

IF ALLOCATION(ADDR(X)) THEN…

Которое зато позволяет вообще не менять компилятор, а лишь дописать в его таблицу стандартных функций новое имя и тип параметра. Таким образом, у меня тест принял следующий вид: 

TEST:PROC MAIN;

DCL I FIXED(31) STACK;

ON ENDFILE(SYSIN) GO L1;

DO REPEAT;
   ALLOCATE I;  
   GET LIST(I);
   IF MOD(I,2)=0 THEN FREE I;
END REPEAT;

L1:FREE I;

DO WHILE(ALLOCATION(ADDR(I)));
   PUT LIST(I); 
   FREE I;
END WHILE;
END TEST;

Или то же самое с русскими ключевыми словами: 

ТЕСТ:ПРОЦ ГЛАВНАЯ;

ОПС I ТОЧНОЕ(31) СТЕК;

КОГДА КОНЕЦ_ФАЙЛА(СТД_ВВОД) ИДТИ L1;

ЦИКЛ ПОВТОРЯЯ;
   ДАТЬ_ПАМЯТЬ I;
   ЧИТАТЬ В_ВИДЕ(I);
   ЕСЛИ ОСТАТОК(I,2)=0 ТОГДА ВЕРНУТЬ_ПАМЯТЬ I;
КОНЕЦ ПОВТОРЯЯ;

L1:ВЕРНУТЬ_ПАМЯТЬ I;

ЦИКЛ ПОКА(ЕСТЬ_В_СТЕКЕ(АДРЕС(I)));
   ПЕЧАТАТЬ В_ВИДЕ(I);
   ВЕРНУТЬ_ПАМЯТЬ I;
КОНЕЦ ПОКА;

КОНЕЦ TEСT;

Легко проверить, что если запустить такой тест и вводить с клавиатуры, например, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ctrl+Z (последний символ сигнализирует о конце ввода), то на экран выдается требуемая последовательность: 9 7 5 3 1.

Поскольку я считаю название «controlled» неинформативным, на русский язык я перевел его все-таки как «СТЕК» и приравнял атрибуты памяти CONTROLLED и STACK, подчеркивая, тем самым, организацию памяти в виде стека (пусть фактически и в виде связанного списка), а функцию ALLOCATION соответственно как ЕСТЬ_В_СТЕКЕ.

Итак, не внося серьезных изменений в компилятор, удалось добавить в язык возможность, которая изначально была в полном стандарте языка и использовалась на практике. Получились своеобразные «клонированные» или «стековые» переменные, не в том смысле, что для их создания достаточно передвинуть указатель стека (увы, действий гораздо больше), а в том смысле, что при создании очередного экземпляра такой переменной, его предыдущее значение заталкивается в индивидуальный стек этой переменной.

Такой индивидуальный стек расположен в общей «куче».

Что касается предложенного теста, то, скорее всего, изначально он задумывался для демонстрации рекурсии, например, на том же PL/1 такой текст даже короче (не нужно явно выделять и освобождать память), хотя делает то же самое: 

TEST:PROC MAIN;

F;

F:PROC RECURSIVE;
DCL I FIXED;

ON ENDFILE(SYSIN) GO L1;

GET LIST(I);
F;
IF MOD(I,2)^=0 THEN PUT LIST(I);

L1:
END F;

END TEST; 

Однако лично я все же присудил бы победу первому варианту с «клонированными» переменными, особенно по критерию эффективности. Так как при рекурсии для запоминания всего лишь одной переменной приходится запоминать все состояние рекурсивной процедуры, а не эту одну переменную. А кроме этого, «клонированные» или «стековые» переменные могут существовать и после выхода из подпрограммы, что в некоторых случаях может оказаться практически удобным свойством.