2. Podstawowe informacje

2.1 Organizacja pamięci programu

Pamięć procesu przedstawia następujący rysunek:

Poszczególne fragmenty pamięci zawierają:

kod wykonywalny - tutaj znajdują się instrukcje programu, a więc kod wszystkich funkcji, dodatkowo znajdują się tutaj wartości stałych. Ten fragment pamięci jest zaznaczony jako tylko do odczytu, próba zapisu spowoduje błąd.
dane inicjowane - ten fragment pamięci zawiera pamięć przydzielaną podczas wykonywania programu (np. poprzez funkcję malloc)
sterta - wolna pamięć dostępna dla procesu.
stos - stos programu, znaczenie tego fragmentu pamięci jest dla nas bardzo istotne, w związku z tym zostanie on omówiony bardziej szczegółowo w kolejnym podrozdziale.

2.2 Stos

Stos jest to ciągły obszar pamięci implementujący kolejkę FILO (pierwszy wchodzi ostatni wychodzi). Operacje na stosie (push, pop) dostarczane są przez odpowiednie instrukcje procesora (odpowiednio PUSH i POP). Stos jest ściśle związany z mechanizmem wywoływania funkcji i przechowuje tzw. ramki umieszczanych tam w momencie wywołania funkcji i zdejmowanych w chwili powrotu z funkcji. Każda ramka zawiera następujące elementy:

argumenty wywołania funkcji - w przypadku języka C argumenty wywołania funkcji umieszczane są w odwrotnej kolejności (pierwszy argument jest najwyżej ostatni najniżej)
adres powrotu z funkcji - jest to adres instrukcji jaką należy wykonać po powrocie z funkcji (jest to adres pierwszej instrukcji za wywołaniem funkcji)
wskaźnik ramki z funkcji wywołującej - więcej na ten temat poniżej
zmienne lokalne - wszelkie zmienne lokalne funkcji przechowywane są na stosie (oczywiście jeżeli alokujemy dynamicznie pamięć to znajduje się ona poza stosem w sekcji danych).

Dodatkowo należy zwrócić uwagę, że na maszynach typu x86 stos rośnie od adresów wysokich ku niższym (najwyższy element na stosie ma najniższy adres).

Przykładowy wierzchołek stosu przedstawia poniższy rysunek:

Rysunek, oprócz przykładowej ramki, przedstawia także zawartość dwóch rejestrów procesora:

ESP - jest to rejestr wskazujący wierzchołek stosu
EBP - jest to tzw. wskaźnik ramki, rejestr ten przechowuje adres odpowiedniego elementu wewnątrz ramki

Dostępność rejestru EBP oraz pozycja na stosie jaką wskazuje pozwala na odwoływanie się do argumentów funkcji oraz do jej zmiennych lokalnych poprzez dodanie odpowiedniej wartości do EBP. Przykładowo:

EBP + 4 = adres powrotu
EBP + 8 = pierwszy argument
EBP - 4 = pierwsza zmienna lokalna funkcji

(wartościami dodawanymi są wielokrotności 4 ponieważ każdy element stosu ma długość jednego słowa a te ma 4 bajty (na maszynie x86).

2.3 Mechanizm wywoływania funkcji

Mechanizm umożliwiający wywoływanie funkcji musi zapewnić , że, po zakończeniu wykonywania wywoływanej funkcji, sterowanie wróci do miejsca wywołania. Aby to zapewnić procesory x86 udostępniają instrukcje CALL oraz RET (omówione poniżej). Dodatkowo na stos należy włożyć argumenty funkcji oraz zadbać o zapamiętanie adresu ramki funkcji wywołującej i odpowiednie uaktualnienie wskaźnika aktualnej ramki (rejestr EBP). O te czynności zadbać trzeba samodzielnie (oczywiście jeżeli programujemy w assemblerze, w przypadku języków wyższego poziomu odpowiednie operacje przeprowadza kompilator).

W przypadku języka C wywołanie funkcji odbywa się następująco:

na stos odkładane są argumenty wywołania funkcji
wywoływana jest instrukcja CALL z adresem kodu funkcji jaką należy wykonać
sterowanie jest przekazywane pod wskazany adres
wywołana funkcja zapamiętuje na stosie adres ramki funkcji wywołującej
uaktualniany jest rejestr EBP tak ab wskazywał na aktualną ramkę
stos jest powiększany o tyle komórek pamięci ile jest potrzebnych do przechowywania zmiennych lokalnych funkcji

Współczesne kompilatory starają się zoptymalizować (przyspieszyć) kod. Jedną z metod osiągnięcia tego jest powiększenie stosu (w momencie wykonywania kodu funkcji) o znacznie większą ilość komórek niż jest to potrzebne do przechowywania zmiennych lokalnych. Dodatkowa pamięć jest wykorzystywana np. do przyspieszenia funkcji. Na przykład zamiast używać instrukcji PUSH i POP, które wkładają odpowiedni element na stos i uaktualniają rejestr ESP, można "wkładać" elementy w odpowiednie miejsca poniżej wierzchołka stosu (oczywiście dbając o to aby nie uszkodzić znajdujących się tam danych) co można zrealizować przy pomocy jednej instrukcji.

2.3.1 Instrukcja CALL

Instrukcja CALL działa następująco:

umieszczenie adresu kolejnej instrukcji na stosie (adres ten jest adresem powrotu)
przekazanie sterowania do miejsca wskazywanego przez podany adres

2.3.2 Instrukcja RET

Instrukcja RET działa następująco:

pobranie ze stosu adresu powrotu
przekazanie sterowania do miejsca wskazywanego przez adres powrotu

Poprzedni :: Spis treści :: Następny