Stapelspeicher

mini|Vereinfachte Darstellung eines Stacks mit den Funktionen Push (drauflegen) und Pop (herunternehmen)

In der Informatik bezeichnet ein Stapelspeicher oder Kellerspeicher (kurz Stapel oder Keller, häufig auch mit dem englischen Wort Stack bezeichnet) eine häufig eingesetzte dynamische Datenstruktur. Sie wird von den meisten Mikroprozessoren direkt mithilfe von Maschinenbefehlen unterstützt.

Funktionsprinzip mini|Dieser Stapel wächst von seinem Ursprung nach unten. Der Stapelzeiger zeigt auf das aktuell oberste Datenelement auf dem Stapel. Eine Push-Operation dekrementiert den Zeiger und kopiert die Daten auf den Stapel. Eine Pop-Operation kopiert Daten vom Stapel und inkrementiert dann den Stapelzeiger. Jede im Programm aufgerufene Prozedur speichert Rückgabeinformationen (in Gelb) und lokale Daten (in anderen Farben), indem sie auf den Stapel geschoben werden. Ein Stapel kann eine theoretisch beliebige, in der Praxis jedoch begrenzte Menge von Objekten aufnehmen. Elemente können nur oben auf den Stapel gelegt und auch nur von dort wieder gelesen werden. Elemente werden übereinander gestapelt und in umgekehrter Reihenfolge vom Stapel genommen. Dies wird auch Last-In-First-Out-Prinzip (LIFO) genannt.

Dazu werden folgende Operationen zur Verfügung gestellt:

(auch „einkellern“) legt das Objekt oben auf den Stapel. („auskellern“) liefert das oberste Objekt und entfernt es vom Stapel. Bei manchen Prozessoren wie dem MOS Technology 6502 wird diese Aktion dagegen („herunterziehen“) genannt. („nachsehen“) liefert das oberste Objekt, ohne es zu entfernen (zuweilen auch top genannt, also „oben“).

In der Automatentheorie werden Stapel benutzt, um bestimmte Problemklassen theoretisch betrachten zu können (siehe Kellerautomat). Sie unterscheidet deshalb genauer zwischen einem echten Kellerspeicher, bei dem kein Element außer dem obersten gelesen werden kann, und einem Stapelspeicher, bei dem jedes Element betrachtet, aber nicht verändert werden kann. In der Praxis spielt diese Unterscheidung jedoch kaum eine Rolle; beinahe jede Implementierung ist ein Stapel. Daher werden die Begriffe im Allgemeinen synonym verwendet.

Es gibt viele Variationen des Grundprinzips von Stapeloperationen. Jeder Stapel hat einen festen Speicherort im Speicher, an dem er beginnt. Wenn Datenelemente zum Stapel hinzugefügt werden, wird der Stapelzeiger verschoben, um die aktuelle Ausdehnung des Stapels anzuzeigen, die sich vom Ursprung weg ausdehnt.

Stapelzeiger können auf den Ursprung eines Stapels oder auf einen begrenzten Adressbereich entweder über oder unter dem Ursprung zeigen, abhängig von der Richtung, in die der Stapel wächst. Der Stapelzeiger kann jedoch den Ursprung des Stapels nicht überschreiten. Mit anderen Worten, wenn der Ursprung des Stapels bei der Speicheradresse 1000 liegt und der Stapel nach unten in Richtung der Speicheradressen 999, 998 usw. wächst, darf der Stapelzeiger niemals über 1000 auf 1001, 1002 usw. hinaus erhöht werden. Wenn eine Pop-Operation auf dem Stapel bewirkt, dass sich der Stapelzeiger über den Ursprung des Stapels hinaus bewegt, tritt ein Stapelunterlauf auf. Wenn eine Push-Operation bewirkt, dass der Stapelzeiger über die maximale Ausdehnung des Stapels hinaus erhöht oder verringert wird, tritt ein Stapelüberlauf auf.

Einige Laufzeitumgebungen, die stark von Stapeln abhängig sind, bieten möglicherweise zusätzliche Vorgänge, zum Beispiel

duplicate („duplizieren“)Das oberste Element wird ausgekellert und dann zweimal eingekellert, sodass jetzt eine zusätzliche Kopie des vorherigen obersten Elements mit dem Original darunter oben liegt.swap oder exchange („tauschen“)Die beiden obersten Gegenstände auf dem Stapel tauschen die Plätze aus.rotate oder roll („rotieren“)

Die n obersten Elemente werden rotierend auf dem Stapel verschoben. Wenn beispielsweise n = 3 ist, werden die Elemente 1, 2 und 3 auf dem Stapel an die Positionen 2, 3 bzw. 1 auf dem Stapel verschoben. Viele Varianten dieser Operation sind möglich, wobei die häufigste als Linksdrehung und Rechtsdrehung bezeichnet wird.

