Книга: Давайте создадим компилятор!

Семантика параметров

Семантика параметров

До этого мы имели дело с синтаксисом передачи параметров и получили механизм синтаксического анализа для его обработки. Сейчас мы должны рассмотреть семантику, т.е. действия, которые должны быть предприняты когда мы столкнемся с параметрами. Это ставит нас перед вопросом выбора способа передачи параметров.

Существует более чем один способ передачи параметров и способ, которым мы сделаем это, может иметь глубокое влияние на характер языка. Так что это одна из тех областей, где я не могу просто дать вам свое решение. Скорее, было бы важно чтобы мы потратили некоторое время на рассмотрение альтернатив, так чтобы вы могли, если захотите, пойти своим путем.

Есть два основных способа передачи параметров:

• По значению

• По ссылке (адресу)

Различия лучше всего видны в свете небольшого исторического обзора.

Старые компиляторы Фортрана передавали все параметры по ссылке. Другими словами, фактически передавался адрес параметра. Это означало, что вызываемая подпрограмма была вольна и считывать и изменять этот параметр, что часто и происходило, как будто это была просто глобальная переменная. Это был фактически самый эффективный способ и он был довольно простым, так как тот же самый механизм использовался во всех случаях с одним исключением, которое я кратко затрону.

Хотя имелись и проблемы. Многие люди чувствовали, что этот метод создавал слишком большую связь между вызванной и вызывающей подпрограммой. Фактически, это давало подпрограмме полный доступ ко всем переменным, которые появлялись в списке параметров.

Часто нам не хотелось бы фактически изменять параметр а только использовать его как входные данные. К примеру, мы могли бы передавать счетчик элементов в подпрограмму и хотели бы затем использовать этот счетчик в цикле DO. Во избежание изменения значения в вызываемой программе мы должны были сделать локальную копию входного параметра и оперировать только его копией. Некоторые программисты на Фортране фактически сделали практикой копирование всех параметров, исключая те, которые должны были использоваться как возвращаемые значения. Само собой разумеется, все это копирование победило добрую часть эффективности, связанной с этим методом.

Существовала, однако, еще более коварная проблема, которая была в действительности не просто ошибкой соглашения «передача по ссылке», а плохой сходимостью нескольких решений реализации.

Предположим, у нас есть подпрограмма:

SUBROUTINE FOO(X, Y, N)

где N – какой-то входной счетчик или флажок. Часто нам бы хотелось иметь возможность передавать литерал или даже выражение вместо переменной, как например:

CALL FOO(A, B, J + 1)

Третий параметр не является переменной, и поэтому он не имеет никакого адреса. Самые ранние компиляторы Фортрана не позволяли таких вещей, так что мы должны были прибегать к ухищрениям типа:

K = J + 1

CALL FOO(A, B, K)

Здесь снова требовалось копирование и это бремя ложилось на программистов. Не хорошо.

Более поздние реализации Фортрана избавились от этого, разрешив использовать выражения как параметры. Что они делали – назначали сгенерированную компилятором переменную, сохраняли значение выражения в этой переменной и затем предавали адрес выражения.

Пока все хорошо. Даже если подпрограмма ошибочно изменила значение анонимной переменной, кто об этом знал или кого это заботило? При следующем вызове она в любом случае была бы рассчитана повторно.

Проблема возникла когда кто-то решил сделать вещи более эффективными. Они рассуждали, достаточно справедливо, что наиболее общим видом «выражений» было одиночное целочисленное значение, как в:

CALL FOO(A, B, 4)

Казалось неэффективным подходить к проблеме «вычисления» такого целого числа и сохранять его во временной переменной только для передачи через список параметров. Так как мы в любом случае передавали адрес, казалось имелся большой смысл в том, чтобы просто передавать адрес целочисленного литерала, 4 в примере выше.

Чтобы сделать вопрос более интересным большинство компиляторов тогда и сейчас идентифицирует все литералы и сохраняет их отдельно в «литерном пуле», так что мы должны сохранять только одно значение для каждого уникального литерала. Такая комбинация проектных решений: передача выражений, оптимизация литералов как специальных случаев и использование литерного пула – это то, что вело к бедствию.

