Макропроцессоры.

Основные понятия

Определение, которое дает ГОСТ не представляется удачным, так как оно говорит только о сокращении объема записи, а это лишь одна из возможностей обеспечиваемых Макропроцессором. Хотя Макропроцессоры являются обязательным элементом всех современных языков Ассемблеров, аналогичные модули (Препроцессоры) могут быть и для других языков, в том числе и для языков высокого уровня. Для одних языков (Pascal, PL/1) применение средств препроцессора является опционным, для других (C, C++) - обязательным.

Важно понимать, что Макропроцессор осуществляет обработку исходного текста. Он "не вникает" в синтаксис и семантику операторов и переменных языка Ассемблера, не знает (как правило) имен, употребляемых в программе, а выполняет только текстовые подстановки. В свою очередь, Ассемблер обрабатывает исходный текст, не зная, написан тот или иной оператор программистом "своей рукой" или сгенерирован Макропроцессором. По тому, насколько Препроцессор (Макропроцессор) и Транслятор (Ассемблер) "знают" о существовании друг друга, их можно разделить на три категории:

1. Независимые. Препроцессор составляет отдельный программный модуль (независимую программу), выполняющую просмотр (один или несколько) исходного модуля и формирующую новый файл исходного модуля, поступающий на вход Транслятора (пример - язык C).
2. Слабосвязанные. Препроцессор составляет с Транслятором одну программу, но разные секции этой программы. Если в предыдущем случае Препроцессор обрабатывает весь файл, а затем передает его Транслятору, то в этом случае единицей обработки является каждый оператор исходного текста: он обрабатывается секцией Препроцессора, а затем передается секции Транслятора. (Пример - HLASM для S/390).
3. Сильносвязанные. То же распределение работы, что и в предыдущем случае, но Препроцессор использует некоторые общие с Транслятором структуры данных. Например, Макропроцессор может распознавать имена, определенные в программе директивой EQU и т.п. (Пример - MASM, TASM).

Основные термины, связанные с данными, обрабатываемыми Макропроцессором: макровызов (или макрокоманда), макроопределение, макрорасширение.

Макровызов или макрокоманда или макрос - оператор программы, который подлежит обработке Макропроцессором (как мы дальше увидим, Макропроцессор обрабатывает не все операторы, а только ему адресованные).

Макроопределение - описание того, как должна обрабатываться макрокоманда, макроопределение может находиться в том же исходном модуле, что и макрокоманда или в библиотеке макроопределений.

Макрорасширение - результат выполнения макровызова, представляющий собой один или несколько операторов языка Ассемблера, подставляемых в исходный модуль вместо оператора макровызова. Пример обработки макровызова показан на рисунке.

Оператор макровызова в исходной программе имеет тот же формат, что и другие операторы языка Ассемблера: В нем есть метка (необязательно), мнемоника и операнды. При обработке исходного текста если мнемоника оператора не распознается как машинная команда или директива, она считается макрокомандой и передается для обработки Макропроцессору.

Макроопределение описывает, как должна обрабатываться макрокоманда. Средства такого описания составляют некоторый Макроязык. Для Макропроцессоров 1-й и 2-й категорий средства Макроязыка могут быть достаточно развитыми. Для Макропроцессоров 3-й категории средства Макроязыка могут быть довольно бедными, но в составе языка Ассемблера может быть много директив, применяемых в макроопределениях (возможно, - только в макроопределениях). В теле макроопределения могут употребляться операторы двух типов:

• операторы Макроязыка, которые не приводят к непосредственной генерации операторов макрорасширения, а только управляют ходом обработки макроопределения;
• операторы языка Ассемблера (машинные команды и директивы), которые переходят в макрорасширение, возможно, с выполнением некоторых текстовых подстановок.

Поскольку макроопределение, обрабатывается перед трансляцией или вместе с ней, макрокоманда, определенная в исходном модуле, может употребляться только в этом исходном модуле и "не видна" из других исходных модулей. Для повторно используемых макроопределений обычно создаются библиотеки макроопределений. В некоторых системах (например, z/OS) макрокоманды обеспечивают системные вызовы и существуют богатейшие библиотеки системных макроопределений.

Самое очевидное применение макрокоманд - для сокращения записи исходной программы, когда один оператор макровызова заменяется на макрорасширение из двух и более операторов программы. В некоторых случаях макрорасширение может даже содержать и единственный оператор, но просто давать действию, выполняемому этим оператором более понятную мнемонику. Но возможности Макропроцессора гораздо шире. Так, одна и та же макрокоманда с разными параметрами может приводить к генерации совершенно различных макрорасширений - и по объему, и по содержанию.

Сравнение макросредств и подпрограмм

Использование макросредств во многом подобно использованию подпрограмм: в обоих случаях мы сокращаем запись исходного текста и создаем повторно используемые фрагменты кода. (Например, в C/C++ вызов псевдофункции неотличим от вызова функции.) Принципиальные различия между подпрограммами и макросредствами:

• Команды, реализующие подпрограмму, содержатся в кода загрузочного модуля один раз, а команды, реализующие макровызов, включаются в программу для каждого применения макровызова (макросредства требуют больше памяти).
• Выполнение подпрограммы требует передачи управления с возвратом - команды типа CALL и RET, а команды макрорасширения включаются в общую последовательность команд программы (макровызовы выполняются быстрее).
• Если в многофункциональной подпрограмме имеется разветвление в зависимости от значений параметров, то в загрузочный модуль включается код подпрограммы в полном объеме, даже если в конкретной программе реально используется только одна из ветвей алгоритма; в макровызове в каждое макрорасширение включаются только операторы, определяемые фактическими значениями параметров макровызова (экономия и времени и объема в макровызовах).

