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本記事の信頼性
- リアルタイムシステムの研究歴12年．
- 東大教員の時に，英語でOS（Linuxカーネル）の授業．
- 2012年9月～2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）コンピュータサイエンス学部で客員研究員として勤務．C言語でリアルタイムLinuxの研究開発．
- プログラミング歴15年以上，習得している言語: C/C++，Python，Solidity/Vyper，Java，Ruby，Go，Rust，D，HTML/CSS/JS/PHP，MATLAB，Verse（UEFN）, Assembler (x64，ARM)．
- 東大教員の時に，C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」，C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」をGitHubにオープンソースとして公開．
- 2020年1月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務．2022年6月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO．
- 最近は自然言語処理AIとイーサリアムに関する有益な情報発信に従事．
- （AI全般を含む）自然言語処理AIの論文の日本語訳や，AIチャットボット（ChatGPT，Auto-GPT，Gemini（旧Bard）など）の記事を50本以上執筆．アメリカのサンフランシスコ（広義のシリコンバレー）の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance（QA）の業務委託の経験あり．
- （スマートコントラクトのプログラミングを含む）イーサリアムや仮想通貨全般の記事を200本以上執筆．イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり．
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目次
スタック
スタックとは，データを後入れ先出し（LIFO：Last In First Out）で保持するデータ構造です．
スタックには，2つの基本操作のプッシュ（push）とポップ（pop）があります．
pushは指定されたデータをスタックの先頭に追加し，既存のデータはその下にそのまま保持します．
これに対して，popはスタックの現在の先頭のデータを削除し，そのデータを返します．
スタックの利用例は以下になります．
- 関数の呼び出し前に仮引数の格納
- 関数の呼び出し後に呼び出し元のレジスタの退避や復帰
他のデータ構造を知りたいあなたはこちらからどうぞ．
C言語のスタック
C言語によるスタックのコードは以下になります．
スタックの動作がわかります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #define STACK_SIZE 128 struct stack { int data[STACK_SIZE]; size_t num; }; void init(struct stack *s) { size_t i; for (i = 0; i < STACK_SIZE; i++) { s->data[i] = 0; } s->num = 0; } void print(struct stack *s) { size_t i; printf("print(): "); if (s->num == 0) { printf("EMPTY"); } else { for (i = 0; i < s->num; i++) { printf("%d ", s->data[i]); } } printf("\n"); } int push(struct stack *s, int data) { if (s->num >= STACK_SIZE) { fprintf(stderr, "Error: cannot push data to stack.\n"); return 1; } s->data[s->num++] = data; return 0; } int pop(struct stack *s, int *data) { if (s->num == 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot pop data from stack.\n"); return 1; } *data = s->data[--s->num]; return 0; } void clear(struct stack *s) { int data; while (s->num > 0) { pop(s, &data); } init(s); } int main(void) { struct stack stack; int i; int data; init(&stack); for (i = 1; i <= 5; i++) { printf("push %d\n", i); push(&stack, i); print(&stack); } for (i = 1; i <= 2; i++) { if (pop(&stack, &data) == 0) { printf("pop %d\n", data); } print(&stack); } for (i = 10; i <= 13; i++) { printf("push %d\n", i); push(&stack, i); print(&stack); } for (i = 1; i <= 3; i++) { if (pop(&stack, &data) == 0) { printf("pop %d\n", data); } print(&stack); } clear(&stack); return 0; } |
実行結果は以下になります．
スタックは後入れ先出しでデータを操作していることがわかります．
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$ gcc stack.c $ a.out push 1 print(): 1 push 2 print(): 1 2 push 3 print(): 1 2 3 push 4 print(): 1 2 3 4 push 5 print(): 1 2 3 4 5 pop 5 print(): 1 2 3 4 pop 4 print(): 1 2 3 push 10 print(): 1 2 3 10 push 11 print(): 1 2 3 10 11 push 12 print(): 1 2 3 10 11 12 push 13 print(): 1 2 3 10 11 12 13 pop 13 print(): 1 2 3 10 11 12 pop 12 print(): 1 2 3 10 11 pop 11 print(): 1 2 3 10 |
