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第六章
領域與範圍
陳維魁 博士
[email protected]
儒林圖書公司
1
大綱









基本概念
可見性
靜態領域法與動態領域法
領域的間隙
區域性資料及其處理方法
活動記錄
顯示堆疊
動態領域法的實作
精選習題
2
基本概念

資料控制的意義


程式執行到一個區塊時，對當時資料存取的管
制及資料流向的控制即稱為資料控制
參用環境（referencing environment）

當呼叫程式呼叫副程式時會產生一個參用環境
3
基本概念

參用環境建立的過程






將實際參數（actual parameter）的資訊傳給型式參數
（formal parameter）
副程式建立區域變數
當程式流程轉移給副程式時，首先會先參用自己的區
域環境，若區域環境處找不到變數的定義，再到呼叫
程式處引用非區域變數
假如副程式又呼叫了另一個副程式，此時將產生另一
個參用環境
由副程式返回呼叫程式時，參用環境將回復成原來狀
況
呼叫程式執行時無法引用副程式內的區域變數
4
可見性 (visibility)


某段程式可參用的變數對該程
式而言即為可見(visible)，反之
即為不可見
program visibility;
var x : integer;
procedure A (p : integer);
begin
...
end;
procedure B (q : integer);
begin
...
end;
procedure C (r : integer);
begin
...
end;
begin
...
end.

根據左側程式可得以下的區塊圖：
visibility
A:
p:integer;
B:
q:integer;
C:
r:integer;
x:integer;




對主程式而言x是可見；p，q，r非
可見
對副程式A而言x，p為可見，而q，
r非可見
對副程式B而言x，q為可見，而p，
r非可見
對副程式C而言x，r為可見，而p，
q非可見
5
領域與範圍

領域(scope) (空間)


範圍(extend) (生命週期)



代表一段程式本文
代表在某段時間內，變數會與儲存其值的儲存
體做繫結的動作
對程式設計師來說，“領域”其實就是指
一段空間
一個變數的“領域”其實是指這個變數在
這段程式內是可被引用的(reference)
6
靜態領域法與動態領域法

靜態領域法

在區塊中未定義的變數，根據程式的結構，在
程式中包含其區塊的上一層區塊處尋找此變數
是否在此區塊內定義
若找到變數的宣告則變數即是在此區塊內定義
 若未找到則繼續往外層尋找直到變數第一次宣告
處為止
 若搜尋完整個程式仍未找到變數之宣告，則該變
數即為未定義之變數

7
















Procedure Big
var x,y:integer; z:real;
procedure SUB1
var x:real;
begin x:real;
x:=y*z+a; 靜態領域時 y,z是依照哪個宣告
end;
procedure SUB2
var y:real;
begin y:=2.5;
SUB1();
end;
begin
y:=2; z:=2.0;
SUB2;
end;
8
靜態領域法與動態領域法

動態領域法


又稱為流動繫結法(fluid binding)
變數的型態會在目前的區塊中尋找；尋找的順
序為“副程式被呼叫的反順序”
9
實際範例一






就右側採用靜態領域法
的程式中，指出每個區
塊中所有界定的變數及
其性質
A 只看到X
B 看到X real Y real
C X int Y int
D X int Y real
E X int Y int Z real
A
Real X ;
B
Real Y ;
C
In te g e r X ;
In te g e r Y ;
D
Real Y ;
E
Real Z ;
10
實際範例二


請列出列號6，9，13，16，
程式執行時，所能使用的
變數名稱及其資料型態，
以「變數名稱：資料型態」
表示
6 WXY real Z int
9 VW int XY real Z int
13 XYZ int
16 XZ char Y int
1.PROCEDURE A;
2.VAR X, Y, Z : INTEGER;
3.
4. PROCEDURE B;
5. VAR W, X, Y : REAL;
6.
7. PROCEDURE C;
8. VAR V, W : INTEGER;
9.
10. END {C}
11.
12. END {B}
13.
14. PROCEDURE D;
15. VAR X, Z : CHAR;
16.
17. END {D}
18.
19.END {A}
11
實際範例三
右側的程式
(1) 採取靜態領域，副程式A所
列印的x之值為何？
(2) 採取動態領域，副程式A所
列印的x之值為何？