Общий итог сравнения: макросредства обеспечивают несколько большее быстродействие при несколько больших затратах памяти. Поэтому обычно макросредства применяются для оформления сравнительно небольших фрагментов повторяющегося кода.

Некоторые возможности Макроязыка

Ниже мы описываем некоторые возможности макроязыка, в той или иной форме реализованные во всех Макропроцессорах. Мы, однако, ориентируемся прежде всего на Макропроцессор, независимый от Ассемблера, потому что в этой категории функции Макропроцессора легче определить.

Заголовок макроопределения

Макроопределение должно как-то выделяться в программе, поэтому оно всегда начинается с заголовка.

Заголовок имеет формат, подобный следующему:

    имя_макрокоманды MACRO список формальных параметров

имя_макрокоманды является обязательным компонентом. При макровызове это имя употребляется в поле мнемоники оператора. Имена макроопределений, имеющихся в программе, должны быть уникальны. Обычно при распознавании макровызова поиск по имени макрокоманды ведется сначала среди макроопределений имеющихся в программе, а затем (если в программе такое макроопределение не найдено) - в библиотеках макроопределений. Таким образом, имя макрокоманды, определенной в программе, может совпадать с именем макрокоманды, определенной в библиотеке, в этом случае макрокоманда, определенная в программе, заменяет собой библиотечную.

Формальные параметры играют ту же роль, что и формальные параметры процедур/функций. При обработке макровызова вместо имен формальных параметров в теле макроопределения подставляются значения фактических параметров макровызова.

В развитых Макроязыках возможны три формы задания параметров: позиционная, ключевая и смешанная. При использовании позиционной формы соответствие фактических параметров формальным определяется их порядковым номером. (Позиционная форма всегда применяется для подпрограмм). Пример:

В позиционной форме количество и порядок следования фактических параметров макровызова должны соответствовать списку формальных параметров в заголовке макроопределения. При использовании ключевой формы каждый фактический параметр макровызова задается в виде:

    имя_параметра=значение_параметра

В таком же виде они описываются и в списке формальных параметров, но здесь значение_параметра может опускаться. Если значение_параметра в списке формальных параметров не опущено, то это - значение по умолчанию. В макровызове параметры могут задаваться в любом порядке, параметры, имеющие значения по умолчанию, могут опускаться. Пример:

В смешанной форме первые несколько параметров подчиняются правилам позиционной формы, а остальные - ключевые.

Пример:

В некоторых Макропроцессорах имена параметров начинаются с некоторого отличительного признака (например, амперсанда - &), чтобы Макропроцессор мог отличить "свои" имена (имена, подлежащие обработке при обработке макроопределения) от имен, подлежащих обработке Ассемблером. Для Макропроцессоров, которые мы отнесли к категории сильносвязанных такой признак может и не быть необходимым, так как такой Макропроцессор обрабатывает как свои имена, так и имена Ассемблера. В любом случае возникает проблема распознавания имени в теле макроопределения. Например, если макроопределение имеет формальный параметр &P, а в макровызове указано для него фактическое значение 'X', то как должна обрабатываться подстрока '&PA' в теле макроопределения? Должна ли эта подстрока быть заменена на 'XA' или оставлена без изменений?

Логика, которой следует большинство Макропроцессоров в этом вопросе, такова. &PA является именем в соответствии с правилами формирования имен. Поэтому оно не распознается как имя &P и остается без изменений. Если мы хотим, чтобы подстановка в этой подстроке все-таки произошла, следует поставить признак, отделяющий имя параметра от остальной части строки. Обычно в качестве такого признака используется точка - '.': '&P.A' заменяется на 'XA'.

Окончание макроопределения

Если у макроопределения есть начало (оператор MACRO), то у него, естественно, должен быть и конец. Конец макроопределения определяется оператором MEND. Этот оператор не требует параметров. Макроопределение, взятое в "скобки" MACRO - MEND может располагаться в любом месте исходного модуля, но обычно все макроопределения размещают в начале или в конце модуля.

Локальные переменные макроопределения

Поскольку генерация макрорасширения ведется по некоторому алгоритму, описанному в макроопределении, реализация этого алгоритма может потребовать собственных переменных. Эти переменные имеют силу только внутри данного макроопределения, в макрорасширении не остается никаких "следов" переменных макроопределения.

Переменные макроопределения могут использоваться двумя способами:

• их значения могут подставляться вместо их имен в тех операторах макроопределения, которые переходят в макрорасширение;
• их значения могут проверяться в условных операторах макроязыка и влиять на последовательность обработки.

При подстановке значений переменных макроопределения в макрорасширение работают те же правила, что и при подстановки значений параметров.

Для сильносвязанных Макропроцессоров необходимости в локальных переменных макроопределения, вместо них могут использоваться имена программы (определяемые директивой EQU). Для сильносвязанных и независимых процессоров переменный макроопределения и имена программы должны различаться, для этого может применяться тот же признак, что и для параметров макроопределения. Объявление локальной переменной макроопределения может иметь, например