Interested Article - Стек вызовов

Стек вызовов (от англ. call stack ; применительно к процессорам — просто « стек ») — в теории вычислительных систем, LIFO-стек , хранящий информацию для возврата управления из подпрограмм (процедур, функций) в программу (или подпрограмму, при вложенных или рекурсивных вызовах) и/или для возврата в программу из обработчика прерывания (в том числе при переключении задач в многозадачной среде).

При вызове подпрограммы или возникновении прерывания , в стек заносится адрес возврата — адрес в памяти следующей инструкции приостановленной программы и управление передается подпрограмме или подпрограмме-обработчику. При последующем вложенном или рекурсивном вызове, прерывании подпрограммы или обработчика прерывания, в стек заносится очередной адрес возврата и т. д.

При возврате из подпрограммы или обработчика прерывания, адрес возврата снимается со стека и управление передается на следующую инструкцию приостановленной (под-)программы.

Реализация

Стек вызовов обычно реализован одним из способов:

в большей части платформ стек располагается в оперативной памяти (или регистровом файле, как в микроконтроллере Intel 8051 ), специализированный регистр указывает на его вершину
вместо стека вызовов адрес возврата сохраняется в специализированный регистр, хранящий один или несколько значений адресов (например, в PowerPC)

При отсутствии стека или ограниченности его глубины, вложенные вызовы исключены или их количество ограничено. При необходимости бо́льшей вложенности, стек вызовов или его расширение могут быть реализованы программно.

Поддержка

Вызов подпрограммы и возвраты из подпрограмм и обработчиков прерываний , как правило выполняются специализированными инструкциями процессора. Кроме инструкций вызовов и возвратов, процессоры часто имеют инструкции для использования стека вызовов также и под сохранение данных — их помещения в стек, снятия со стека, модификации содержимого стека.

Инструкции вызова, возврата и работы со стеком могут отличаться по размеру сохраняемых данных (в этом случае необходимо использовать соответствующие друг другу инструкции или их эквиваленты).

Иногда процедуры возврата из подпрограммы и обработчика прерываний отличаются друг от друга, и также требуют разных команд (например, при возврате из прерывания часто необходимо восстановить из стека регистр флагов и/или разрешить обработку конкурентных прерываний, которая может автоматически запрещаться при вызове обработчика).

При отсутствии специализированных инструкций (в процессорах с сокращённым набором команд) вызовы, возвраты и прочая работа со стеком вызовов реализуются обычными инструкциями работы с памятью/регистрами и передачи управления.

Использование

Стек вызовов может использоваться для различных нужд, но основное его назначение — отслеживать место, куда каждая из вызванных процедур должна вернуть управление после своего завершения. Для этого при вызове процедуры (командами вызова) в стек заносится адрес команды, следующей за командой вызова («адрес возврата»). По завершении вызванная процедура должна выполнить команду возврата для перехода по адресу из стека.

Кроме адресов возврата в стеке могут сохраняться другие данные, например:

значения регистров с их последующим восстановлением
данные стекового кадра языков высокого уровня :
- аргументы, переданные в функцию
- локальные переменные — временные данные функции
другие произвольные данные

Использование стека в многозадачных системах

В многозадачных системах каждая задача, как правило, имеет свой собственный стек, и при переключении задачи указатель стека процессора переставляется на него.

Нестандартное использование

Стек может быть использован нестандартно, например:

вызванная подпрограмма может модифицировать адрес возврата, например при выборке аргументов, расположенных следом за инструкцией вызова
возврат не в вызывающую подпрограмму, а в предыдущую по стеку (при обработке нештатной ситуации)

Альтернативное использование

При альтернативном использовании, указатель стека переставляется на область данных и инструкции для работы со стеком используется в качестве строковых операций для обработки последовательных данных в памяти.

При альтернативном использовании обработка прерываний невозможна, так как во избежание повреждения данных прерывания должны запрещаться.

Замечания

Императивные языки программирования высокого уровня, как правило, не имеют возможностей явного оперирования стеком вызовов, но есть и исключения. Например, в Forth есть прямой доступ к системному стеку вызовов (под названием «стек возвратов», в отличие от «стека данных» этого языка).