靜態:程序A沒有定義x變數，
往上一層在main 找到，因
此x=5
動態:先從main呼叫B，進入B
程序之後再呼叫A，所以
x=10

program MAIN；
var x:integer;
procedure A;
begin
writeln('x=',x)
end; {of procedure A}
procedure B;
Var x: integer;
begin
x:=10;
A
end; {of procedure B}
begin {of main}
x:=5;
B
end.
12
領域的間隙

定義

採用靜態領域法的情況下，不正常的否定先前
變數的宣告即稱為領域的間隙(hole in scope)

靜態領域是以上層宣告為主
13
領域的間隙範例

program hole_in_scope;
var x:real;
procedure A;
begin
x:=x × x ;
write(x)
end;
procedure B；
var x:integer;
begin
A
end;
begin
B
end.

在副程式B中，變數x
宣告為整數，而在B中
呼叫了副程式A，但在
主程式中變數x宣告為
實數，由靜態領域法可
知此時x須使用的型態
為實數。此種不正常的
否定先前變數宣告的現
象即稱之為領域的間隙
14
區域性資料


某個區域內所能引用的資料即稱為區域性
資料
區域性資料僅適用某個區域內
15
區域性資料處理方法

保留法(retention)



當副程式結束其執行動作時，會將副程式內區
域變數的值保留；當副程式再次被呼叫時會沿
用該保留的值做為程式執行之依據
如，Fortran、C、C++、Java及Cobol
採用靜態儲存區配置法(static storage
allocation)，也就是在編譯時將記憶體的空間
配置給區域變數使用
16
區域性資料處理方法

清除法(deletion)



當副程式結束其執行動作時，會將副程式內區
域變數的值清除，因此每次呼叫該副程式時其
區域變數的初值是固定的
如，Pascal、Ada、Lisp、APL、C、C++、
Java與SNOBOL
採用動態儲存區配法(dynamic storage
allocation)，也就是在執行時將記憶體的空間
配置給區域變數使用
17
範例

試就右側之程式段分別以
清除法及保留法各別說明
執行結果為何？
保留: 程序A呼叫B，P=5
,P:=P+5 P=10, 第二次呼叫B,
此時P=10,再執行P:=P+5
P=15


清除:程序A呼叫B，P=5,
P:=P+5 P=10, 第二次呼叫
B,此時P恢復初始值5，再
執行P:=P+5 P=10

procedure B;
var P:integer=5;
begin
write(P);
P:=P+5;
write(P);
end;{B}
procedure A;
begin
….
B;
….
B;
end;{A}
18
靜態領域的可見度

靜態領域的可見度，除了本身區域的變數
，再加上所有上層領域中可見的變數集合
19





















Program example;
var a,b:integer;
…
procedure sub1;
var x,y:integer;
begin
->(1) x,y in sub1, a,b in example
end;
procedure sub2;
var x:integer;
procedure sub3;
var x:integer;
begin
->(2) x in sub3, a,b in example sub2的x隱藏
end;
begin
->(3) x in sub2, a,b in example
end;
begin
->(4) a,b in example
end
20
動態領域的可見度

本身區域宣告的變數之外，加上所有尚未
終結的程序所宣告的變數
21














Void sub1 {
int a,b;
….->(1) a,b in sub1; c in sub2; d in main
}
Void sub2{
int b,c;
…->(2) b,c in sub2; d in main
sub1();
}
Void main(){
int c,d;
…->(3) c,d in main
sub2();
}
22
具名常數








用一個名稱當作識別字
優點:1 增加程式的可讀和可靠性，如
PI=3.1415
優點2提高程式的維護性 如
program
type intarray=[1..100] of integer;
realarray=[1..100] of real;
for 1 to 100
如果資料增加到150，程式要改很多部分
23

Program
const listlen=100;
type intarray=array[1..listlen] of integer;
realarray=array[1..listlen] of real;
for index:=1 to listlen

