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

Типичный случай использование стека языком высокого уровня на примере вызова процедуры с аргументами «A, B, C» (с соглашениями вызова Паскаля) в сравнении с языком ассемблера

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).

См. также

• Регистровое окно
• Стековый язык
• Язык ассемблера
• Компьютерная архитектура
• Соглашение о вызове