C语言解释器Java版-1-内存分配

1 内存分配

基本了解了内存模型后，接下来考虑在实现解释器时如何进行内存分配，即怎样将每个内存区进行数据分配和释放。
在进行具体内存分配前，需要定义输入接口：被解释的源程序 file.c 和入口函数 func，然后根据输入生成对应的AST、控制流程图和符号表。有了这些原始数据后，开始进行内存分配。

1.1 全局数据分配

这里的全局数据包括如下几类，每一类的分配都不尽相同。主要操作的内存区是代码段区和数据区。

1.1.1 函数内存分配

被解释程序file.c中的所有已定义函数，不包含extern的外部函数和 没有声明定义的函数。函数对应的内存段区是代码段区。在标准的C语言内存分配中，代码段区存放的是函数对应的二进制代码。
在我们的实现中，每一个函数在代码段区分配一个四字节的内存空间，内存地址递增。由于每个函数占用的内存大小相同，都是4个字节，所以这里不需要考虑内存对齐问题。（代码段区起始地址应该能被4整除）

1.1.2 字符串常量

在C语言中，字符串常量一般是一个char*的定义：

• 在分配内存时无法从符号表中通过符号类型获取长度；
• 为了统一处理指针类型（使用四个字节地址表示），char*被分配为一个四字节的内存地址，char*的值则分配到一块固定内存范围（即字符串常量区）；
• 这样分配的另一个好处是，对于同样的字符串，只需要从指定的内存地址获取字符串的值即可，不需要另外开辟一段空间去存放字符串的值，能够节省空间。

另外，字符串常量区不需要考虑内存对齐，每一个字符都是一个char，所有不用考虑内存对齐问题。

1.1.3 全局定义变量

包含初始化和未初始化的变量。虽然在标准的定义中，区分了初始化和未初始化，但是，为了实现简便，我们的实现中做了合并处理。

• 对于每一个非指针类型的全局变量，按照大小分配指定的空间即可；
• 对于类型为指针的全局变量，需要分配的是4字节的地址空间，对于指向的内容，会在使用的时候进行指向处理。
• 每个全局变量占用的内存并不相同，所以，在进行内存分配时，需要考虑内存对齐。但是，在查阅相关文档时，并未获得有关全局变量在分配时如何进行内存对齐处理。所以，我们采用的方案是：分配的内存起始地址满足当前变量的对齐要求即可。

1.1.4 静态变量

包含全局定义和局部定义的静态变量。

• 静态变量的地址分配和全局变量没有区别；
• 在全局数据分配时，需要分配局部静态变量，所以需要遍历每一个函数，并找到该函数中定义的局部静态变量，并对其分配内存；
• 局部静态变量是需要关注初始化问题的。对于一个局部静态变量，第一次调用变量所属函数和第二次调用的值是不同的。有如下代码，第一次调用时sv的值是1，第二次调用时sv的值就是2….所以在第二次调用时，就需要注意，sv的赋值语句已经不起作用了。

void f(){    static int sv = 1;    printf("%d",sv);    sv++;}

1.2 局部数据分配

局部数据分配，主要操作的内存区是栈区和堆区。

• 在进入函数时，需要立即进行局部变量的内存分配。分配的局部变量包括：函数形参、每一个作用域的局部变量。
• 内存分配原则是，先参数，后变量，参数从右向左，变量按定义顺序。如下所示代码，分配内存的顺序是：b->a->c1->d1->c2->d2。
• 需要注意，在一进入函数f后，就需要将c2和d2的内存进行分配。这样对于永远不可能走到的分支，可能会无效分配很多内存，但是这是VC、GCC等编译器的共同选择。这样做可以解决的一个问题是，函数中的跳转语句或者其他循环语句，只分配一次内存，且可以解决因为这些语句引起的找不到内存、内存未分配等问题。

int f(int a,int b){    int c1,d1;    //....    if(c1 + c2 > 0){        int c2,d2;        //....    }    return 1;}

• 进入函数时分配内存，意味着，退出函数时，需要释放内存。由于这些内存都是在栈中分配的，所以进入函数时，需要创建一个新的栈空间，存放函数中的局部变量，退出函数时，退出该栈空间（栈帧，stackFrame）即可。
• 栈区的内存分配是从高地址向地址进行分配的，也就是b比a的地址高。但是要注意，从高到低分配并不意味着起始地址就低。对于变量b，如果起始地址是0x70000004，则b的最大地址位置是0x70000008，而不是0x70000000，a的起始地址是0x70000000，最大地址是0x70000004。
• 堆区的内存分配是从低地址向高地址进行的。但是堆区的地址分配释放策略有很多种，不同的策略会导致分配的地址差异。对于堆内存的释放和分配策略，这里不多做说明，如果后续有需要，会单独进行说明。

1.3 函数调用

在解释执行函数调用语句时，需要先保存当前栈空间，然后切换到新的函数，创建新的栈空间，当新函数执行完成后，退出新的栈空间，进行栈还原，并执行下一条语句。这里，将每一个函数的一个栈空间称为一个栈帧（stackFrame）。函数调用的栈帧组成如下图所示：

• 每个frame由局部变量和参数、返回地址构成。在图中，main函数调用f1函数时，main的stackframe中保存了f1函数的实参，而f1函数的stackFrame中保存了main函数下一条语句的地址，也就是f1函数的返回地址。
• 当main函数开始调用f1时，先将调用的实参放入到mainframe，创建新的f1 stackFrame，将main函数调用完成f1后的下一条语句地址放入f1 stackFrame中。
• f1 stackFrame的其他创建工作还包括局部变量的分配等。在实际解释执行时，内存分配的同时，需要对参数进行赋值。这时候会读取mainframe中的实参值对f1的形参赋值。需要注意，这里的赋值也可能发生隐式类型转化。
• 函数调用的另外一个问题是可变参数的问题。在我们目前实现中，对于可变参数是直接忽略掉了。如果后续有需求，对可变参数会重新进行说明。