2019/5/29

1

プログラミング言語論 A

(Concepts on Programming Languages)

趙 建軍 (Jianjun Zhao)

1

命令型言語 (4)(Imperative Programming Languages)

手続き(関数)の呼び出し

2019.05.302

第7回

2019/5/29

2

3

今日の講義

手続きとは

手続きの定義

引数渡し

スコープ規則

4

今日の講義

手続きとは

手続きの定義

引数渡し

スコープ規則

2019/5/29

3

手続きとは

プログラムの一部に名前を付けるものである その部分のことを手続きの本体という

手続きが呼ばれると、手続きの本体が実行される この手続きの本体の実行のことを手続きのactivation

という

関数 (function) は、値を返す手続きのことである 関数、手続きという用語を区別をしないで用いる

場合もある5

手続きとは

手続き: 一連の処理を行う機能単位

手続き（関数）が名前をつけることができ，その名前で何度でも呼び出すことができる

名称 言語サブルーチン(subroutine) FORTRAN, Basic

手続き(procedure) Pascal

関数 (function) C, C++, Go

メソッド(method) Java

6

2019/5/29

4

手続きとは

手続きの必要性 システムの大規模化、複雑化

要求機能を、より簡素化された複数の機能に分解し、各々を手続きとして実装する。これらを組み合わせて全体を実現＝ モジュール化

7

手続きの構文

手続きの定義

手続きにおける引数は仮引数 (formal parameter)と呼ばれる

手続き呼び出しにおいて、引数が0個でも括弧が必須の場合が多い C, Modula-2など Pascalでは引数がない場合は括弧を書かない

<手続き名> ( <仮引数列> )

8

2019/5/29

5

手続きの構文

手続き呼び出し文の構文

手続き呼び出し文における引数は実引数(actual parameter)と呼ばれる

<返り値の型名> <手続き名> ( <実引数列> )

9

手続きの呼び出し

10

2019/5/29

6

関数の戻り値

11

手続き呼び出しの例int plus(int z, int y) {

int d = 0;while (d < y) {

z++;d++;

}return z;

}

main() {int z = 0;int c = 0;while (c < y) {

z = plus(z, y);c++;

}}

関数plusの定義(関数宣言)

関数plusの呼出し

12

2019/5/29

7

手続きの型

int plus(int z, int y) {int d = 0;while (d < y) {

z++;d++;

}return z;

}

main() {int z = 0;int c = 0;while (c < y) {

z = plus(z, y);c++;

}}

すべての関数は型を持つ。関数定義と呼出し側で型が一致してなければならない

13

値を返さない手続き

値を返さない手続きは以下のように定義する Java, C, C++: 戻り値を void に VB: サブルーチンプロシージャとして定義

例void sample(int x) {

x:= x+1:printf(“%d¥n”, x);

}main() {sample(9);

}

式として扱われない（値を評価できない）

14

2019/5/29

8

再帰呼び出し(1)

関数の中で関数を呼出すことが可能

main() {printf(“%d¥n”, max3(12, 15, 11));

}

int max3(int x, int y, int z) {return max2(max2(x, y), z);

}

int max2(int x, int y) {if (x >= y)

return x; else

return y;}

15

再帰呼び出し(2)

関数の中で自分自身を呼び出す

int factorial(int x) {if (x == 1) {

return 1;} else {

return x * factorial(x – 1);}

}

16

2019/5/29

9

17

今日の講義

手続きとは

手続きの定義

引数渡し

スコープ規則

18

引数 (parameters)

仮引数 (formal parameters)と実引数 (actual parameters)

仮引数と実引数の対応付け その位置によって対応付ける: positional parameters

仮引数の名称を指定: keyword parameters

引数に関するその他のしくみ デフォルト値を持つ引数 仮引数と実引数の個数が異なる

実引数が足らない → 未定義を許す実引数があまる → 複数の実引数をリストにしてまと

めて１つの仮引数に対応づけるその個数を与える

2019/5/29

10

引数結合方法

C 言語での引数結合の例

宣言

呼び出し

19

int func(int x, double y) {・・・}

func( n, x + 3.5 );

