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第6章 运行时环境 ​

6.1 核心问题 ​

  1. 为什么函数调用可以采用栈式存储？
  2. 函数调用和返回需要记录哪些信息？如何记录？

6.2 预备知识：Environment 与 State ​

6.2.1 基本概念 ​

  • Environment（环境）：名字 → 存储位置（l-value）
  • State（状态）：存储位置 → 当前值（r-value）

6.2.2 重要结论 ​

  • 赋值语句只改变 state，不改变 environment
x := y

6.3 静态 vs 动态 ​

6.3.1 静态（编译期确定） ​

  • 类型信息
  • 作用域结构
  • 变量相对地址（偏移量）

6.3.2 动态（运行期确定） ​

  • 函数调用次数
  • 递归导致的多个“同名变量实体”
  • 动态分配对象（heap）

6.4 存储组织（Storage Organization） ​

三类主要存储区：

区域典型用途特点
Static Area全局变量、静态数据生命周期贯穿整个程序
Stack函数调用的局部数据后进先出
Heap动态分配对象生命周期不固定

6.5 为什么栈适合函数调用 ​

关键性质：函数调用的生命周期严格嵌套。

  • 调用顺序：后调用先返回
  • 局部变量：集体分配、集体回收
  • 相对地址固定，便于编译期确定

这正好符合栈（LIFO）模型。

6.6 Activation Tree（活动树） ​

活动树描述函数调用的嵌套关系：

  • 每个节点：一次函数调用（activation）
  • 子节点的生命周期完全包含在父节点内

这也是栈可行的根本原因。

6.7 Activation Record（活动记录 / 栈帧） ​

6.7.1 定义 ​

每次函数激活，在控制栈上分配一个活动记录。

6.7.2 控制栈 ​

控制栈保存所有“活着”的调用。

6.7.3 典型字段（以 C 为例） ​

  • Return address：返回地址
  • Caller’s SP：调用者栈指针
  • Control link：指向调用者的活动记录
  • Access link：用于访问外层作用域（嵌套函数，了解）
  • Formal parameters：形参区
  • Local variables：局部变量区
  • Temporaries：编译器临时变量
  • Saved machine status：寄存器现场

6.8 调用序列（Calling Sequence） ​

6.8.1 函数调用时（Call） ​

  1. 调用者计算实参
  2. 分配活动记录空间
  3. 保存返回地址、旧 SP
  4. 被调用者初始化局部数据

6.8.2 函数返回时（Return） ​

  1. 放置返回值
  2. 恢复寄存器与 SP
  3. 跳回返回地址

6.9 C 语言的存储布局（重点） ​

6.9.1 整体布局 ​

高地址
┌────────────┐
│ 栈（向下增长） │
├────────────┤
│ 全局变量区     │
├────────────┤
│ 堆（向上增长） │
└────────────┘
低地址

6.9.2 C 函数的典型栈帧 ​

  • 返回值单元
  • 临时变量区
  • 局部变量区
  • 形参区
  • 形参数量
  • 返回地址
  • 调用者 SP

6.10 递归调用示意 ​

同一函数递归多次：

  • 每次调用都有独立栈帧
  • 同名变量对应不同存储位置

这解释了：

  • 名字相同 ≠ 数据对象相同

6.11 本章结构回顾 ​

  1. Environment / State：名称与值的区分
  2. 存储组织：静态区、栈、堆
  3. 活动树：生命周期嵌套
  4. 活动记录：栈帧字段
  5. 调用序列：调用/返回时的动作