Metaprogramovanie / Proces a jeho štruktúra

Čo je to proces?

Proces

• Spustený program
• Alokovaná pamäť
  • a iné zdroje
• Vykonávanie inštrukcií na CPU
  • jedno alebo viac vlákien
  • striedanie s inými procesmi
• Interakcia s OS
• PID

Vykonávanie inštrukcií

• Program counter (PC) / Instruction Pointer (IP)
  • register v CPU
  • adresa nasledujúcej inštrukcie
  • inkrementuje sa po načítaní inštrukcie
• Podmienky, cykly, volanie funkcií
  • menia hodnotu PC
• Ukladaný pri prepínaní kontextu

Pamäť

Pamäť

• Textový segment – inštrukcie
• Dátový segment – globálne konštanty a premenné
• Halda (heap) – dynamicky alokovaná pamäť (malloc)
• Zásobník (stack) – lokálne premenné, volanie funkcií

Zásobník volaní

• Aktivačný záznam (stack frame) pre každú volanú metódu
  • argumenty, lokálne premenné, návratová adresa
• Aktuálne vykonávaná metóda na vrchu
• Stack Pointer (SP)
  • register v CPU
  • vrchol zásobníka
• Frame Pointer (FP)
  • začiatok aktivačného záznamu

Halda vs zásobník

void foo() {
    int x = 5;
    int *p = malloc(sizeof(int));
    *p = 5;
}

Prečo zásobník?

Zásobník

• Efektivita
• Automatická správa pamäte
• Rekurzia

Správa pamäte v halde

• manuálna (malloc a free)
• automatická (garbage collector)
  • tracing garbage collection
  • reference counting
  • ownership (Rust)

Stack overflow :(

Tail call optimization

Tail call

function foo(data) {
    ...
    return bar(data);
}

Klasický faktorial

(define (factorial n)
    (if (= n 1)
        1
        (* n (factorial (- n 1)))))
  

— Structure and Interpretation of Computer Programs

Faktoriál s tail call

(define (factorial n)
    (define (iter product counter)
        (if (> counter n)
            product
            (iter (* counter product)
                  (+ counter 1))))
    (iter 1 1))

Java

Java

• Virtuálny stroj (JVM)
• Java bytecode – inštrukcie
• Halda (heap) – objekty
  • automatická správa pamäte – garbage collector
• Zásobník volaní (stack)
  • primitívne typy, referencie

Reflexia

Reifikácia

Reifikácia (reification, zhmotnenie) – vytvorenie reprezentácie entity systému v meta-systéme.

• Podmienka reflexie
• Umožňuje introspekciu a modifikáciu entít systému
• Reprezentácia nie je totožná s entitou

Reifikácia

• štrukturálna
• behaviorálna (výpočtová)

Ako reifikovať zásobník volaní?

Stack trace

Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 0
      at Main.sayHello(Main.java:8)
      at Main.main(Main.java:4)

Starý spôsob

• Throwable
  • “A throwable contains a snapshot of the execution stack of its thread at the time it was created.”
  • void printStackTrace()
  • StackTraceElement[] getStackTrace()

StackTraceElement

• String getFileName()
• int getLineNumber()
• String getClassName()
• String getMethodName()
• boolean isNativeMethod()

Príklad

Logger

public interface Logger {
  void logRecord(String className,
           String methodName,
           int lineNum,
           String message,
           int logRecordType);
  ...
}

Lepší Logger

public interface Logger {
    void logRecord(String message,
                   int logRecordType);
    ...
}

Implementácia

public void logRecord(String message, int logRecordType) {
    Throwable ex = new Throwable();
    StackTraceElement ste = ex.getStackTrace()[1];
    logRecord(ste.getClassName(), ste.getMethodName(),
            ste.getLineNumber(), message, logRecordType);
}

Java 9: StackWalker

public void logRecord(String message, int logRecordType) {
    StackWalker.getInstance()
        .walk(frames -> frames.skip(1).findFirst())
        .ifPresent(frame -> logRecord(
                frame.getClassName(),
                frame.getMethodName(),
                frame.getLineNumber(),
                message, logRecordType
        ));
}

StackWalker walker = StackWalker.getInstance(
                          Option.RETAIN_CLASS_REFERENCE);
Optional<Class<?>> callerClass = walker.walk(s ->
    s.map(StackFrame::getDeclaringClass)
        .filter(interestingClasses::contains)
        .findFirst());

Ďalšie informácie

• Java Reflection in Action. Chapter 5: Call stack introspection
• Arnaud Roger: Deep Dive into Java 9’s Stack-Walking API