Чтобы увидеть, как это работает, вообразите, что мы вызываем подпрограмму FOO как в примере выше, передавая ей литерал 4. Фактически, что передается – это адрес литерала 4, который сохранен в литерном пуле. Этот адрес соответствует формальному параметру K в самой подпрограмме.

Теперь предположите, что без ведома программиста подпрограмма FOO фактически присваивает K значение -7. Неожиданно, литерал 4 в литерном пуле меняется на -7. В дальнейшем, каждое выражение, использующее 4, и каждая подпрограмма, в которую передают 4, будут использовать вместо этого значение -7! Само собой разумеется, что это может привести к несколько причудливому и труднообъяснимому поведению. Все это дало концепции передачи по ссылке плохое имя, хотя, как мы видели, в действительности это была комбинация проектных решений, ведущая к проблеме.

Несмотря на проблему, подход Фортрана имел свои положительные моменты. Главный из них – тот факт, что мы не должны поддерживать множество механизмов. Та же самая схема передачи адреса аргумента работает для всех случаев, включая массивы. Так что размер компилятора может быть сокращен.

Частично из-за этого подводного камня Фортрана и частично просто из-за уменьшенной связи, современные языки типа C, Pascal, Ada и Modula 2 в основном передают скаляры по значению.

Это означает, что значение скаляра копируется в отдельное значение, используемое только для вызова. Так как передаваемое значение – копия, вызываемая процедура может использовать его как локальную переменную и изменять ее любым способом, каким нравится. Значение в вызывающей программе не будет изменено.

Сначала может показаться, что это немного неэффективно из-за необходимости копировать параметр. Но запомните, что мы в любом случае окажемся перед необходимостью выбирать какое-то значение, является ли оно непосредственно параметром или его адресом. Внутри подпрограммы, использование передачи по значению определенно более эффективно, так как мы устраняем один уровень косвенности. Наконец, мы видели раньше, что в Фортране часто было необходимо в любом случае делать копии внутри подпрограммы, так что передача по значению уменьшает количество локальных переменных. В целом, передача по значению лучше.

Исключая одну маленькую деталь: если все параметры передаются по значению, у вызванной процедуры нет никакого способа возвратить результат в вызвавшую! Переданный параметр не изменяется в вызвавшей подпрограмме а только в вызванной. Ясно, что так работы не сделать.

Существуют два эквивалентных ответа на эту проблему. В Паскале Вирт предусмотрел параметры-переменные, которые передаются по ссылке. VAR параметр не что иное как наш старый друг параметр Фортрана с новым именем и расцветкой для маскировки. Вирт аккуратно обходит проблему «изменения литерала» так же как проблему «адрес выражения» с помощью простого средства, разрешая использовать в качестве фактических параметров только переменные. Другими словами, это тоже самое ограничение, которое накладывали самые ранние версии Фортрана.

Си делает ту же самую вещъ, но явно. В C все параметры передаются по значению. Однако одним из видов переменных, которые поддерживает С, является указатель. Так передавая указатель по значению, вы в действительности передаете то, на что он указывает по ссылке. В некоторых случаях это работает даже еще лучше, потому что даже хотя вы и можете изменить указываемую переменную на все, что хотите, вы все же не сможете изменить сам указатель. В функции типа strcpy, к примеру, где указатель увеличивается при копировании строки, мы в действительности увеличиваем только копии указателей, так что значение указателей в вызвавшей процедуре все еще остается каким было. Чтобы изменить указатель вы должны передавать указатель на указатель.

Так как мы просто проводим эксперименты, мы рассмотрим и передачу по значению и передачу по ссылке. Таким образом у нас будет возможность использовать любой из них как нам нужно. Стоит упомянуть, что было бы тяжело использовать здесь подход С, так как указатель это другой тип а типы мы еще не изучали!

Оглавление книги