Language Definition vs. Implementation Most of 251 so far - PowerPoint PPT Presentation

9/23/15 Language ¡Definition ¡vs. ¡Implementation Most ¡of ¡251 ¡so ¡far Now ¡a ¡brief ¡interlude Ideally ¡ distinct, ¡but ¡definitely ¡influence ¡each ¡other. • Impossible/infeasible ¡language ¡features? Lisp/Racket ¡and ¡Implementation Some ¡languages ¡ are ¡ defined by ¡implementations: • Abstraction? • Can ¡be ¡complicated, ¡difficult ¡to ¡reason ¡about • But ¡high-­‑level ¡implementation ¡can ¡help ¡understand ¡definition. • May ¡over-­‑fit ¡to ¡current ¡system, ¡introduce ¡unintended ¡corner ¡cases Garbage ¡Collection • Tends ¡to ¡happen ¡early ¡in ¡language ¡development ¡or ¡when ¡the ¡goal ¡is ¡to ¡ Later: "just ¡hack ¡something ¡up" ¡instead ¡of ¡design ¡a ¡clean ¡abstraction. ... ¡Programs ¡as ¡Data Lisp: ... ¡Eval and ¡Interpreters • Formal ¡definitions ¡first. • Some ¡practicalities ¡of ¡implementation ¡crept ¡into ¡surface ¡of ¡language. • Some ¡"implementation ¡details" ¡should ¡have ¡been ¡in ¡definition. • Definition ¡forced ¡new ¡implementation ¡features ¡and ¡simplified ¡others. Lisp ¡Memory ¡Model IBM ¡704 Address Prefix Decrement Tag Cons ¡cell: car cdr IBM ¡704 ¡ register/ Atom: ¡ memory location/ Atom value word structure (cons 'A (cons 'B (cons 'C null))) Racket ¡syntax ¡(Lisp ¡uses ¡ symbol slightly ¡different ¡names, ¡ e.g. nil ¡for ¡null) Atom A null Atom B Atom C 3 1

9/23/15 How ¡do ¡we ¡remember ¡partial ¡ result ¡and “what ¡to ¡do ¡next”? (car (cons 'A (cons 'B (cons 'C null)))) (car (cons 'A (cons 'B (cons 'C null)))) Garbage: cells ¡that ¡will ¡never ¡be ¡used ¡again, ¡ subexpression result but ¡still ¡occupy ¡storage ¡space. subexpression result expression ¡result expression ¡result subexpression result Atom A Atom A null null Atom B Atom B Where ¡are ¡these ¡ Atom C Atom C data ¡stored? Simplified ¡Machine ¡Model Storage (240 ¡view) NOW fixed ¡# ¡of ¡fixed ¡size Heap Registers Code Data revised ¡later • Dynamically allocated ¡data... Stack • Racket: ¡cons ¡cells! Stack • Local variables. • … • Arguments, ¡return ¡values. • Racket: ¡lots ¡of ¡cons ¡cells! Program ¡ • Where ¡to ¡continue ¡evaluating ¡ Counter after ¡current function ¡call/ ¡ • … ¡more ¡later ¡for ¡first-­‑class ¡ expression. functions… Heap Environment ¡ • Not ¡the ¡full ¡story ¡for ¡first-­‑class ¡ Pointer functions… 7 2

9/23/15 Garbage ¡Collection ¡(GC) GC: ¡Reachability Every ¡ cell ¡requires ¡ a ¡block ¡of ¡the ¡available ¡ fixed-­‑size ¡ heap . Goal: ¡ Reclaim ¡storage ¡ used ¡for ¡ all garbage ¡ cells. A ¡cell ¡is ¡ garbage once ¡the ¡remainder ¡ of ¡evaluation ¡ will ¡never ¡ Reality? ¡ ¡ ¡ ¡ (let ([ garbage (list 1 2 3)]) access ¡it. (if e (length garbage) 0) Garbage ¡ collection: Achievable ¡ goal: ¡ Reclaim ¡ storage ¡used ¡for ¡all ¡ unreachable cells. Reclaim ¡ storage ¡used ¡for ¡garbage ¡ cells. • All ¡unreachable ¡cells ¡are ¡garbage. • When ¡storage ¡full ¡(or ¡sooner), ¡reuse ¡garbage-­‑filled ¡space ¡for new ¡cells. • Some ¡garbage ¡cells ¡are ¡reachable. Required/invented ¡to ¡implement ¡ Lisp. A ¡cell ¡is ¡ reachable if ¡it ¡is: • Lisp/Racket ¡programs ¡tend ¡to ¡create ¡new ¡cells ¡ very rapidly (even ¡vs. ¡Java) a ¡subexpression of ¡the ¡expression ¡currently ¡being ¡evaluated; ¡or • roots • No ¡mutation ¡=> ¡create ¡fresh ¡copies ¡instead ¡of ¡modifying bound ¡in ¡the ¡current ¡environment; ¡or • • Cells ¡become ¡garbage ¡almost ¡as ¡rapidly ¡as ¡they ¡are ¡created. recursive bound ¡in ¡the ¡environment ¡of ¡any ¡reachable ¡closure; ¡or • heap • Can ¡fill ¡up ¡memory ¡rapidly ¡-­‑-­‑ much ¡of ¡it ¡is ¡garbage. the ¡referent ¡of ¡the ¡ car or ¡ cdr of ¡any ¡reachable ¡cons ¡cell. • cases Mark-­‑Sweep Heap Roots (car (cons 'A (cons 'B (cons 'C null)))) D Unreachable ¡cells A C expression ¡result Atom A B E null Atom B ... Atom C 13 3

9/23/15 Lisp ¡Memory ¡Model Mark-­‑Sweep: ¡Clear Address Prefix Decrement Tag Heap Cons ¡cell: IBM ¡704 ¡ car cdr Roots register/memory ¡ Atom: ¡ location/word Atom value structure 0 D 0 (cons 'A (cons 'B (cons 'C null))) symbol Racket ¡ syntax ¡ (Lisp ¡ uses ¡ slightly ¡ A 0 0 C different ¡names, ¡ e.g. nil ¡ for ¡null) 0 Atom A 0 0 B E null Atom B ... 0 Atom C 15 Mark-­‑Sweep: ¡Mark Mark-­‑Sweep: ¡Mark Heap Heap Roots Roots 1 D 0 1 D 0 A A 0 0 1 0 C C 0 0 0 0 0 0 B E B E ... 0 ... 0 16 17 4

9/23/15 Mark-­‑Sweep: ¡Mark Mark-­‑Sweep: ¡Mark Heap Heap Roots Roots 1 D 0 1 D 0 A A 1 1 1 1 C C 0 0 0 0 1 0 B E B E ... 0 ... 0 18 19 Mark-­‑Sweep: ¡Mark Mark-­‑Sweep: ¡Sweep Heap Heap Roots Roots 1 D 0 1 A A 1 1 1 1 C C 0 1 0 1 B E B ... 1 ... 1 20 21 5