Stapel werden oft so dargestellt, dass sie von unten nach oben wachsen. Sie können auch visualisiert werden, wie sie von links nach rechts wachsen, so dass „ganz oben“ zu „ganz rechts“ wird, oder sogar von oben nach unten wachsen. Das wichtige Merkmal ist, dass sich der Boden des Stapels in einer festen Position befindet. Die Abbildung in diesem Abschnitt ist ein Beispiel für eine Wachstumsvisualisierung von oben nach unten: Die Oberseite (28) ist der Stapel „unten“, da der Stapel „oben“ (9) der Ort ist, an dem Elemente geschoben oder herausgeschoben werden.

Ein Stapel wird in Computern normalerweise durch einen Block von Speicherzellen dargestellt, wobei sich der „untere“ an einer festen Stelle befindet und der Stapelzeiger die Speicheradresse der aktuellen „oberen“ Zelle im Stapel enthält. Die obere und untere Terminologie werden verwendet, unabhängig davon, ob der Stapel tatsächlich in Richtung niedrigerer Speicheradressen oder in Richtung höherer Speicheradressen wächst.

Wenn man ein Element auf den Stapel schiebt, wird der Stapelzeiger um die Größe des Elements angepasst, also entweder dekrementiert oder inkrementiert, abhängig von der Richtung, in der der Stapel im Speicher wächst, indem er auf die nächste Speicherzelle zeigt und das neue oberste Element in den Stapelbereich kopiert. Abhängig von der genauen Implementierung kann der Stapelzeiger am Ende einer Push-Operation auf die nächste nicht verwendete Position im Stapel oder auf das oberste Element im Stapel zeigen. Wenn der Stapel auf das aktuell oberste Element zeigt, wird der Stapelzeiger aktualisiert, bevor ein neues Element auf den Stapel verschoben wird. Wenn es auf die nächste verfügbare Position im Stapel zeigt, wird es aktualisiert, nachdem das neue Element auf den Stapel verschoben wurde.

Illustration mini|hochkant=1.5|Skizze eines Stapels

Ein Stapelspeicher ist mit einem Stapel von Umzugskisten vergleichbar. Es kann immer eine neue Kiste oben auf den Stapel gepackt werden (entspricht push) oder eine Kiste von oben heruntergenommen werden (entspricht pop). Der Zugriff ist im Regelfall nur auf das oberste Element des Stapels möglich. Ein Hinzufügen oder Entfernen einer Kiste weiter unten im Stapel ist nicht möglich. Es gibt aber in manchen Implementierungen Befehle, um die obersten Elemente zu vertauschen (SWAP, ROT).

Geschichte Die Verwendung eines Stapelspeichers zur Übersetzung von Programmiersprachen wurde 1957 von Friedrich L. Bauer und Klaus Samelson unter dem Namen „Kellerprinzip“ patentiertFriedrich L. Bauer, Gerhard Goos: Informatik. Eine einführende Übersicht. Erster Teil. 3. Auflage. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11722-9, S. 222. „Die Bezeichnung ‚Keller‘ hierfür wurde von Bauer und Samelson in einer deutschen Patentanmeldung vom 30. März 1957 eingeführt.“ und etwa zur selben Zeit unabhängig vom australischen Philosophen Charles Hamblin entwickelt. Die lange ausgebliebene internationale Anerkennung und Ehrung ihrer Leistung erfolgte erst im Jahr 1988. Bauer erhielt den renommierten Computer Pioneer Award (IEEE) für Computer Stacks. Samelson war bereits 1980 verstorben.

Anwendungen Mit Stapelspeichern kann man Terme und Syntaxen einfach auf richtige Verschachtelung prüfen. Dies wird oft z. B. bei der Verarbeitung von BB-Codes und XML-Dokumenten benötigt.

Mikroprozessoren In Mikroprozessoren gibt es oft ein spezielles Register, den Stackpointer (Stapelzeiger). Dieses Register enthält eine Speicheradresse, die auf den aktuellen Stapeleintrag (des aktuellen Prozesses) zeigt. Viele Befehle/Operationen des Mikroprozessors nutzen diesen Stapeleintrag. Unter anderem gibt es Befehle, mit denen man in den Stack schreiben (z. B. push beim x86-Prozessor) oder von ihm lesen kann (z. B. pop). Dabei wird automatisch der Stapelzeiger verringert oder erhöht.

