Pomnilnik in spremenljivke

Pomnilnik in spremenljivke

• Spremenljivka je temeljna entiteta v računalništvu, ki vsebuje vrednost.
• Vrednosti spremenljivk se lahko primerjajo, spreminajo ali brišejo.
• Pomnilnik je zaporedje lokacij ali celic.
• Vsaka celica pomnilnika je v enem od dveh stanj: dodeljena ali nedodeljena.
• Dodeljena celica ima svojo trenutno vsebino, ki je lahko shranljiva vrednost ali nedefinirana.
• Vsaka spremenljivka je določena z imenom, tipom, naslovom in vrednostjo.

Atributi spremenljivke

• Ime, tip, naslov celice (oz. lokacija) in vrednost (vsebina celice) so atributi spremenljivke.

Sestavljeni tipi

• Vrednost sestavljenega tipa je sestavljena iz več komponent, ki jih je mogoče selektivno obravnavati.
• Spremenljivka sestavljenega tipa ima več komponent (spremenljivk), ki se lahko selektivno ažurirajo.
• Spremenljivka zapisa (record) je n-terica spremenljivk komponent.
• Spremenljivka polja (array) preslikuje množico indeksov v množico spremenljivk.
• Spremenljivka osnovnega tipa zaseda eno celico, sestavljeni tipi pa lahko zasedajo več celic.
• Spremenljivka tipa T ima isto strukturo kot vrednost tipa T.
• Vsaka vrednost tipa "Card" je dvojica, ki jo sestavljata vrednosti tipov "CardSuit" in "CardRank".
• Spremenljivka tipa "Card" je sestavljena iz spremenljivk tipov "suit" in "rank".
• Pri spreminjanju vrednosti sestavljenega tipa ločimo popolno ažuriranje ("total updating") in selektivno ažuriranje ("selective updating").
• Selektivno ažuriranje spremeni nekatere celice komponente spremenljivke, ne pa vseh.
• Polje je preslikava iz množice indeksov v množico spremenljivk, in je mogoče obravnavati kot spremenljivko.
• Programski jeziki imajo različne načine, kako in kdaj je definirana množica indeksov.
• Polja se delijo na statična polja, dinamično alocirana polja in dinamična polja.

Vrste polja

• Statično polje ima množico indeksov določeno že ob prevajanju.
• Statičnega polja mejo indeksov se določi z literali ali izrazi.
• Pri dinamični alokaciji polja se množica indeksov določi med izvajanjem, ko se spremenljivka ustvari.
• Dinamično alociranega polja meje indeksov so določene z izrazi, ki se ovrednotijo ob ustvaritvi.
• Dinamičnega polja meje indeksov se lahko spreminjajo, ko se spremenljivki priredi nova vrednost.

Shranljive vrednosti

• Shranljive vrednosti jezika so tiste, ki so shranjene v eni sami celici in jih ni mogoče selektivno ažurirati.

Življenjska doba spremenljivke

• Spremenljivko se lahko ustvari v nekem trenutku in zbriše kasneje, ko ni več potrebna.
• Življenjska doba je čas med ustvaritvijo in brisanjem spremenljivke.
• Spremenljivka zaseda pomnilnik samo v času svoje življenjske dobe.
• Obstajajo trije načini dodelitve pomnilnika, ki določajo življenjsko dobo: statična, avtomatična in dinamična.

Načini dodeljevanja pomnilnika

• Pri statični dodelitvi se prostor dodeli pred izvajanjem in sprosti po koncu programa.
• Življenjska doba takšne spremenljivke je enaka trajanju programa.
• Fortran, Basic in Cobol uporabljajo samo statično dodelitev.
• Statična dodelitev ne omogoča rekurzije.
• Globalne in statične spremenljivke imajo statično dodelitev.
• Pri avtomatični dodelitvi se prostor dodeli na skladu, na življenjsko dobo programer ne more vplivati.
• Lokalne spremenljivke in parametri abstrakcij imajo avtomatično dodelitev.
• Dinamična dodelitev poteka na kopici, programer lahko vpliva na življenjsko dobo spremenljivke.
• Dinamične spremenljivke (kazalci) imajo dinamično dodelitev.
• Lokalna spremenljivka je deklarirana znotraj bloka in se uporablja samo tam.
• Globalna spremenljivka je deklarirana v najbolj zunanjem bloku programa.

Spremenljivke kopice

• Spremenljivka kopice ("heap variable") se lahko ustvari in zbriše kadаr koli.
• Spremenljivka kopice se ustvari z izrazom/ukazom in je anonimna, dostopamo pa do nje s kazalcem.
• Spremenljivke kopice imenujemo tudi dinamične spremenljivke.
• Za ustvarjanje spremenljivke kopice se uporabi dodelilnik (“allocator"), kot je "new" v C++, ki vrne kazalec.
• Spremenljivka kopice ostane dostopna, dokler nanjo kaže vsaj en kazalec.
• Brisanje spremenljivke kopice je nasprotna operacija dodeljevanja, lahko je implicitno (garbage collection, reference counting) ali eksplicitno.
• Slabosti eksplicitnega brisanja so obviseli kazalci ("dangling references"), pozabljanje brisanja (memory leak) in večkratno brisanje.
• Obviseli kazalec kaže na spremenljivko, ki ne obstaja več.
• Obviselost nastane, ko se naslov lokalne spremenljivke priredi spremenljivki kopice z daljšo življenjsko dobo.
• Trajna spremenljivka ima življenjsko dobo daljšo od izvajanja programa.
• Prehodna spremenljivka ima življenjsko dobo omejeno z izvajanjem programa.
• Lokalne spremenljivke in spremenljivke kopice so prehodne.

