Выполнение программы

Эта статья находится в разработке!

Последовательное выполнение

При старте процесса создается единица выполнения кода — поток. Потоку передается точка входа — адрес нахождения первой команды программы в адресном пространстве. Можно считать, что поток передает команду и ее аргументы процессору, тот выполняет ее и сообщает результат, после этого поток переходит на следующую команду с помощью счетчика команд. Каждая команда в адресном пространстве занимает несколько байт, не обязательно постоянное число.

TODO: запилить пруфлинк на то, как на самом деле

TODO: можно написать про переключение потоков

Вызов функций

Адрес возврата

Вызов функции

Представим, что в нашем коде есть функция, не принимающая аргументов, ничего не возвращающая, и ничего не выполняющая:

void f()
{
}

Для ее вызова в адресном пространстве будет использоваться команда [math]call f[/math], которая переведет поток на начало функции [math]f[/math], а для возврата обратно в место, откуда функция была вызвана — команда [math]ret[/math]. Возникает вопрос: как найти адрес команды, к которой надо перейти после выполнения [math]ret[/math]? Можно сохранить этот адрес в переменной, но, в таком случае, нельзя будет вызывать функции из других функций, или создавать рекурсии:

void f()
{
}

void g()
{
  f();
}

Поэтому, в адресном пространстве существует стек, на который при вызове функции кладется адрес возврата. Команда [math]ret[/math] удаляет текущий адрес возврата с вершины стека, и устанавливает счетчик команд по этому адресу.

Передача параметров

Представим, что теперь нам необходимо вызвать чуть более сложную функцию:

void f(int a, int b)
{
}

Передавать аргументы внутрь функции удобно, также используя стек. Во всех конвенциях вызова C++ сначала передаются аргументы в обратном порядке, а потом - адрес возврата, то есть, вызов [math]f(239, 566)[/math] будет исполнен как

push 566
push 239
call f

, где [math]push[/math] [math]n[/math] — команда "положить на стек n". Адрес возврата положится на стек при вызове команды [math]call[/math].

Хорошим объяснением того, почему конвенции вызова используют обратный порядок передачи аргументов являются эллипсисы (функции с неопределенным количеством аргументов).

TODO: пример программы с эллипсисом

Возвращаемое значение

Возвращаемое функцией значение тоже храниться на стеке, рядом с локальными переменными.

TODO: дописать

TODO: это мы вроде так для простоты считаем, ссылка на правду

Конвенции вызова

Отличия конвенций

Заметим, что мы положили аргументы на стек, но не удалили их оттуда, поэтому при следующем вызове [math]ret[/math] будет взят неверный адрес возврата. В С++ существует несколько конвенций вызова функций, рассмотрим 2 из них: [math]\_\_stdcall[/math] и [math]\_\_cdecl[/math].

При использовании [math]\_\_stdcall[/math] аргументы удалятся из стека при выполнении команды [math]ret[/math], а при использовании [math]\_\_cdecl[/math] после возврата из функции необходимо переместить вершину стека командой [math]add[/math]. Рассмотрим пример:

void __cdecl f(int a, int b)
{
}

void __cdecl g(int a, int b, int c)
{
}

int main()
{
  f(2, 3);
  g(1, 2, 3);
  return 0;
}

При выполнении этого кода можно будет сэкономить на количестве команд, не удаляя аргументы [math]2[/math] и [math]3[/math] со стека:

push 3
push 2
call f
push 1
call g
add esp, 12 //смещает вершину стека на 12 байт

Конфликт конвенций

По умолчанию в С++ используются конвенции вызова [math]\_\_cdecl[/math] и [math]\_\_thiscall[/math], которая используется для методов класса и отличается тем, что кладет один аргумент в регистр процессора.

Посмотрим, что произойдет, если искусственно создать конфликт конвенций вызова:

void __decl f(int a)
{
}

int main()
{
  void __stdcall (*g)(int);
  g = (void __stdcall (*)(int)) &f;
  g(239);
  return 0;
}

Так как [math]g[/math] задана конвенция вызова [math]\_\_stdcall[/math], после ее вызова вершина стека не будет сдвигаться. Однако, [math]f[/math] задана конвенция вызова [math]\_\_cdecl[/math], поэтому аргумент не удалится со стека при вызове [math]ret[/math], и при следующем запросе адреса возврата будет выдан адрес [math]239[/math], скорее всего, не являющийся валидным.

Размещение локальных переменных

Стек при выполнении функции

В функциях для выполнения промежуточных вычислений, временного хранения данных и пр. могут быть использованы локальные переменные. Эти переменные являются временными и создаются при вызове функции, а удаляются при завершении ее выполнения. Для использования локальных переменных необходимо выделить память. В С++ память для всех локальных переменных функции выделяется при начале ее выполнения, и удаляется перед выполнением команды [math]ret[/math], чтобы в вершине стека снова оказался адрес возврата.

