JP2003271448A - スタック管理方法及び情報処理装置 - Google Patents

スタック管理方法及び情報処理装置

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JP2003271448A
JP2003271448A JP2002074732A JP2002074732A JP2003271448A JP 2003271448 A JP2003271448 A JP 2003271448A JP 2002074732 A JP2002074732 A JP 2002074732A JP 2002074732 A JP2002074732 A JP 2002074732A JP 2003271448 A JP2003271448 A JP 2003271448A
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area
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Masayuki Naganuma
政幸 長沼
Takeshi Eto
健 衛藤
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06F2212/00—Indexing scheme relating to accessing, addressing or allocation within memory systems or architectures
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、作業領域を効率的に使用することで
スタック拡張処理を実行可能なスタック記憶領域の管理
方法を提供することを目的とする。 【解決手段】スタック管理方法は、所定の記憶領域に一
時スタック格納領域を予め設け、主記憶空間内で現在ス
タック格納領域にオーバーフローが発生すると現在スタ
ック格納領域に連続するメモリ領域に一時スタック格納
領域を割り当て、一時スタック格納領域を作業領域とし
て使用することにより新たなスタック格納領域を確保し
て現在スタック格納領域に対するスタック拡張処理を実
行する各段階を含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータの記
憶領域の管理方式に関し、詳しくはスタックマシンアー
キテクチャにおけるスタック記憶領域の管理方式に関す
る。
【従来の技術】スタックマシンアーキテクチャは、演算
や操作の対象、作用、ローカル変数、引数、戻り値、ス
タックフレームの管理情報等を、記憶領域上に設けたス
タックに格納する。このようなスタックマシンアーキテ
クチャは比較的単純な構成で実現が容易であるために、
実際のレジスタアーキテクチャのハードウェア上にソフ
トウェアで仮想マシンとして実装されることが多かっ
た。
【０００２】例えば、ネットワークを介してプログラム
受信する場合等に悪意に基づくプログラムによりシステ
ムが致命的なダメージを受けることを避けるために、ネ
ットワーク外部からの攻撃に対する脆弱性を補う手段と
して、仮想的なマシンに仲介役を勤めさせる方法があ
る。仮想的なマシンは、外部から到来するプログラムを
仲介し、システムのクリティカルな部分に対するアクセ
スを拒否することによりシステムを保護する。このよう
な仮想的なマシンは、Ｊａｖａ仮想マシンに代表される
ように、スタックマシンアーキテクチャに基づいて容易
に構成することが出来る。
【０００３】また最近では、より高速なプログラムの実
行や省資源による実行環境の実現を目的として、ハード
ウェアとして直接スタックマシンアーキテクチャを実現
することもなされている。
【０００４】スタックを無限に連続した領域としてメモ
リ上に確保或いはハードウェア実装することは現実には
困難であるので、メモリ上に有限の領域をまず確保す
る。この際、スタックに必要な容量はスタック格納領域
の確保時に知ることはできないので、所定の領域をメモ
リ上に確保することになる。以降、処理が進むにつれて
スタックフレームが順次積み上げられる。最初に確保し
た領域を超えて更なるスペースをスタックとして使用す
る場合には、新たにスタック領域を確保することが必要
になる。この状態をスタックオーバーフローと呼ぶ。
【０００５】マルチスレッドやマルチタスクを実現する