引数渡しの原理

実引数を仮引数に渡す方式には複数ある

引数の渡し方式 Call-by-value (値呼び、値渡し)

Call-by-reference (参照呼び、参照渡し)

Call-by-name (名前呼び、名前渡し)

どのように引数を渡すのですか？ via. the stack

via. the registers

or a combination

20

2019/5/29

11

21

値呼出し(call-by-value)

仮引数には実引数の評価結果の値が渡される

1. 実引数の値を求める2. 仮引数は、手続き内の局所変数として生成する3. 実引数の値をその変数の初期値とする4. 手続きの本体を実行する

手続き内で局所変数の内容が変化しても、呼出し側に影響しない

局所変数の生成と値のコピーの必要がある

値呼出し(call-by-value)

C 言語は、値呼出しの機能のみである 例

宣言

呼出し

22

int func(int x, double y) {・・・}

func( n, x + 3.5 );

2019/5/29

12

23

参照呼出し(call-by-reference)

仮引数には実引数のアドレスが渡される (渡されたアドレスが仮引数のアドレスとなる)

仮引数への変更は、実引数に反映するので、結果を返すためとして使える

局所変数の生成、コピーの必要がない

実引数は変数等であり、式は許されない

変数の衝突に注意が必要

変数呼出し(call by variable) ともいう

24

名前呼出し(call-by-name)

手続きの本体の中の仮引数を実引数の式で置き換えて実行する

この置き換えで名前の衝突が起こる場合は、名前の付け替えを行う

1. 手続きの本体にある仮引数を、対応する実引数の式で置換する

2. ただし、これによって手続き内の局所変数と衝突する場合は、局所変数の名前の付け替えをする

3. できあがった手続き本体を、手続き呼出しのところに挿入する

4. ただし、この挿入によって手続き内の大域変数が呼出し側の局所変数と衝突する場合は呼出し側の局所変数を付け替える

5. そのまま実行する

名前の衝突 実引数と手続き内の局所変数との衝突 手続き内の大域変数と呼出し側の局所変数の衝突

2019/5/29

13

25

名前呼出しの例

呼出しプログラム

begininteger i, n;n:=n+1;p(A[i]) …

end;

proc p(x)begin

integer i;x:=x+i+n

end;

begin integer i;A[i]:=A[i]+i+n

end;

begin integer j;A[i]:=A[i]+j+n

end;

begininteger i, n;n:=n+1;begin

integer j;A[i]:=A[i]+j+n

end;…

end;

begininteger i, m;m:=m+1;begin

integer j;A[i]:=A[i]+j+n

end;…

end;

①手続きp本体の仮引数xを実引数

A[i]で置換

② iが衝突するので局所変数を jに付け替え

③呼出し箇所に手続きを挿入

④ 手続き内の大域変数 n が呼出し側の局所変数と衝突するので、名前の付け替え

26

引数渡しと評価方式

引数渡しの方式は式の評価方式と関係する例 p(X,Y,Z)

begin if X>0 then Y else Z end;

において、呼出しp(f(x), g(x), h(x))を考える

参照渡しでは → こうした呼出しはできない 値渡しでは → f(x), g(x), h(x)を計算し、その値を渡す 名前渡しでは → f(x), g(x), h(x)をそのまま式として渡し、

置換されたプログラムを実行する

2019/5/29

14

27

今日の講義

手続きとは

手続きの定義

引数渡し

スコープ規則

28

コード(code) データ(data)

Procedures

Control Flow

Statements

Data Access

Global Static Variables

Global Dynamic Data

Local Variables

Temporaries

Parameter Passing

Read-only Data

プログラミング言語の構成要素

2019/5/29

15

プログラムのメモリレイアウト

各プログラムに割り当てられるメモリの領域は以下のようになっている

0x0000番地

0xffff番地

プログラム領域

静的領域

スタック領域

ヒープ領域

書き換え不可能

領域が増減する1プログラムに割り当てられる領域

29

各領域の説明

プログラム領域 (program) プログラムの実行コード（機械語）が格納される

静的領域 (static) プログラムが持つ定数などが格納される

char *a = “This is a string.”; printf(“Hello World!!”);