С помощью функции [math]\_alloca()[/math] можно увеличить размер стека для размещения локальных данных. Так как объем стека ограничен,при использовании этой функции может возникнуть переполнение стека. Простейший пример кода, который вызовет переполнение:

void f(int size)
{
  for (;;) 
  {
    _alloca(size);
  }
}

Однако, переполнение может возникнуть и в менее очевидном случае:

void f(int size)
{
   _alloca(size);
}

int main()
{
  int size = 239;
  for(;;)
  {
    f(size);
  }
}

Для упрощения выполнения, компилятор может посчитать, что функция [math]f[/math] имеет свойство [math]inline[/math], и преобразовать код в следующий:

int main()
{
  int size = 239;
  for(;;)
  {
    _alloca(size);
  }
}

, что, в свою очередь, вызовет переполнение.

Архив

TODO: включить в главу про кучу

Динамическая память - это память, получающаяся из свободной памяти при выделении памяти. Слово "динамическая" здесь означает "динамически распределяемая". Динамическая память выделяется и освобождается функциями [math]VirtualAlloc[/math] и [math]VirtualFree[/math]. Вызывая [math]VirtualAlloc[/math], указывая размер блока памяти и желаемый атрибут доступа (обычно: чтение-запись). Система выделяет от свободной памяти блок. Теперь в программе выделена память, и есть указатель на нее. Когда память надо освободить - вызывайте [math]VirtualFree[/math]. Система переведёт память обратно в свободную. Чем плохо такое выделением памяти? Оно выделяет больше памяти, чем нужно, и происходит частое обращение к ядру. Для этого в языке c++ есть особенные функции, для работы с областью памяти - куча "heap".

В стандартной библиотеке, пришедшей из языка C, [math]libc[/math] реализованы функции [math]malloc()[/math] и [math]free()[/math], соответственно для выделения и освобождения памяти. В самом C++ есть аналогичные функции [math]new (new[])[/math] и [math]delete(delete[])[/math].

Для каждого [math]malloc/new/new[][/math] должны вызываться [math]free/delete/delete[][/math], т.к. память сама не освобождается при выходе из функций. Не вызвав эти функции, куча останется неосвобожденнной, и произойдут утечки памяти.

TODO: запилить картиночки, поправить корявые фразочки

Рассмотрим процесс выделения памяти в куче на примере простой программы:

Память не выделена

Выделена память под массив

Память освобождена

int main()
{
    int *a = new int [1000000];
    delete [] a;
    return 0;
}

До выполнения

int *a = new int [1000000];

куча в адресном пространстве программы занимает [math]1152kB[/math], а после выполнения команды - [math]5060kB[/math]. Значит, память была выделена именно в куче, и объем выделенной памяти равен [math]3908kB[/math], что почти в точности соответствует объему массива [math]int[/math] из [math]1000000[/math] элементов при выделении [math]4B[/math] на элемент.

После выполнения

delete [] a;

размер кучи снова равен [math]1152kB[/math], как и до выделение памяти под массив.

TODO: Показать в адресном пространстве ран-тайм, библиотеки ядра

Проблема, возникающая при использовании многих библиотек

TODO: насколько я помню, это позиционировалось не столько как проблема, больше - просто фича. Поправить

TODO: запилить картиночки, поправить корявые фразочки

Для начала рассмотрим пример программы, где используются две библиотеки: пользовательская ([math]a.dll[/math]) и стандартная ([math]msvcrt.dll[/math]). В случае, когда библиотека [math]a.dll[/math] использует для работы с кучей библиотеку [math]msvcrt.dll[/math], никаких проблем не возникнет, т.к. при работе программы куча будет одна и функции для работы с ней будут одинаковые, что в пользовательской библиотеке, что в нашей программе.

Теперь рассмотрим другую ситуацию, когда в программе используется всё та же [math]msvcrt.dll[/math], но в [math]a.dll[/math] пусть используется другая стандартна библиотека для работы с кучей: [math]msvcrtr.dll[/math]. Здесь может случится неприятная вещь: если мы будем пытаться освободить память из кучи, используя средства пользовательской библиотеки, у нас произойдет ошибка, т.к. кучи для библиотеки и программы будут разные и функция [math]free[/math] может просто не понять, от куда ей надо освобождать, потому что в библиотеке она использовала [math]new[/math] из [math]msvcrtr.dll[/math], а при вызове [math]delete[/math] из программы мы обратимся к [math]msvcrt.dll[/math].

Согласитесь, не очень приятная ошибка. Для борьбы с ней есть верный способ --- использовать статическое объявление функций из стандартных библиотек: мы "выдёргиваем" только те функции, которые нас интересуют и объявляем их через [math]static[/math]. У нас будет явное обращение к ним и тогда не произойдет ошибки, возникающей во втором примере.