システムでは、同時に複数の処理を時分割処理によって
実行している。このスレッド或いはタスク間の処理は基
本的に非同期であり、それぞれのスレッドがスタック格
納領域を独立に消費していく。従って、各スレッドはそ
れぞれ独立したスタック格納領域を保持している必要が
ある。同時に複数のスレッドが存在すると共に主記憶の
容量が限られているので、スタック格納領域として各ス
レッドが最大必要とする充分な記憶領域を確保しておく
ことは出来ない。従って、スタックオーバーフローが発
生することは避けることが出来ない。
【０００６】スタックオーバーフローが発生した時、処
理を継続するために、スタック格納領域を拡張するスタ
ック拡張処理が実行される。スタック拡張処理において
は、主記憶からより大きな連続した空き領域を探した
り、スタックオーバーフロー発生前のスタックの内容を
新たに獲得したスタック格納領域に移動したり、複数の
スタックフレームからなるスタックを適当なサイズに分
割したりする処理が行われる。このスタック拡張処理
は、通常のプログラム実行と同様にスタック領域を使っ
て実行するので、そのために使用する作業領域をスタッ
ク領域として提供する必要がある。
【発明が解決しようとする課題】従来、スタック拡張処
理が使用する作業領域を、現在確保してあるスタック格
納領域のスタックの一部として割り当てている。即ち、
現在確保して使用中であるスタック格納領域内の最後の
部分を作業領域として割り当て、スタック格納領域にお
いてこの作業領域以外の部分を使い切ると、スタックオ
ーバーフローが発生したとしてスタック拡張処理を実行
する。この場合、本来の処理に必要なスタック容量に加
えてスタック拡張処理が使用する作業領域を含めて、ス
タック格納領域を確保することになる。
【０００７】前述のようにマルチスレッドやマルチタス
クの場合、各スレッド或いはタスク毎にそれぞれ独立し
たスタック格納領域を保持している。従ってこの場合、
スレッド或いはタスクの数をｎとすると、ｎ個のスタッ
ク拡張処理用の作業領域が、実際に必要となるか否かに
関わらず常にメモリ内に確保されていることになる。こ
れは、システムの限られた資源である主記憶の有効利用
という観点から好ましくない。
【０００８】以上を鑑みて、本発明は、作業領域を効率
的に使用することでスタック拡張処理を実行可能なスタ
ック記憶領域の管理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】本発明によるスタック管
理方法は、所定の記憶領域に一時スタック格納領域を予
め設け、主記憶空間内で現在スタック格納領域にオーバ
ーフローが発生すると該現在スタック格納領域に連続す
るメモリ領域に該一時スタック格納領域を割り当て、該
一時スタック格納領域を作業領域として使用することに
より新たなスタック格納領域を確保して該現在スタック
格納領域に対するスタック拡張処理を実行する各段階を
含むことを特徴とする。
【０００９】上記発明においては、現在スタック格納領
域を使用している現在実行中のプロセスにおいてスタッ
クオーバーフローが発生すると、主記憶のメモリ空間内
或いは別のメモリ空間内に確保されている一時スタック
格納領域を、現在スタック格納領域に連続する領域に割
り付けるようにアドレス変換が実行される。即ちＣＰＵ
からメモリ空間を見ると、論理アドレス空間上では現在
スタック格納領域と一時スタック格納領域とが連続す
る。一時スタック格納領域が配置されると、この一時ス
タック格納領域を作業領域として使用してスタック拡張
処理を実行する。従って、従来のようにスタック拡張処
理のための作業領域をスタック格納領域内に確保してお
く必要が無くなる。また各プロセスにおいてスタックオ
ーバーフローが発生するたびに一時スタック格納領域を
順次利用すればよいので、複数のプロセスで時分割共有
する単一の一時スタック格納領域を用意しておけばよ
く、作業領域を効率的に使用しながらスタック拡張処理
を実行することが可能になる。
【００１０】また本発明による情報処理装置は、主記憶
空間を構成する主記憶ユニットと、該主記憶空間に設け
た現在スタック格納領域を利用して処理を実行する実行
ユニットと、該現在スタック格納領域にオーバーフロー
が発生すると該実行ユニットからのオーバーフロー通知
に応じて該現在スタック格納領域に連続するメモリ領域
に一時スタック格納領域を割り当てるアドレス変換ユニ