Die Operation Jump To Subroutine (Sprung in ein Unterprogramm) legt auf dem Stack die Rücksprungadresse ab, die später von der Operation Return From Subroutine verwendet wird. Unterprogrammen bzw. Funktionen, wie man sie aus Programmiersprachen wie C kennt, werden die Parameter über den Stack übergeben, der auch die Rückgabewerte aufnimmt. Außerdem werden lokale Variablen auf dem Stack gespeichert. Dies erlaubt unter anderem Rekursion, das Aufrufen einer Funktion aus ebendieser Funktion heraus. Wird bei der Rückkehr aus einer Funktion nur ein Eintrag zu viel oder zu wenig ausgelesen, führt dies zu besonders gravierenden Programmfehlern, da der Prozessor dann versuchen wird, Code an völlig zufälliger Speicherposition auszuführen. Durch das Ausnutzen einer nicht korrekt behandelten Größenangabe der Daten können Angreifer versuchen, einen Pufferüberlauf zu produzieren, der den Stack so verändert, dass durch Umleiten des Rücksprungs bösartiger Code ausgeführt wird.

Bei den meisten Prozessoren beginnt der Stapel bei einer hohen Adresse und wird in Richtung der Adresse 0 gestapelt. Das bedeutet, dass bei push der Stapelzeiger vermindert und etwas in den Stack geschrieben wird und bei pop vom Stack gelesen und der Stapelzeiger erhöht wird. Der Stapel wächst „nach unten“, in Richtung niedrigerer Speicheradressen. Dies ist historisch begründet: Legt man bei begrenztem Speicher den Stack unterhalb des Speicherplatzes, der von den Programmen benutzt wird, können so andere Programmdaten, die normal hinter dem Programm abgelegt werden, den Stapel nicht so leicht überschreiben und der Stapel nicht das Maschinenprogramm. Des Weiteren kann so das oberste Element auf dem Stapel immer mit dem Offset Null (relativ zum Stapelzeiger) adressiert werden und das Hinzufügen eines Elements auf dem Stack ist möglich ohne die Größe des bisher obersten Elements zu kennen.

In Multitasking-Systemen gibt es für jeden Prozess und innerhalb der Prozesse für jeden Thread einen eigenen Stapelspeicher. Beim Umschalten zwischen Prozessen bzw. Threads wird neben anderen Registern auch der jeweilige Stapelzeiger gespeichert und geladen.

Um Fehler in der Benutzung des Stacks durch einen „Unterlauf“ des Stapelzeigers aufzudecken, legen manche Betriebssysteme wie beispielsweise DOS oder CP/M (bei COM-Programmen) oder OSEK-OS als untersten Wert im Stapel die Sprungadresse einer Abbruch- oder Fehlerbehandlungsroutine ab. Holt der Prozessor durch einen Fehler in der Aufrufverschachtelung diese Adresse vom Stapel, kann gegebenenfalls noch auf den Ablauffehler reagiert werden. Manche Betriebssysteme können auch den Stapelspeicher während der Laufzeit vergrößern, was bei einem bereits sehr großen Stapel relativ viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Bei anderen Betriebssystemen hat der Programmierer selbst anzugeben, wie groß der Stack sein soll.

Um den Nutzungsgrad des meist begrenzten Stapelspeichers zu ermitteln, bedient man sich der sogenannten Wasserstands-Methode: Der gesamte für den Stapelspeicher reservierte Speicher wird mit einem fixen Datenmuster initialisiert und dann das Programm gestartet. Anhand der Bereiche, die nach einer gewissen Laufzeit noch das Initialisierungsmuster enthalten, kann festgestellt werden, wie viel Platz auf dem Stapel wirklich genutzt wurde.

Abstrakter Datentyp Bei der Implementierung eines Stapelspeichers als abstrakter Datentyp in einer einfach verketteten Liste wird der Zeiger auf Daten gespeichert, anstelle die Daten in jedem Knoten zu speichern. Das Programm weist den Speicher für die Daten zu und die Speicheradresse wird an den Stapelspeicher übergeben. Der Kopfknoten und die Datenknoten sind im abstrakten Datentyp gekapselt. Eine aufgerufene Funktion kann nur den Zeiger auf den Stapelspeicher sehen. Der Datentyp enthält auch einen Zeiger auf die Oberseite und den Zähler für die Anzahl der Elemente im Stapel.GeeksforGeeks: Abstract Data Types

struct StackNode { void *dataPointer; StackNode *link;

struct Stack { int count; StackNode *top;

Programmierung