資料量修改時，只要更改常數值




24
具名常數的分類









1. 值是常數且靜態繫結
Pascal
const size=100;
2. 值是常數運算式且靜態繫結
Modula-2
const size=100;
Length=2*size+1;
3. 值為運算式且動態繫結
LENGTH:const integer:=2*size+1
25
活動記錄



活動記錄(activation record)主要是用在副程式呼叫時
每次作副程式呼叫時就會產生一個相對應的活動記錄，其
內記錄了副程式在執行的過程中所有可能參用的資訊
活動記錄的內容




靜態鏈、動態鏈、返回位址、型式參數、區域變數、算術運
算暫存值、參數傳遞暫存值、函數傳回值及符號資料
符號的資料主要是記錄此區段所宣告的副程式的名稱及標記
(label)
靜態鏈(static link)是指活動記錄的一個欄位，副程式的靜態
鏈會指向包含其區塊的活動記錄
動態鏈(dynamic link)也是活動記錄的一個欄位，副程式的動
態鏈會指向呼叫它的副程式的活動記錄
26
活動記錄範例

program Demo ;
procedure P;
begin
...
procedure Q;
begin
...
end;{of Q}
...
Q;
end;{of P}
procedure R;
begin
...
procedure S;
begin
...
P;
end;{of S}
...
S;
end;{of R}
begin
R;
end.{of demo}

執行時程式段被呼叫的先後順
序為：
DemoR  S  P  Q
靜態鏈
(n il)
動態鏈
(n il)
靜態鏈
動態鏈
靜態鏈
動態鏈
靜態鏈
動態鏈
靜態鏈
動態鏈
D em o
R
S
P
Q
27
顯示堆疊


顯示(display)堆疊是在採用靜態領域法時，
尋找變數在何處定義的方法
顯示的內容是由許多指標組成，這些指標
指向目前區塊的活動記錄及包含目前區段
之所有區段的活動記錄
28
顯示堆疊範例

procedure main;
procedure A;
procedure B;
….
end B;
end A;
procedure C;
procedure D;
…
end D;
procedure E;
…
end E;
end C;
end main;

Main C  D  E
E
的活動記錄
D
的活動記錄
C
的活動記錄
Main
的活動記錄
活動記錄堆疊
D->E
C
Main
顯示堆疊
29
動態領域法的實作

動態領域法的實作方式有二種


深存取(deep access)
淺存取(shallow access)
30
範例














Main begin real x,y,z;
procedure P;
real i,j,k;
procedure Q;
real a,b,x,s;
R;
end Q;
Q;
end P;
procedure R;
real b,c,k,s,t;
end R;
P;
End main;
31
深存取


呼叫順序 main ->P -> Q -> R
Main 的參用環境


P的參用環境


X real, y real, z real
i real, j real, k real
Q的參用環境



X real, y real, z real
X real, y real, z real
i real, j real, k real
a real, b real, x real s real
R的參用環境



X real, y real, z real
i real, j real, k real
a real, b real, x real s real b real c real k real
s real t real
32
淺存取
main
x
y
z
i
j
k
a
b
s
c
T
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
main main main
隱藏堆疊
empty
P
x
y
z
i
j
k
a
b
s
c
T
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
main main main P
P
P
empty
33
Q
x
y
z
i
j
k
a
b
s
c
T
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
Q
main main P
P
P
Q
Q
Q
X
main
R
x
y
z
i
j
k
a
b
s
c
T
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
Q
main main P
P
R
Q
R
R
R
R
X
K
b
S
main
P
Q
Q
34
練習