x86-64の命令セットアーキテクチャでスタックを操作するpush/pop命令
x86-64の命令セットアーキテクチャでは，スタックのpush/pop操作を行うpush/pop命令があります．
C言語からアセンブリ言語のファイルを出力する場合，GCCでは-Sオプションを利用します．
C言語のstack.cファイルからアセンブリ言語のstack.sファイルを作成し，catコマンドでstack.sの中身を表示する方法は以下になります．
例えば，5～31行目のinit関数では，9行目にpushq命令（push命令の64ビット版），28行目にpopq命令（pop命令の64ビット版）を実行していることがわかります．
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$ gcc stack.c -S $ cat stack.s .file "stack.c" .text .globl init .type init, @function init: .LFB0: .cfi_startproc endbr64 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 movq %rdi, -24(%rbp) movq $0, -8(%rbp) jmp .L2 .L3: movq -24(%rbp), %rax movq -8(%rbp), %rdx movl $0, (%rax,%rdx,4) addq $1, -8(%rbp) .L2: cmpq $127, -8(%rbp) jbe .L3 movq -24(%rbp), %rax movq $0, 512(%rax) nop popq %rbp .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE0: .size init, .-init .section .rodata .LC0: .string "print(): " .LC1: .string "EMPTY" .LC2: .string "%d " .text .globl print .type print, @function print: .LFB1: .cfi_startproc endbr64 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 subq $32, %rsp movq %rdi, -24(%rbp) leaq .LC0(%rip), %rax movq %rax, %rdi movl $0, %eax call printf@PLT movq -24(%rbp), %rax movq 512(%rax), %rax testq %rax, %rax jne .L5 leaq .LC1(%rip), %rax movq %rax, %rdi movl $0, %eax call printf@PLT jmp .L6 .L5: movq $0, -8(%rbp) jmp .L7 .L8: movq -24(%rbp), %rax movq -8(%rbp), %rdx movl (%rax,%rdx,4), %eax movl %eax, %esi leaq .LC2(%rip), %rax movq %rax, %rdi movl $0, %eax call printf@PLT addq $1, -8(%rbp) .L7: movq -24(%rbp), %rax movq 512(%rax), %rax cmpq %rax, -8(%rbp) jb .L8 .L6: movl $10, %edi call putchar@PLT nop leave .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE1: .size print, .-print .section .rodata .align 8 .LC3: .string "Error: cannot push data to stack.\n" .text .globl push .type push, @function push: .LFB2: .cfi_startproc endbr64 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 subq $16, %rsp movq %rdi, -8(%rbp) movl %esi, -12(%rbp) movq -8(%rbp), %rax movq 512(%rax), %rax cmpq $127, %rax jbe .L10 movq stderr(%rip), %rax movq %rax, %rcx movl $34, %edx movl $1, %esi leaq .LC3(%rip), %rax movq %rax, %rdi call fwrite@PLT movl $1, %eax jmp .L11 .L10: movq -8(%rbp), %rax movq 512(%rax), %rax leaq 1(%rax), %rcx movq -8(%rbp), %rdx movq %rcx, 512(%rdx) movq -8(%rbp), %rdx movl -12(%rbp), %ecx movl %ecx, (%rdx,%rax,4) movl $0, %eax .L11: leave .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE2: .size push, .-push .section .rodata .align 8 .LC4: .string "Error: cannot pop data from stack.\n" .text .globl pop .type pop, @function pop: .LFB3: .cfi_startproc endbr64 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 subq $16, %rsp movq %rdi, -8(%rbp) movq %rsi, -16(%rbp) movq -8(%rbp), %rax movq 512(%rax), %rax testq %rax, %rax jne .L13 movq stderr(%rip), %rax movq %rax, %rcx movl $35, %edx movl $1, %esi leaq .LC4(%rip), %rax movq %rax, %rdi call fwrite@PLT movl $1, %eax jmp .L14 .L13: movq -8(%rbp), %rax movq 512(%rax), %rax leaq -1(%rax), %rdx movq -8(%rbp), %rax movq %rdx, 512(%rax) movq -8(%rbp), %rax movq 512(%rax), %rdx movq -8(%rbp), %rax movl (%rax,%rdx,4), %edx movq -16(%rbp), %rax movl %edx, (%rax) movl $0, %eax .L14: leave .