ットを含み、該実行ユニットは、該一時スタック格納領
域を作業領域として使用することにより新たなスタック
格納領域を確保して該現在スタック格納領域に対するス
タック拡張処理を実行することを特徴とする。
【００１１】上記の構成のように、物理アドレスと論理
アドレスとの間の変換を行うアドレス変換ユニットを設
けることで、主記憶のメモリ空間内或いは別のメモリ空
間に存在する一時スタック格納領域を現在スタック格納
領域に連続する領域に割り当てることが可能になる。従
って、従来のようにスタック拡張処理のための作業領域
をスタック格納領域内に確保しておく必要が無くなる。
また複数のプロセスで時分割共有する単一の一時スタッ
ク格納領域を用意しておけばよく、作業領域を効率的に
使用しながらスタック拡張処理を実行することが可能に
なる。
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例を添付の
図面を用いて詳細に説明する。
【００１２】本発明の原理は、現在確保しているスタッ
ク格納領域内にスタック拡張処理用の作業領域を設ける
ことなく、スタック格納領域内の全てを使いきるとスタ
ックオーバーフローが発生したとして、主記憶のメモリ
空間内或いは別のメモリ空間内に確保されている作業領
域を使用してスタック拡張処理を実行する。スタック拡
張処理が実行終了し、新たなスタック格納領域への移動
が終了すると、スタック拡張処理用の作業領域は、別の
スレッド或いはタスクによる次のスタック拡張処理のた
めに使用可能である。このスタック拡張処理用の作業領
域を、一時スタック格納領域と呼ぶ。
【００１３】図１は、本発明によるスタック記憶領域の
管理の原理を説明するための図である。
【００１４】図１において、主記憶メモリ空間１０に
は、現在実行の対象となっているスタック格納領域であ
る現在スタック格納領域１１が、１つのプロセス（又は
スレッド或いはタスク）に対して確保されている。現在
スタック格納領域１１には、このような現在スタック格
納領域１１が複数のプロセスに対して設けられてよい。
図１においては、対象のプロセスの処理が進みスタック
内容が増大すると、スタックが上方に向けて伸長する。
【００１５】図１は、既に使用されている領域である占
有領域１２が、現在スタック格納領域１１の伸張方向に
存在する状態を示している。この占有領域１２には、現
在スタック格納領域１１に対応するプロセス以外のプロ
セスのデータが格納されている可能性があり、現在実行
中のプロセスが侵してはならない領域である。
【００１６】現在スタック格納領域１１を使用している
現在実行中のプロセスにおいてスタックオーバーフロー
が発生すると、主記憶のメモリ空間内或いは別のメモリ
空間内に確保されている一時スタック格納領域１３を、
現在スタック格納領域１１に連続する領域に割り付ける
ようにアドレス変換が実行される。図２は、アドレス変
換により一時スタック格納領域１３が現在スタック格納
領域１１に連続するように配置されている状態を示す。
ＣＰＵからメモリ空間を見ると、図２に示されるように
各領域が配置されており、一時スタック格納領域１３と
オーバーラップしている占有領域１２部分にはアクセス
することが出来ない。従って、スタック拡張処理によっ
て占有領域１２の内容が破壊されることは無い。
【００１７】一時スタック格納領域１３が配置される
と、この一時スタック格納領域１３を作業領域として使
用してスタック拡張処理を実行する。即ち、現在スタッ
ク格納領域１１より大きな連続した空き領域を主記憶メ
モリ空間１０内で探したり、スタックオーバーフロー発
生前のスタックの内容を新たに獲得したスタック格納領
域に移動したり、複数のスタックフレームからなるスタ
ックを適当なサイズに分割したりする処理を実行する。
【００１８】例えば現在スタック格納領域１１より大き
な連続した空き領域を主記憶メモリ空間１０内に確保す
る場合には、図１に拡張処理後スタック格納領域１４と
して示すように、新たなスタック格納領域を確保し、現
在スタック格納領域１１の内容を拡張処理後スタック格
納領域１４に移動することで、拡張処理後スタック格納
領域１４を以降の処理において現在スタック格納領域と
して使用する。
【００１９】この拡張処理後スタック格納領域１４は、
論理空間上で連続した領域であれば物理空間上で連続し
た領域である必要はなく、複数の空き領域をリストによ
り纏めたチェーン構造であってもよい。またスタックの