ヒープ領域 (heap) 大域変数が格納される

スタック領域 (stack) 自動変数，関数の引数，戻り番地などが格納される

30

2019/5/29

16

自動変数

関数呼出し, ブロック開始時に生成される 関数からの復帰, ブロック終了時に消滅する スタック領域上に確保される

main () {int i, j;func();

}

func() {int x, y;

}

mainの中でのみ使用可能mainを抜けると消滅

funcの中でのみ使用可能funcを抜けると消滅

31

静的変数

自動変数と同様，宣言した関数内でしか見れない

関数からの復帰時に消滅せず値が保持される ヒープ領域に確保される

main () {int i, j;tick();tick();

}

tick() {static int count = 0;count++;

}

funcの中でのみ使用可能次回呼出し時に値が残っている

静的変数であることを示す記憶指定子

32

2019/5/29

17

大域変数（外部変数）

関数の外で宣言する 複数の関数で値を共有できる プログラム実行中消滅しない ヒープ領域に確保される

int i, j;

main () {i = 1; j = 2;func();

}

func() {printf(“[%d,%d]”, i, j);

}

mainでもfuncでも使用可能消滅しない

[1,2]が表示される

33

34

有効範囲 (スコープ, scope)

名前（変数名、手続き名等）とその束縛に対し、その名前でその束縛が参照されるとき、その名前は可視 (visible) という

ある名前が可視であるプログラムの範囲をスコープ（scope）という

2019/5/29

18

35

有効範囲 (スコープ)

コープ規則：

1. ある手続きを実行中に変数ｘが表れたとき、ｘの宣言がその手続きにあるならば、この宣言がｘの束縛を決める

2. その手続きにないなら、この手続きを定義している手続き（親手続き）の中に宣言を探す。そこにあれば、その宣言が束縛を決める

3. さらに、そこになければ…その親…

36

有効範囲 (スコープ)

通常のスコープの規則 静的スコープ規則 (static scope rule)

静的スコープ規則は、プログラムによって予め決められる規則である

プログラムの字面で決まるので、lexical scope rule ともいう

逆に、プログラムのある箇所での束縛の全体を環境（environment）という

2019/5/29

19

変数のスコープと寿命

スコープ: その変数を見れる範囲寿命: その変数に値が保持されている期間

37

スコープ 寿命

自動変数 関数内 プログラムの全実行

静的変数 関数内 プログラムの全実行

大域変数 プログラム全体 プログラムの全実行

スコープと可視性

別々のスコープで同じ名前を使用できる 名前が衝突したときは，内側のスコープを優先

int i, j;main () {

func1();func2();

}func1() {

int i, j;}func2() {

int i, j;}

main内における i , j

func1内における i , j

func2内における i , j

38

2019/5/29

20

39

手続きのスコープ関係

main var x

procA var yprocB var z（procB本体）

procC var u（procC本体）

procD var vprocE var w（procE本体）

各手続き本体で可視の名前:

main: procA, procD, 変数x procA: procA, procB, procC, 変数x, y procB: procA, procB, 変数x, y, z procC: procA, procB, procC, 変数x, y, u procD: procA, procD, procE, 変数x, v procE: procA, procD, procE, 変数x, v, w

その手続きの本体で、名前が可視であれば手続きは呼べる

自分よりも後ろのものは通常可視でない

（procA本体）

（procD本体）

（main本体）

スタック領域の詳細

関数呼出しに応じてスタック領域が確保される

main () {int x = 1;x = input(x);

}

int input(int y) {char s[10];scanf(“%s”, s);printf("%s¥n", s);return y + 1;

}

0x0000番地

0xffff番地

x

y戻り番地

s[0]s[1]

:

:

自動変数用28バイト

引数用20バイト

input用

main用

40

2019/5/29

21

バッファオーバーフロー攻撃 scanfなどで戻り番地を上書きする 戻り番地は29～32文字目

main () {int x = 1;x = input(x);

}

int input(int y) {char s[10];scanf(“%s”, s);printf("%s¥n", s);return y + 1;

}

0x0000番地

0xffff番地

x

y戻り番地

s[0]s[1]

:

:

自動変数用28バイト

引数用20バイト

input用

main用

不正なコード

41