Wie im letzten Artikel angekündigt, soll es heute ein wenig technischer zugehen. Konkret möchte ich ein paar Worte darüber verlieren, wie der Speicher im Rahmen von Variablendeklarationen und Funktionsaufrufen verwaltet wird. Programmiert wird da weniger, aber für das Verständnis eines Programmablaufes ist das enorm hilfreich.
Der zentrale Mechanismus zum Verwalten von Variablendeklarationen ist der Stack. Wie im Artikel über Variablen bereits geschrieben, ist der Stack ein bestimmter Bereich im Arbeitsspeicher. Er arbeitet streng linear: neue Daten werden immer an einem Ende angefügt und beim Entfernen von Daten müssen immer die zuletzt angefügten auch zuerst wieder entfernt werden.
Damit ist der Stack ideal geeignet, um mit ihm die Variablen im Rahmen von Funktionsaufrufen zu verwalten. Der Grund hierfür ist einfach: wird an einer Stelle im Programm eine Funktion aufgerufen, so springt der Programmfluss an diese Stelle; im Rahmen der Abarbeitung werden neue Variablen deklariert und verwendet; nach der Abarbeitung der Funktion springt der Programmfluss zurück an den Aufruf-Ort – die in der Funktion verwendeten Variablen werden nicht mehr benötigt und können “weggeräumt” werden. Die Verwendung des Stacks während der Programmabarbeitung folgt genau diesem Schema; wird eine neue Funktion aufgerufen, so werden alle darin deklarierten Variablen ans Ende des Stacks angefügt und nach dem Funktionsaufruf wieder von dort entfernt.
Nun stellen sich dabei 2 wichtige Fragen: wie genau lassen sich Werte von Variablen ans Ende des Stacks anfügen, und woher wissen Variablen, auf welche Stelle im Stack sie zeigen müssen? Die Antwort auf beide Fragen liegt in der Funktionsweise des Stacks im Arbeitsspeicher. 1 Der Stack ist ein bestimmter, reservierter Bereich im Arbeitsspeicher, und zwar von für gewöhnlich fester Größe (wobei jedes ausgeführte Programm seinen eigenen Stack-Bereich bekommt). Der Speicherbereich des Stacks an sich kann also weder wachsen noch schrumpfen. Das Hinzufügen von Werten funktioniert daher nach folgendem Prinzip:
1An dieser Stelle ein wichtiger Hinweis: der Stack im Arbeitsspeicher ist nicht mit dem Stack als Datenstruktur zu verwechseln; beiden liegt ein ähnliches Konzept zugrunde, aber sie funktionieren – technisch gesehen – etwas unterschiedlich.
Wir erinnern uns: der Speicher ist in einzelne Speicherzellen aufgeteilt, welche jeweils über eine Adresse ansprechbar sind. Das könnte etwa so aussehen (die Inhalte der Zellen spielen noch keine Rolle, sind daher erst einmal leer dargestellt); zu beachten ist, dass ich immer 4 Speicherzellen zu einer Zeile zusammengefasst habe und die Adressen daher auch in 4er-Schritten springen; den Grund dafür sehen wir noch:
| Adresse | Inhalt | Inhalt | Inhalt | Inhalt |
|---|---|---|---|---|
| 123450 | ||||
| 123454 | ||||
| 123458 | ||||
| 123462 | ||||
| 123466 | ||||
| 123470 | ||||
| 123474 |
Der Stack hat eine bestimmte Basisadresse – in der Fachliteratur bottom genannt, die das untere Ende des für den Stacks gültigen Speicherbereich markiert und über den gesamten Programmverlauf hin unveränderbar ist. Kurioserweise liegt der bottom in der Regel bei einer hohen Adresse und der Stack “wächst” zu den niedrigeren Adressen hin (der Grund ist vermutlich technisch-historischer Natur und soll hier nicht diskutiert werden).
Darüber hinaus existiert eine zweite Adresse, welche das obere Ende des aktuell genutzten Stacks markiert und sich während der Programmausführung verschieben kann. Diese zweite Adresse wird in einem Register gespeichert, welches esp (kurz für extended stack pointer) genannt wird. Wir erinnern uns: Register sind spezielle Speicherbereiche im Prozessor, die immer eindeutig angesprochen werden können (auch der Program Counter, der die Adresse der nächsten auszuführenden Anweisung speichert, ist ein solches Register). Das esp-Register enthält also die Adresse der Speicherzelle, bis zu welcher der Stack bisher schon gewachsen ist. Sollen neue Werte auf den Stack gelegt werden, so wird der Wert in die Zelle, auf welcher der esp aktuell zeigt, gespeichert und anschließend der Wert des esp-Registers verringert (da der Stack ja zu den niedrigeren Speicheradressen wächst), um somit eine Vergrößerung des Stacks anzuzeigen. Beim Entfernen von Werten vom Stack wird einfach der Wert des esp-Registers wieder erhöht und die damit weiter “oben” gespeicherten Werte verworfen.
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