Forth中的内存管理

Question

所以我只是在学习Forth，我很好奇是否有人能帮助我理解内存管理的一般工作原理。目前，我只有(一些)使用C堆栈对堆范例的经验。

据我所知，可以在字典中分配，或者在堆上分配。字典是否像C中的堆栈一样更快/更好？但与C不同的是，它没有作用域和自动堆栈回收，所以我想知道是否只对全局数据结构使用字典(如果有的话)。

就堆而言，它很像C吗？堆管理是标准(ANS)概念，还是由实现定义的？

Answer 1

基本的问题可能没有以Forth新用户需要的方式回答，所以我将尝试一下。

Forth中的内存可能非常依赖于目标，所以我将把描述限制在最简单的模型中，即扁平的内存空间，其中代码和数据愉快地生活在一起。(相对于分段内存模型，或用于代码的闪存和用于数据的RAM或其他更复杂的模型)

字典通常从内存的底部开始，并由Forth系统向上分配。在一个简单的系统中，这两个堆栈将存在于高内存中，并且通常有两个CPU寄存器指向它们。

在最基本的级别上，只需更改字典指针变量的值即可分配内存。

程序员通常不直接访问这个变量，而是使用一些更高级别的字来控制它。

如前所述，Forth单词'HERE‘返回字典空间中的下一个可用地址。这里没有提到的是，这里通过获取变量DP的值来定义。(此处为系统依赖项，但对于描述很有用)

在Forth中，'HERE‘可能看起来像这样：

：这里( -- addr) DP @；

就这样。

为了分配一些内存，我们需要在这里向上移动，我们使用单词'ALLOT‘来实现。

'ALLOT‘的Forth定义只是从参数堆栈中获取一个数字，并将其添加到DP中的值。

：ALLOT (n --) DP +！；\ '+!‘

当我们创建一个新的定义时，ALLOT被第四个系统使用，这样我们创建的内容就可以安全地保存在'ALLOTed‘内存中。

不是很明显的是，分配可以采用负数，因此可以向上或向下移动字典指针。因此，您可以分配一些内存，并像这样返回它：

然后像这样释放它：

十六进制-100分配

所有这些都表明，这是Forth系统中最简单的内存管理形式。在单词‘BUFFER’的定义中可以看到这个用法的一个例子：

：BUFFER：(n --)创建分配；

‘'BUFFER:’在字典中“创建”一个新的名字(create使用allot为名字腾出空间)，然后在名字后面分配n字节的内存和你的Forth系统可能使用的任何相关的内务字节

所以现在要分配一个命名内存块，我们只需输入：

标记FOO \标记内存当前结束的位置

现在我们有了一个名为IN_BUFFER的8K字节的缓冲区。如果想要在Standard Forth中回收该空间，我们可以输入' FOO‘，那么在字典中FOO之后分配的所有内容都将从Forth系统中删除。

但是如果你想要临时的内存空间，“HERE”上面的所有东西都可以免费使用！

因此，您可以简单地指向一个地址并使用它，如果您想这样的话

：MYMEMORY here 200 +；\ MYMEMORY指向此处上方未分配的内存

                        \ MYMEMORY moves with HERE. be aware.

MYMEMORY HEX 1000擦除\用2K字节的0填充

Forth通常用于高性能嵌入式应用程序，其中动态内存分配可能导致不可靠的代码，因此首选使用ALLOT的静态分配。然而，较大的系统有一个堆，并使用分配、释放和调整大小，就像我们在C中使用malloc等一样。

高炉

Answer 2

彼得·莫特森写得很好。我将添加一些可能对C程序员有所帮助的注释。

堆栈最接近于C术语中的“自动”变量，也就是通常所说的局部变量。您可以在某些forths中为堆栈值命名，但大多数程序员都会尝试编写代码，因此不需要命名这些值。

从C编程的角度来看，字典最好被看作是“静态数据”。您可以在字典中保留地址范围，但通常您将使用ALLOT和相关单词来创建静态数据结构和池，这些结构和池在分配后不会改变大小。如果要实现可实时增长的链表，则可以为所需的链接单元格分配足够的空间，并编写单词以维护可从中绘制的空闲单元格列表。自然会有这类东西的实现，而编写自己的实现是磨练指针管理技能的好方法。

堆分配在许多现代Forth中都可用，标准定义了allocation、FREE和realloc()等字，这些字的工作方式类似于C中的malloc()、free()和realloc()。它们返回的内存来自OS系统堆，通常将地址存储在变量或其他比堆栈更持久的结构中是一个好主意，这样在释放它之前就不会无意中丢失指针。作为附注，如果发生错误，这些字(以及文件i/o字)将在堆栈上返回非零的状态。此约定非常适合异常处理机制，并允许您编写如下代码：

variable PTR
1024 allocate throw PTR !
\ do some stuff with PTR
PTR @ free throw
0 PTR !

或者是一个更复杂的分配/释放的例子：

\ A simple 2-cell linked list implementation using allocate and free
: >link ( a -- a ) ;
: >data ( a -- a ) cell + ;
: newcons ( a -- a )    \ make a cons cell that links to the input
   2 cells allocate throw  tuck >link ! ;
: linkcons ( a -- a )   \ make a cons cell that gets linked by the input
   0 newcons dup rot >link ! ;
: makelist ( n -- a )   \ returns the head of a list of the numbers from 0..n
   0 newcons  dup >r
   over 0 ?do
     i over >data ! linkcons ( a -- a )
   loop  >data !  r> ;
: walklist ( a -- )
   begin   dup >data ?  >link @           dup 0= until drop ;
: freelist ( a -- )
   begin   dup >link @  swap free throw   dup 0= until drop ;
: unittest  10 makelist dup walklist freelist ;

Answer 3

一些Forth实现支持返回堆栈帧上的局部变量和分配内存块。例如在SP-Forth中

lib/ext/locals.f
lib/ext/uppercase.f

100 CONSTANT /buf

: test ( c-addr u -- ) { \ len [ /buf 1 CHARS + ] buf }
  buf SWAP /buf UMIN DUP TO len CMOVE
  buf len UPPERCASE
  0 buf len + C! \ just for illustration
  buf len TYPE
;

S" abc" test \ --> "ABC"