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE3: .size pop, .-pop .globl clear .type clear, @function clear: .LFB4: .cfi_startproc endbr64 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 subq $32, %rsp movq %rdi, -24(%rbp) movq %fs:40, %rax movq %rax, -8(%rbp) xorl %eax, %eax jmp .L16 .L17: leaq -12(%rbp), %rdx movq -24(%rbp), %rax movq %rdx, %rsi movq %rax, %rdi call pop .L16: movq -24(%rbp), %rax movq 512(%rax), %rax testq %rax, %rax jne .L17 movq -24(%rbp), %rax movq %rax, %rdi call init nop movq -8(%rbp), %rax subq %fs:40, %rax je .L18 call __stack_chk_fail@PLT .L18: leave .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE4: .size clear, .-clear .section .rodata .LC5: .string "push %d\n" .LC6: .string "pop %d\n" .text .globl main .type main, @function main: .LFB5: .cfi_startproc endbr64 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 subq $544, %rsp movq %fs:40, %rax movq %rax, -8(%rbp) xorl %eax, %eax leaq -528(%rbp), %rax movq %rax, %rdi call init movl $1, -532(%rbp) jmp .L20 .L21: movl -532(%rbp), %eax movl %eax, %esi leaq .LC5(%rip), %rax movq %rax, %rdi movl $0, %eax call printf@PLT movl -532(%rbp), %edx leaq -528(%rbp), %rax movl %edx, %esi movq %rax, %rdi call push leaq -528(%rbp), %rax movq %rax, %rdi call print addl $1, -532(%rbp) .L20: cmpl $5, -532(%rbp) jle .L21 movl $1, -532(%rbp) jmp .L22 .L24: leaq -536(%rbp), %rdx leaq -528(%rbp), %rax movq %rdx, %rsi movq %rax, %rdi call pop testl %eax, %eax jne .L23 movl -536(%rbp), %eax movl %eax, %esi leaq .LC6(%rip), %rax movq %rax, %rdi movl $0, %eax call printf@PLT .L23: leaq -528(%rbp), %rax movq %rax, %rdi call print addl $1, -532(%rbp) .L22: cmpl $2, -532(%rbp) jle .L24 movl $10, -532(%rbp) jmp .L25 .L26: movl -532(%rbp), %eax movl %eax, %esi leaq .LC5(%rip), %rax movq %rax, %rdi movl $0, %eax call printf@PLT movl -532(%rbp), %edx leaq -528(%rbp), %rax movl %edx, %esi movq %rax, %rdi call push leaq -528(%rbp), %rax movq %rax, %rdi call print addl $1, -532(%rbp) .L25: cmpl $13, -532(%rbp) jle .L26 movl $1, -532(%rbp) jmp .L27 .L29: leaq -536(%rbp), %rdx leaq -528(%rbp), %rax movq %rdx, %rsi movq %rax, %rdi call pop testl %eax, %eax jne .L28 movl -536(%rbp), %eax movl %eax, %esi leaq .LC6(%rip), %rax movq %rax, %rdi movl $0, %eax call printf@PLT .L28: leaq -528(%rbp), %rax movq %rax, %rdi call print addl $1, -532(%rbp) .L27: cmpl $3, -532(%rbp) jle .L29 leaq -528(%rbp), %rax movq %rax, %rdi call clear movl $0, %eax movq -8(%rbp), %rdx subq %fs:40, %rdx je .L31 call __stack_chk_fail@PLT .L31: leave .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE5: .size main, .-main .ident "GCC: (Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1) 11.2.0" .section .note.GNU-stack,"",@progbits .section .note.gnu.property,"a" .align 8 .long 1f - 0f .long 4f - 1f .long 5 0: .string "GNU" 1: .align 8 .long 0xc0000002 .long 3f - 2f 2: .long 0x3 3: .align 8 4: |
まとめ
C言語のスタックを紹介しました．
具体的には，C言語のスタックと，x86-64のアセンブリ言語におけるpush/pop命令の実例を解説しました．
スタックは，主に関数の呼び出しの時に利用されるので覚えておきましょう！
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