内容を実際に新たなスタック格納領域に移動しても構わ
ないし、新たなスタック格納領域を現在スタック格納領
域１１に連続するようにメモリ管理機構によりアドレス
制御してもよい。
【００２０】スタック拡張処理が完了した後は、一時ス
タック格納領域１３の割付を終了することで、現在スタ
ック格納領域１１に隣接する占有領域１２の部分をアク
セス可能にする。従ってその後は、占有領域１２に通常
にアクセスすることが可能になる。
【００２１】以上のように、スタックオーバーフロー時
に占有領域１２が現在スタック格納領域１１の伸張方向
に隣接していたとしても、一時スタック格納領域１３を
割り付けて作業領域として使用することで、スタック拡
張処理を実行することが出来る。従って、従来のように
スタック拡張処理のための作業領域をスタック格納領域
内に確保しておく必要が無くなる。また各プロセスにお
いてスタックオーバーフローが発生するたびに一時スタ
ック格納領域１３を順次利用すればよいので、複数のプ
ロセスで時分割共有する単一の一時スタック格納領域１
３を用意しておけばよく、作業領域を効率的に使用しな
がらスタック拡張処理を実行することが可能になる。
【００２２】図３は、一時スタック格納領域を主記憶メ
モリ空間上に配置した場合を示す図である。
【００２３】スタックオーバーフローが発生すると、ア
ドレス変換が行われ、一時スタック格納領域１３が現在
スタック格納領域１１に連続する。前述のようにメモリ
空間は、ＣＰＵからは図２のように見える。
【００２４】図４は、図３のように一時スタック格納領
域を主記憶メモリ空間上に配置するための構成を示す図
である。
【００２５】図４に示すように、実行ユニット２１と主
記憶ユニット２３との間にアドレス変換ユニット２２を
設ける。アドレス変換ユニット２２は、実行ユニット２
１が使用する論理アドレスと主記憶ユニット２３の物理
アドレスとの間でアドレスを変換する。
【００２６】スタックオーバーフロー発生時には、実行
ユニット２１からスタックオーバーフロー通知をアドレ
ス変換ユニット２２に供給する。アドレス変換ユニット
２２は、これに応答して主記憶ユニット２３の主記憶メ
モリ空間１０の一部である一時スタック格納領域１３を
現在スタック格納領域１１にリンクするようにアドレス
変換を実行する。
【００２７】図５は、一時スタック格納領域を主記憶メ
モリ空間上に配置する構成の一例を示す図である。
【００２８】図３において、一時スタック格納領域１３
は例えば所定のアドレスに固定的に割り当てられてい
る。それに対して図５においては、一時スタックポイン
タ１５に一時スタック格納領域１３を示すポインタ（一
時スタック格納領域１３のアドレス）を格納する構成と
なっている。このような構成とすることで、システムの
都合に応じて、一時スタック格納領域１３を主記憶メモ
リ空間１０内で移動することが可能になる。
【００２９】図６は、現在スタック格納領域を現在スタ
ックポインタで管理する構成の一例を示す図である。
【００３０】図６の構成においては、現在スタックポイ
ンタ１６に現在スタック格納領域１１を示すポインタ
（現在スタック格納領域１１のアドレス）を格納する構
成となっている。スタック拡張処理によってスタックフ
レーム（スタックの内容）を完全に一時スタック格納領
域或いは拡張処理後スタック格納領域に移動した後であ
れば、現在スタックポインタ１６に格納されるポインタ
を変更するという単純な操作によって、現在スタック格
納領域１１の主記憶メモリ空間１０内での位置を随時変
更することができる。図７は、現在スタックポインタ１
６による現在スタック格納領域１１の移動を説明する図
である。図７に示されるように、現在スタック格納領域
１１のデータを拡張処理後スタック格納領域１４に転送
し、その後現在スタックポインタ１６のポインタを書き
換えることで、現在スタックポインタ１６が拡張処理後
スタック格納領域１４を指し示すように設定する。これ
により現在スタック格納領域１１は開放され、以後の処
理においては、拡張処理後スタック格納領域１４が現在
スタック格納領域１１として利用される。
【００３１】図８は、一時スタック格納領域を主記憶メ
モリ空間とは別のメモリ空間で構成した場合を示す図で
ある。
【００３２】図８においては、一時スタックレジスタ１
７を設け、このレジスタにより一時スタック格納領域１
３を実現する。このように主記憶ユニットとは別の高速