假設區段結構中的靜態巢狀樹如下所示：
則
(a) 在B的程式段中
(b) 在F的程式段中
可以調用那些程式單元？
35
Ans
(a)
(b)
B可呼叫的程式單元為A，B，C，D。
F可呼叫的程式單元為A，B，E，F，G。
36
習題
一個變數(variable)，觀念上可分為以下六個成份：
變數名稱(name)，所佔空間地址，此空間可儲存
資料的型態(type)此空間所儲存的值(value)，其領
域(scope)，及其生命期間(life time)。
(1)試解釋在C的程序執行時，在什麼狀況下同一個
次程序的同一個變數名稱會代表不同的空間地址；
而在什麼狀況下，不同的變數名稱會代表同空間
地址。
(2)試簡述以下語言變數的生命週期(其佔有的空間，
何時開始存在，何時停止存在)。Pascal local
variables，C的static variables，Pascal的pointer
variable所指的空間。

37
Ans




(1) a.
遞迴呼叫(recursive call)。
b. 別名(aliasing)。
(2) a.
Pascal的local variables：動態儲
存區配置。
b. C的static variables：程式執行過程中始
終完整存在。
c. Pascal的pointer variable：執行new()時
開始存在，而執行dispose()時停止存在。
38
練習

在一個程式中，變數為何要區分為「local
」與「global」？如果變數只能宣告是
local而不能是global，有沒有什麼優缺點
？反之，如果變數只能宣告是global而不
能是local，有沒有什麼優缺點？
39
Ans







(1)
變數區分為local與global的主要理由是讓程式設計師較易區分變數等級使程式設
計的工作更為容易。
(2)
只能宣告local變數：
a.
優點：
(i)保密性高。
(ii)不須考慮資料共用的問題。
(iii)程式結構較單純。
(iv)程式易除錯。
(v)程式易維護。
b.
缺點：
(i)程式設計的彈性較低。
(ii)無法達到資料共用之目的。
(3)
只能宣告global變數：
a.
優點：
(i)程式設計的彈性較大。
(ii)可製作較複雜的程式。
(iii)可達到資料共用的目的。
b.
缺點：
(i)保密性較差。
(ii)須考慮資料共用的問題。
(iii)程式結構較複雜。
40
(iv)程式較不易維護。
練習




試比較何謂：
(a) 懸置引用(dangling reference)。
(b) 懸置else(dangling else)。
(c) 懸置標記引用(dangling label
reference)。
41
Ans



(a)懸置引用：懸置引用是指指標變數欲引用
(reference)一個已經不存在的記憶體空間稱之。
(b)懸置else：
若有以下敘述：if 條件A then if 條件 B then E1 else
E2
由於無法確定else將與那個if敘述結合，這種現象就
稱為懸置else。
(c)懸置標記引用：若欲引用某個已經離開其領域的
標記(label)，則稱此現象為懸置標記引用。
42
練習

試說明保留法與清除法的優點。
43
Ans






(1) 保留法優點：
a.
副程式中區域變數的值可被保留，所以前後二次執行的
關連性較大。
b. 效率較高。
(2) 清除法優點：
a.
副程式中區域變數的值在離開該副程式時不被保留，所
以可節省記憶體空間，即程式不被執行時不會佔據記憶體空
間。
b. 可用於遞迴副程式。
理由：
因為遞迴呼叫的特點在於執行時才會知道呼叫幾次，也就是
在執行時才知道需要多少記憶體空間，因此只有動態儲存區
配置法(dynamic storage allocation)才能支援遞迴呼叫，所有
只有清除法提供遞迴呼叫功能。
44
練習


試分別說明根據：(a)靜態領域法 (b)動態領域法，下列程式所得到的結果分
別為何？
program scope;
var test: boolean;
procedure A;
begin
writeln(test)
end;
procedure B;
var test:boolean;
begin
test:=true;
A
end;
begin
test:=false;
B
end.
45
Ans


(a) 靜態領域法結果為false。
(b) 動態領域法結果為true。
46
練習


下面程式是用像pascal (pascal-like)的語言所寫，如分別用靜態及動態領域處
理變數的範圍，請問程式執行後，所印出來的值各為何？
program main；
var x : integer;
procedure sub1;
begin /* sub1 */
writeln('x=',x)
end; /* sub1 */
procedure sub2;
var x: integer;
begin /* sub2 */
x:=10;
sub1
end; /* sub2 */
begin /* main */
x:=5;
sub2
end. /* main */
47
Ans

