Stapelzeiger (Stack Pointer)
Ein Stapelzeiger ist ein kleines Register, das die Speicheradresse des letzten Datenelements speichert, das dem Stapel hinzugefügt wurde, oder, in einigen Fällen, die erste verfügbare Adresse im Stapel.
Ein Stack ist ein spezialisierter Puffer, den ein Programm verwendet, um Daten wie Parameter, lokale Variablen und andere funktionsbezogene Informationen zu speichern. Der Stapelzeiger – auch als Stack Pointer oder Extended Stack Pointer (ESP) bezeichnet – stellt sicher, dass das Programm Daten immer an der richtigen Stelle im Stapel ablegt.
Der Stack speichert Daten von oben nach unten und folgt dabei einer LIFO-Datenstruktur (last in, first out). Das bedeutet, dass das Programm Daten an die oberste Stelle des Stacks hinzufügt und Daten von der obersten Stelle des Stacks entfernt. Auf diese Weise enthält der oberste Teil des Stapels immer die zuletzt gespeicherten Daten, die noch nicht entfernt wurden.
Programm verwenden Push-Operationen, um Daten zum Stack hinzuzufügen, und Pop-Operationen, um Daten vom Stack zu entfernen. Da der Stapel eine LIFO-Datenstruktur ist, funktionieren die Operationen ähnlich wie ein Stapel von Tellern an einem Buffet. Ein Teller kann man nur oben auf den Stapel stellen und von oben wieder herunternehmen. Auf die gleiche Weise können Daten nur oben auf dem Stapel hinzugefügt oder entfernt werden.
Wenn ein Programm läuft und eine Funktion nach der anderen aufruft, werden ständig Daten auf den Stapel geschoben und vom Stapel genommen. Infolgedessen ändert sich die im Stapelzeigerregister gespeicherte Adresse ständig. Wenn ein neues Datenelement auf den Stapel wandert, aktualisiert sich der Stapelzeiger auf die nächste physische Speicheradresse auf dem Stapel. Das gleiche geschieht beim Entfernen einer Datei, aber dieses Mal ändert sich die Adresse in die entgegengesetzte Richtung.
Die Art und Weise, in der die Speicheradressierung in einem Stack funktioniert, kann kontraintuitiv erscheinen. Wenn also ein Datenelement auf den Stapel geschoben wird, verringert sich der Stapelzeiger auf die nächste Adresse unterhalb der aktuellen Adresse, und wenn ein Element entfernt wird, erhöht sich der Zeiger auf die Adresse des nächsten gespeicherten Elements auf dem Stapel, das eine höhere Adresse als die aktuelle hat.
Wie funktioniert der Stapelzeiger?
Es gibt kein einheitliches Layout, das für alle Stacks gilt. Das Design eines Stacks hängt von der Programmiersprache und der Prozessorarchitektur ab, obwohl verschiedene Systeme tendenziell ähnlichen Mustern folgen. In den meisten Fällen wird bei einem Funktionsaufruf innerhalb eines Programms ein Stack-Frame auf dem Stack erstellt, um die Daten dieser Funktion aufzunehmen. Jede Funktion erzeugt ihren eigenen Stack-Frame, unabhängig von der Funktionshierarchie innerhalb des Programms. Der Stack-Frame bietet eine logische Struktur für das Speichern der Parameter der Funktion, der lokalen Variablen und anderer zugehöriger Daten.
Das folgende Diagramm zeigt einen konzeptionellen Überblick darüber, wie die Mehrheit der Stack-Frames aufgebaut ist. Der oberste Teil des Stapels enthält die Daten des aktuellen Stack-Frames, der mit der zuletzt aufgerufenen Funktion verknüpft ist. Unter dem aktuellen Stack-Frame befindet sich ein zweiter Stack-Frame, der die Funktion darstellt, die die aktuelle Funktion aufgerufen hat. Es war der letzte aktive Stack-Frame, bevor die Funktion aufgerufen wurde.
Parameter sind die ersten Datenelemente, die dem Stapelrahmen hinzugefügt werden, gefolgt von der Rücksprungadresse, die dem Programm mitteilt, wohin es nach Beendigung der Funktion zurückkehren soll. Auf die Rücksprungadresse folgt die Adresse des erweiterten Basiszeigers (Extended Base Pointer, EBP), der zu Referenzzwecken auf dem Stack-Frame gespeichert wird.
Der EBP, auch als Frame Pointer bekannt, ist ein kleines Register, das auf eine feste Position innerhalb des aktuellen Stack Frames zeigt. Der Frame-Pointer bietet einen zuverlässigen Bezugspunkt für den Zugriff auf Elemente im Stack, im Gegensatz zum Stack-Pointer, der auf verschiedene Speicheradressen verweisen kann. Wenn es eine Funktion aufruft und den Stack-Frame erstellt, speichert das Programm die vorhandene EDP auf dem Stack, um einen Verweis zurück auf den aufrufenden Stack-Frame zu erhalten.
Nachdem es die gespeicherte EDP hinzugefügt hat, schiebt das Programm die lokalen Variablen auf den Stack, manchmal zusammen mit anderen Datentypen. Die genaue Vorgehensweise hängt von der spezifischen Stack-Konstruktion ab.
Unabhängig davon, welche Art von Funktionsdaten gespeichert wird, liefert der Stapelzeiger dem Programm immer die Informationen, die es benötigt, um das obere Ende des Stapels zu lokalisieren. Das ESP-Register kann auf die Adresse des letzten hinzugefügten Datenelements (das nicht entfernt wurde) oder auf die Adresse des ersten verfügbaren Speicherplatzes zeigen. Dies hängt von der Computerumgebung und der Art und Weise ab, wie Funktionsaufrufe ausgeführt werden. Unabhängig von der Vorgehensweise befindet sich der Stapelzeiger immer an der Spitze des Stapels und stellt einen zuverlässigen Ausgangspunkt für den Zugriff auf den Stapelspeicher dar.