レジスタにより一時スタック格納領域１３を構成するこ
とで、スタック拡張処理を高速に実行することが可能に
なる。
【００３３】図９は、図８のように一時スタック格納領
域を一時スタックレジスタで実現するための構成を示す
図である。
【００３４】図９に示すように、実行ユニット２１と主
記憶ユニット２３との間にアドレス変換ユニット２２を
設ける。アドレス変換ユニット２２は、実行ユニット２
１が使用する論理アドレスと主記憶ユニット２３の物理
アドレスとの間でアドレスを変換する。また一時スタッ
クレジスタ１７がアドレス変換ユニット２２に接続され
る。アドレス変換ユニット２２はマルチプレクサ３１を
含み、主記憶ユニット２３と一時スタックレジスタ１７
との間でアクセス先を切換可能となっている。
【００３５】スタックオーバーフロー発生時には、実行
ユニット２１からスタックオーバーフロー通知をアドレ
ス変換ユニット２２に供給する。アドレス変換ユニット
２２のマルチプレクサ３１は、これに応答してマッピン
グ先を主記憶ユニット２３から一時スタックレジスタ１
７に切り替えることで、一時スタック格納領域１３への
アクセスを可能にする。
【００３６】図１０は、一時スタックレジスタを構成す
る高速レジスタの容量が十分でない場合にキャッシュを
利用した構成を示す図である。図１０において、図９と
同一の構成要素は同一の番号で参照され、その説明は省
略する。
【００３７】図１０の構成では、図９の構成に加え、連
想制御ユニット２４が一時スタックレジスタ１７と主記
憶ユニット２３との間に設けられている。この連想制御
ユニット２４によって、一時スタックレジスタ１７を主
記憶ユニット２３のキャッシュメモリとして使用するこ
とが可能になる。即ち使用頻度の高いデータを高速アク
セスが可能な一時スタックレジスタ１７に格納してお
き、キャッシュミスが発生したときには主記憶ユニット
２３にアクセスするように制御する。このように構成す
ることで、高速な一時スタックレジスタ１７を用意して
高速動作を実現すると共に、一時スタックレジスタ１７
として必要になる最大容量を用意することなく適度なメ
モリ容量を確保しておけばよく、コスト及び実装面積と
性能とのバランスを考慮した構成とすることが出来る。
【００３８】図１１は、連想制御により一時スタックレ
ジスタのマッピングをする場合のメモリ空間の構成を示
す図である。
【００３９】図１１に示されるように、現在スタックポ
インタ１６に現在スタック格納領域１１を示すポインタ
（現在スタック格納領域１１のアドレス）を格納すると
共に、連想一時スタックポインタ１８に連想一時スタッ
ク格納領域１９を示すポインタ（連想一時スタック格納
領域１９のアドレス）を格納する構成となっている。
【００４０】このような構成とすることで、システムの
都合に応じて、連想一時スタック格納領域１９を主記憶
メモリ空間１０内で容易に移動することが可能になる。
また現在スタックポインタ１６に格納されるポインタを
変更するという単純な操作によって、現在スタック格納
領域１１の主記憶メモリ空間１０内での位置を随時変更
することが出来る。
【００４１】以上、本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特
許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能であ
る。
【発明の効果】本発明においては、現在スタック格納領
域を使用している現在実行中のプロセスにおいてスタッ
クオーバーフローが発生すると、主記憶のメモリ空間内
或いは別のメモリ空間内に確保されている一時スタック
格納領域を、現在スタック格納領域に連続する領域に割
り付けるようにアドレス変換が実行される。一時スタッ
ク格納領域が配置されると、この一時スタック格納領域
を作業領域として使用してスタック拡張処理を実行す
る。
【００４２】従って、従来のようにスタック拡張処理の
ための作業領域をスタック格納領域内に確保しておく必
要が無くなる。また各プロセスにおいてスタックオーバ
ーフローが発生するたびに一時スタック格納領域を順次
利用すればよいので、複数のプロセスで時分割共有する
単一の一時スタック格納領域を用意しておけばよく、作
業領域を効率的に使用しながらスタック拡張処理を実行
することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスタック記憶領域の管理の原理を