靜態領域結果為x=5
動態領域結果為x=10
48
練習




考慮下的Pascal程式：
Program Main;
Var a: integer;
Procedure One;
Begin
writeln(`a=`,a);
End;
Procedure Two;
Var a: integer;
Begin
a:=88; One;
End;
Begin
a:=77; Two;
End.
(一) 如果使用靜態領域(static scoping)，則會輸出何值？為甚麼
(二) 如果使用動態領域(dynamic scoping)，則會輸出何值？為甚麼
？
49
Ans


靜態範圍結果為a=77
動態範圍結果為a=88
50
練習


假設下列程式採用靜態領域規則,並使用顯示(display)方法來存全域變數。請
繪出當此程式呼叫副程式P並進入P後的執行時期堆疊及顯示堆疊關係圖。
procedure A
procedure B
procedure P
begin
end P;
procedure C
begin
call P
end C;
begin
call C;
end B;
begin
call B
end;
51
Ans

呼叫順序如下：
ABCP
P
的活動記錄
C
的活動記錄
P
B
的活動記錄
B
A
的活動記錄
A
活動記錄堆疊
顯示堆疊
52
練習


請繪出下列程式執行過程中，中央堆疊之變化。請同時繪出
靜態鏈(static chain pointers)及動態鏈(dynamic chain pointers)
。其中副程式C假設被遞迴呼叫一次就返回(return)。
Program A
Procedure B;
Procedure C;
Call C;
end;
Call C;
end;
Call B;
end．
53
Ans

執行順序如下：
ABCC
54
練習



考慮以下程式：
program P;
var x, y: integer;
procedure A (var Z : integer);
var x : integer;
begin x:=1; B; Z := x end A;
procedure B;
begin x := x + 1 end B;
begin
x:=5; A(y); write(y)
end．
假如用(1) static scoping？(2) dynamic scoping？則程式印出結
果為何？
55
Ans
(1) 靜態領域法結果為y=1
(2) 動態領域法結果為y=2


x
5
x
z1y
x A : = xA + 1
xA
( 在B 中 執 行 )
1
5
x
5
z1y
z := xA
z1y
2
xA
( 在A 中 執 行 )
xA
2
2
w rite (y )
2
56




考慮下列程式：
program p;
var X,Y : integer;
procedure A;
begin
x:=x+3;
end;
procedure B(var Z : integer);
var x : integer
begin x:=10;A;z:=x end;
begin
x:=5;B(y);
write(y)
end．
(1)
畫出當程序A被調用時，中央堆疊(central stack)的情況，並標示動態鏈(dynamic
chain)和靜態鏈(static chain)。
(2)
假設使用
a.動態範圍規則(dynamic scope rule)則程式印出的結果為何？
b.靜態範圍規則(static scope rule)則程式印出的結果為何？
57
Ans

(1) 執行順序為：
PBA
a.
動態範圍規則
x
5
z1 y
xB

10
x
xB: = x B + 3
z1 y
(在 A中執行)
xB
5
13
x
5
z := x B
z1 y
13
(在 B中執行)
xB
13
x
8
write(y)
13
b. 靜態範圍規則：
x
5
z1y
xB
10
x
x : = x + 3
z1y
( 在A 中 執 行 )
xB
8
10
z : = xB
z1y
10
( 在B 中 執 行 )
xB
10
w rite (y )
10
58
練習















Program main;
var x:real;
procedure sub1;
begin writeln(“x=”,x)
end;
procedure sub2;
var x:real;
begin
x:=3.6
sub1
end
begin
x:=6.3
sub2
end
靜態領域和動態領域的輸出X
59
Ans


靜態領域 X=6.3
動態領域 X=3.6
60
練習 靜態領域和動態領域的sub1 的XYZ














Procedure confuse
x,y,z:integer;
procedure sub1
z:integer;
begin
end;
procedure sub2
x:integer;
begin
sub1;
end;
begin
sub2;
end;

61
Ans


靜態領域sub1的x,y由confuse z由sub1
動態領域的x由sub2, y由confuse, z由sub1
62