Ukazi

• Ukaz je programska fraza, ki se izvrši z namenom ažuriranja spremenljivk.
• Ukazi so lahko osnovni ali sestavljeni iz preprostih ukazov.
• Temeljni ukazi so: preskoki, prireditve, klici procedur, zaporedni ukazi, vzporedni ukazi, pogojni ukazi, iterativni ukazi in bločni ukazi.
• Preskok (skip) je najpreprostejši ukaz, ki ne vpliva na spremenljivke.
• Preskoki se uporabljajo pri pogojnih ukazih (npr. if E then C else skip).
• Primeri preskokov: goto, break, continue.
• Prireditev ima obliko V = E, kjer je V referenca na spremenljivko in E izraz.
• Vrednost izraza E se priredi spremenljivki V.
• Pravilo "najprej leva stran" pomeni, da se najprej izračuna referenca spremenljivke V in nato izraz E.
• Poznamo večkratno in hkratno prireditev.
• Večkratna prireditev (multiple assignment) V1 = ... = Vn = E priredi vrednost E vsem spremenljivkam V1,..., Vn.
• Hkratna prireditev (simultaneous assignment) V1,..., Vn = E1,..., En izračuna referenco na spremenljivke V1,..., Vn, nato izrazi E1,..., En, in nato priredi spremenljivke.
• Klic procedure ima obliko P(AP1,..., APn), kjer so APi dejanski parametri oz. argumenti.
• Dejanski parameter je lahko izraz ali spremenljivka (referenca).
• Učinek klica procedure je ažuriranje spremenljivk preko parametrov in/ali globalnih spremenljivk.
• Vrstni red izvajanja ukazov je pomemben za ažuriranje spremenljivk, določen je s krmilnim tokom ("control flow").
• Zaporedni ukaz ("sequential command") ima obliko C1 ; C2, kar pomeni, da se najprej izvrši C1 in nato C2.
• Manj običajni so vzporedni ukazi C1, C2, kjer vrstni red ni določen.
• Računanje je deterministično, če je zaporedje korakov vnaprej znano; sicer je nedeterministično.
• Pri nedeterminističnem izračunu vrstni red izvajanja ukazov vpliva na rezultat.
• Pogojni ukaz ("conditional command") je sestavljen iz podukazov, od katerih se izvede samo eden.
• Osnovna oblika je if E then C1 else C2, kjer se izbere C1 ali C2 glede na vrednost logičnega izraza E.
• Logičnega "pogoja" ni nujno da ima, izbira se lahko izvede na drug način.
• Ukaz case ali switch ima obliko case E of L1: C1; ... Ln: Cn end, kjer izraz E vrne rezultat, ki se ujema z enim od literalov Li, nato se izvede Ci.
• V C++ in Java se izvajanje case prenese na naslednji ukaz Ci+1, razen če se vstavi break.
• Z vidika OOP izbirni ukazi niso idealni, alternative so polimorfizem, polja lookup in pattern matching.
• Python in Lua nimajo switch-case stavka.
• Iterativni ukaz ("iterative command") ali zanka ("loop") je sestavljena iz telesa zanke in testa zaključka.
• Test zaključka določa, kdaj se ponavljanje zaključi.
• Razlikujemo med nedoločnimi (število ponovitev ni vnaprej določeno; while, repeat) in določnimi iteracijami (število ponovitev je vnaprej določeno; for).
• Splošnejša oblika zanke je repeat C1 while E do C2, kjer se C1 izvede, nato E preveri, nato se ponavlja C2 in C1, dokler E ne velja.
• Pri določnih iteracijah se uporablja krmilna spremenljivka ("control variable"), ki zavzame vnaprej določene vrednosti (krmilno zaporedje).
• Za vsako vrednost iz krmilnega zaporedja se enkrat izvede telo zanke.
• Uporablja stavek for V := E1 to E2 do C.
• Krmilno zaporedje lahko vsebuje tudi vrednosti poljubnega tipa.
• Status krmilne spremenljive se razlikuje glede na jezik.
• Vprašanja glede krmilne spremenljivke so: doseg, vrednost po zaključku, vrednost pri skoku iz zanke in ali je dovoljeno prisojanje.
• Krmilnega stavka za for ni nujno da je, tako se uporablja iterator.
• Glavni namen ovrednotenja izraza je izračun vrednosti.
• Ovrednotenje izraza lahko tudi ažurira spremenljivko (stranski učinek, "side effect").
• Izrazni jezik ("expression-oriented language") ne loči med izrazi in ukazi.
• Izrazni jeziki spodbujajo uporabo stranskih učinkov in ne potrebujejo obeh funkcijskih in proceduralnih abstrakcij.
• Primeri so Rust, Scala, Algol-68, ML in C.