説明するための図である。
【図２】アドレス変換により一時スタック格納領域が現
在スタック格納領域に連続するように配置されている状
態を示す図である。
【図３】一時スタック格納領域を主記憶メモリ空間上に
配置した場合を示す図である。
【図４】図３のように一時スタック格納領域を主記憶メ
モリ空間上に配置するための構成を示す図である。
【図５】一時スタック格納領域を主記憶メモリ空間上に
配置する構成の一例を示す図である。
【図６】現在スタック格納領域を現在スタックポインタ
で管理する構成の一例を示す図である。
【図７】現在スタックポインタによる現在スタック格納
領域の移動を説明する図である。
【図８】一時スタック格納領域を主記憶メモリ空間とは
別のメモリ空間で構成した場合を示す図である。
【図９】図８のように一時スタック格納領域を一時スタ
ックレジスタで実現するための構成を示す図である。
【図１０】一時スタックレジスタを構成する高速レジス
タの容量が十分でない場合にキャッシュを利用した構成
を示す図である。
【図１１】連想制御により一時スタックレジスタのマッ
ピングをする場合のメモリ空間の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１ 現在スタック格納領域 １２ 占有領域 １３ 一時スタック格納領域 １４ 拡張処理後スタック格納領域

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所定の記憶領域に一時スタック格納領域を
    予め設け、 主記憶空間内で現在スタック格納領域にオーバーフロー
    が発生すると該現在スタック格納領域に連続するメモリ
    領域に該一時スタック格納領域を割り当て、 該一時スタック格納領域を作業領域として使用すること
    により新たなスタック格納領域を確保して該現在スタッ
    ク格納領域に対するスタック拡張処理を実行する各段階
    を含むことを特徴とするスタック管理方法。
  2. 【請求項２】該現在スタック格納領域に対するスタック
    拡張処理を終了すると該メモリ領域への一時スタック格
    納領域の割り当てを終了することを特徴とする請求項１
    記載のスタック管理方法。
  3. 【請求項３】該一時スタック格納領域は該主記憶空間内
    の所定のアドレスに設けられることを特徴とする請求項
    １記載のスタック管理方法。
  4. 【請求項４】該一時スタック格納領域を該主記憶空間内
    に設け該一時スタック格納領域の指し示すアドレスポイ
    ンタを設けることを特徴とする請求項１記載のスタック
    管理方法。
  5. 【請求項５】該現在スタック格納領域を指し示すアドレ
    スポインタを設けることを特徴とする請求項１記載のス
    タック管理方法
  6. 【請求項６】該一時スタック格納領域は該主記憶空間を
    構成するメモリとは別の高速レジスタに設けられること
    を特徴とする請求項１記載のスタック管理方法。
  7. 【請求項７】主記憶空間を構成する主記憶ユニットと、 該主記憶空間に設けた現在スタック格納領域を利用して
    処理を実行する実行ユニットと、 該現在スタック格納領域にオーバーフローが発生すると
    該実行ユニットからのオーバーフロー通知に応じて該現
    在スタック格納領域に連続するメモリ領域に一時スタッ
    ク格納領域を割り当てるアドレス変換ユニットを含み、
    該実行ユニットは、該一時スタック格納領域を作業領域
    として使用することにより新たなスタック格納領域を確
    保して該現在スタック格納領域に対するスタック拡張処
    理を実行することを特徴とする情報処理装置。
  8. 【請求項８】該一時スタック格納領域は該主記憶空間の
    所定のアドレスに設けられることを特徴とする請求項７
    記載の情報処理装置。
  9. 【請求項９】該一時スタック格納領域を設ける一時スタ
    ックレジスタを更に含むことを特徴とする請求項７記載
    の情報処理装置。
  10. 【請求項１０】該一時スタックレジスタと該主記憶ユニ
    ットとを接続する連想制御ユニットを更に含むことを特
    徴とする請求項７記載の情報処理装置。
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