スタックの仕組み

AsmWalker ガイド — メモリとスタックポインタの動きを理解する

1. スタックとは何か

スタック（stack）は「後入れ先出し（LIFO: Last In, First Out）」のデータ構造です。 本を積み上げる場面を想像してください。一番上に置いた本を最初に取り出せます。

積む（PUSH）: A → B → C と順に積む
取り出す（POP）: C → B → A の順に取り出せる

プログラムの実行中は、この LIFO 構造を使ってローカル変数・戻り先アドレス・保存レジスタなどを 一時的に保持します。

2. スタックはメモリのどこにあるか

プログラムが使うメモリは大まかに次のような領域に分かれています。

高アドレス ↑
┌─────────────────────────┐
│  スタック（stack）        │  ← 関数のローカル変数・戻りアドレスなど
│   ↓（使うほど下に伸びる）  │
│                          │
│  ヒープ（heap）           │  ← malloc など動的確保
│   ↑（使うほど上に伸びる）  │
│                          │
│  データ領域（.data）      │  ← グローバル変数・static 変数
│  コード領域（.text）      │  ← 命令列
└─────────────────────────┘
低アドレス ↓

スタックは高アドレスから低アドレス方向に伸びるという点が重要です。 値を積むたびにアドレスが小さくなっていきます。

3. PUSH と POP の正体

PUSH / POP は見た目はシンプルですが、内部では SP の移動 + メモリの読み書き の 2ステップが起きています。

; PUSH {r4} の展開:
sub sp, sp, #4    ; SP -= 4
str r4, [sp]      ; [SP] ← r4

; POP {r4} の展開:
ldr r4, [sp]      ; r4 ← [SP]
add sp, sp, #4    ; SP += 4

; push rbp の展開:
sub rsp, 8        ; RSP -= 8
mov [rsp], rbp    ; [RSP] ← rbp

; pop rbp の展開:
mov rbp, [rsp]    ; rbp ← [RSP]
add rsp, 8        ; RSP += 8

ARM では 1 レジスタ = 4 バイト（32bit）、x86-64 では 1 レジスタ = 8 バイト（64bit）なので、 SP の増減量が異なります。

4. スタックポインタ（SP / RSP）

スタックポインタは「現在スタックのどこまで使っているか」を示すレジスタです。

SP は常に「最後に積んだ値のアドレス」を指しています（Full Descending スタック）。 値を積む前に SP を下げ、その位置に書き込むのがお作法です。

スタックの状態変化を追う

以下は ARM での PUSH/POP のメモリ状態の例です。

5. 関数がスタックを使う理由

関数がスタックを必要とする主な場面は 3 つです。

1. ローカル変数の保存 — 関数内で宣言した変数を一時的に置く場所
2. 戻り先アドレスの保存 — 関数から戻るときの行き先（x86: call が自動で積む）
3. レジスタの退避（callee-save） — 呼び出し先が使ったレジスタを壊さないよう、元の値をスタックに退避する

これらを合わせたメモリ領域ひとまとまりを「スタックフレーム（stack frame）」と呼びます。 関数が呼び出されるたびに新しいフレームが積まれ、関数から戻るときに破棄されます。

main → FuncA → FuncB と呼ばれたときのスタック

3段階のネスト呼び出しが行われると、スタックには下の図のように 3 つのフレームが積み上がります。 一番最初に呼ばれた main のフレームが高アドレス側にあり、 現在実行中の FuncB のフレームが最も低アドレス側にあります。

6. ローカル変数の確保と解放

ローカル変数用の領域は SP をずらすだけで確保できます。 malloc のようなシステムコールは不要で、非常に高速です。

push {fp, lr}       ; FP, LR を保存
add  fp, sp, #4     ; フレームポインタ設定
sub  sp, sp, #8     ; ローカル変数 8 バイト確保

; ... 関数の処理 ...

sub  sp, fp, #4     ; SP を元に戻す（解放）
pop  {fp, pc}       ; FP 復元、PC = 戻り先

push rbp             ; RBP を保存
mov  rbp, rsp        ; フレームポインタ設定
sub  rsp, 16         ; ローカル変数 16 バイト確保

; ... 関数の処理 ...

leave                ; mov rsp, rbp; pop rbp
ret                  ; 戻り先へジャンプ

「解放」とはスタックポインタを動かすだけ

スタックの解放はSP を元の位置に戻すだけです。メモリ上の値はクリアされません。

確保: sub rsp, 16  ; RSP を 16 下げる → その領域が「使用中」
解放: add rsp, 16  ; RSP を 16 上げる → その領域が「空き」扱いになる
                   ; ※ メモリ上の値はそのまま残っている

int* bad() {
    int x = 42;
    return &x;  // 危険: 関数終了後はゴミ値になる
}

ローカル変数へのアクセス方法

確保した領域にある変数は、フレームポインタ（FP / RBP）からのオフセットで参照するのが基本です。

; int x = 3; をスタックに保存する例（x86-64）
mov  DWORD PTR [rbp-4], 3   ; x は rbp - 4 に配置

; int y = 5; をスタックに保存する例
mov  DWORD PTR [rbp-8], 5   ; y は rbp - 8 に配置

7. スタックオーバーフロー

スタック領域には上限があります。深い再帰や巨大なローカル変数でスタックが限界を超えると、 スタックオーバーフロー（stack overflow）が発生してプログラムがクラッシュします。

// 再帰が深すぎる例（すぐにスタックオーバーフロー）
void infinite(void) {
    int buf[1024];    // 毎回 4KB をスタックに確保
    infinite();       // 戻らずに再帰 → SP が際限なく下がる
}

ARM Cortex-M などの組み込み環境では数 KB しかスタックがないことも多く、 深い再帰や大きな配列のローカル変数には注意が必要です。

8. まとめ