"Что это" пришло в стек, "что это" вернулось обратно: абстрактный фундамент реальности
Возможно, в каком-то будущем вычислительное дело забудет про нули и единицы, а процессоры будут оперировать не байтами и словами, но пока все представлено двоичным миром и живет по его правилам. Что такое стек и где он применяется, - скорее всего, станет абсолютно не ясно. Еще в начале своего появления первый процессор имел регистры, а логика его работы нуждалась в памяти. В результате реализации простых идей стек «что это» стал де факто «так надо».
Функции, процессор, двоичная логика
Процессор управляет памятью и реализует логику циклического исполнения кода. Программа – это одна или набор функций, которые представляют собой последовательность операций: выбрать что-то, сделать так-то, положить туда-то. Операционная система - тоже код, более ответственный: ему поручено исполнять и контролировать другие программы.
Собственно функция (самостоятельный элемент алгоритма) - всего лишь последовательность двоичных операций. Программа отличается от функции тем, что реализует себя и координирует другие части кода.
Принято алгоритм разрабатывать в виде последовательности отдельных самостоятельных элементов. Каждый выполняет собственную (обычно только одну) функцию – это удобно для отладки, наглядно, практично. Такое программирование позволяет упростить процесс разработки, создавать библиотеки алгоритмов и использовать их в других проектах.
Передача и возврат управления
Программа вызывает функцию и, передавая ей данные, рассчитывает получить результат. Так исполнение другого участка кода инициируется извне, потому возврат управления должен быть осуществлен на следующую за вызовом операцию. Этим механизмом обеспечивается порядок исполнения кода и достижение результата программы в целом.
Код загружается в память и последовательно исполняется. Чтобы вызвать функцию (другой участок кода), используется стек. Что это? Память (и указатель к ней), отличающаяся от обычной тем, что каждый следующий элемент помещается над предыдущим. Потому, чтобы получить всякий, находящийся ниже, нужно взять и отработать все, что находятся над ним. Указатель всегда указывает на текущую позицию в стеке.
Изначально в стек попадает адрес возврата – адрес следующей за вызовом операции. Затем туда помещаются все необходимые для вызываемой функции данные. Вызванная функция выбирает данные, обрабатывает их, формирует результат и возвращает управление по последнему элементу стека. Команда: «стек, что это» перемещает указатель на предыдущее данное, а выбранное «это» поступает в обработку.
Регистры AX, BX, CX, DX, EX стали своего рода символами эпохи начала информационной эры, но SP и SS – это ее главный талисман. Как применяют стек в программировании? Примеры прошлого не станут памятниками архитектуры начала эры. Стек пришел в двоичный мир вместе со словами "функция" и "рекурсия" и растворился в общей логике развития практики программирования.
Сервировать данные, чтобы решить, что делать
Стековый механизм допускает многочисленные вызовы различных участков кода, в том числе и рекурсию: вызов функцией самой себя. Есть естественные ограничения: размеры памяти под стек и под код должны быть достаточными. Если программа корректна, то ее исполнение будет стабильным, передача/возврат управления - точными.
Стек заполняется, как тарелки ложатся в стопку, которая отправляется сервировать стол. Судьба тарелок, то есть их наполнение, решается в месте, куда она передана. По логике взаимодействия, команда «стек, что это» дает заранее согласованное данное между тем, кто вызвал, и тем, кого он вызвал. По завершении процесса важно вернуть управление по адресу, следующему за тем, что отправил стопку на стол.
Очень простая и эффективная логика. Что делается на столе, как принимается решение – дело функции, как она поступит с полученными данными – ее забота, на какой стол она отправит свою стопку данных – ее забота, главное в том, чтобы управление всегда возвращалось на следующую за вызовом операцию. Функция может вызвать саму себя, только если она допускает рекурсию, а рекурсия возможна только в том случае, если данные ложатся в стек.
Фундаментальные абстракции
Когда обыденное и практичное становится основой виртуально-перспективного, можно обоснованно рассчитывать на объективность и долгую жизнь последнего. Стопка тарелок дала жизнь стеку, а стек обеспечил работу процессоров, операционных систем, программ, функций и сферы высоких технологий в целом.
Классический случай, когда простое стало основой, но редкий случай, когда это можно оценить без пустых споров о синтаксисе, семантике, механизмах программирования и приоритетах в борьбе языков за выживание.
Переменная, как была ячейкой памяти, так и осталась ею по сей день, только вот представления о ней изменились. Уверенно пройдя сквозь пекло строгой типизации, они сегодня утверждают: что-то может быть чем угодно и занимать в реальной памяти что угодно, поскольку именно это уже совершенно не важно.
Операторы присваивания, условий, циклов, блоков… преобразились гораздо меньше в смысловом плане, ну а синтаксис уже давно не имеет значения. Борьба языков программирования за идеалы не дала шанс на победу одному из них. Инструмент (компилятор/интерпретатор/оболочка) обязан просто работать, быть стабильным и полнофункциональным, а как и что написать/использовать – забота программиста, а не автора языка.
Стек приобрел новое значение в этом глобальном процессе развития представлений и технологий. Переменные в том виде, в котором им быть удобно, наслаиваются друг на друга, а алгоритмы и операторы включаются друг в друга. Часто можно слышать о стеке протоколов, когда один обеспечивает работу другого.
Стек, функциональность и рекурсия - совсем не синонимы, но они прекрасно дополняют друг друга, позволяя создавать уникальные варианты представления и обработки информации.