呼叫堆疊

呼叫堆疊（英語：Call stack，中國大陸稱調用堆棧）別稱有：執行棧（execution stack）、控制棧（control stack）、運行時棧（run-time stack）與機器棧（machine stack），是電腦科學中存儲有關正在執行的子程式的訊息的堆疊。英文有時直接簡稱「棧」（the stack），但堆疊中不一定僅存儲子程式訊息。幾乎所有電腦程式都依賴於呼叫堆疊，而高階語言一般將呼叫堆疊的細節隱藏至後台。

呼叫堆疊最經常被用於存放子程式的返回位址。在呼叫任何子程式時，主程式都必須暫存子程式執行完畢後應該返回到的位址。因此，如果被呼叫的子程式還要呼叫其他的子程式，其自身的返回位址就必須存入呼叫堆疊，在其自身執行完畢後再行取回。在遞迴程式中，每一層次遞迴都必須在呼叫堆疊上增加一條位址，因此如果程式出現無限遞迴（或僅僅是過多的遞迴層次），呼叫堆疊就會產生堆疊溢位。

功能

主條目：基於堆棧的內存分配

呼叫堆疊的主要功能是存放返回位址。除此之外，呼叫堆疊還用於存放：

• 局部數據存儲：子程式的本地變數可以存入呼叫堆疊，這樣可以達到不同子程式間變數分離開的作用。
• 參數傳遞：如果暫存器不足以容納子程式的參數，可以在呼叫堆疊上存入參數。
• 包圍子程式上下文：有些語言（如Pascal與Ada）支援嵌套子程式（英語：Nested function），即子程式中可以利用包圍子程式的本地變數，亦稱其為非本地變數（英語：Non-local variable）。這些變數可以通過呼叫堆疊鏈接入子程式。

結構

調用棧由棧幀（stack frame）組成，它們也叫做「活動記錄」或「活動幀」。它們是機器依賴（英語：Machine-dependent software）並且ABI依賴的數據結構，包含了子例程狀態信息。每個棧幀對應於一個子例程的仍未通過返回來完成的一次調用^[1]。在堆棧頂部的棧幀對應當前執行例程。例如，一個叫做DrawLine的子例程當前正在運行，它被子例程DrawSquare所調用，右側圖示中給出了調用棧的頂部狀況。

棧解繞

用父指針樹（英語：Parent pointer tree）表示的麵條式堆棧，其中黑色的是「活躍」棧幀。

從被調用函數返回會彈出堆棧的頂部幀，並可能留下返回的一個值。更一般性的動作是從堆棧彈出一個或多個幀，從而恢復在程序中其它某處的執行，這叫做棧解繞（unwind），並且在使用了非局部控制結構的時候必須進行，比如例外處理。在這種情況下，一個函數的棧幀包含了指定例外處理器的一個或多個入口（entry）。在一個例外被拋出的時候，堆棧被解繞直到找到了準備處理（接住）這個拋出例外類型的一個處理器。

一些語言有要求一般性解繞的其他控制結構。Pascal允許使用全局性的goto語句，將控制從嵌套的函數傳送出來並進入此前調用的外面的函數。這個操作要求堆棧被解繞，為了恢復正確的上下文，從而將控制傳送給包圍它的外面函數中的目標語句，需要移除多少棧幀就移除多少。與之類似，C語言有setjmp與longjmp函數充當非局部跳轉，它們分別保存和恢復：棧指針、程序計數器、由被調用者保存的寄存器和ABI要求的任何其他內部狀態。在編寫可移植的C++代碼之時，不應信賴執行非局部跳轉會發生正常的堆棧解繞來進行所要的清理動作。

Common Lisp允許通過使用unwind-protect特殊算子，控制在堆棧被解繞時都要做些什麼。在支持續體的編程語言比如Scheme和新澤西Standard ML中，在應用續體的時候，堆棧在邏輯上被解繞並重繞（rewind）上這個續體的堆棧，接着盤繞（wind）上要傳遞的那一個值。實現續體可以採用多種策略，例如通過使用多個顯式的堆棧，應用一個續體可以簡單的停用或捨棄當前堆棧並激活這個續體的堆棧。Scheme語言提供了對續體調用進行「保護」的dynamic-wind，只要控制離開或進入它所界定範圍，包括通過應用續體這種非局部跳轉方式，在分別對控制棧「解繞」或「重繞」的特定點上，都會執行任意指定的thunk（英語：thunk）。

在支持續體的編程語言和執行棧可以在運行時檢查並修改的編程語言比如Smalltalk和Cilk中，在必須支持續體的時候，一個函數的局部變量在這個函數返回時不能被銷毀：一個保存了的續體可以在往後時重入（re-enter）這個函數，並且不僅期望其中的變量不變動，而且期望整個調用序列的棧幀都存在使得這個函數能再次返回。要解決這個問題，棧幀可以在父指針樹（英語：Parent pointer tree）結構中動態分配，並在不再有續體引用的時候，將其留作垃圾回收。這種類型的結構還解決了上行和下行的函數參數問題（英語：funarg problem），因為在這種基底上很容易實現頭等詞法閉包。由棧幀鏈接起來而實現的這種實際運行棧，也被稱為「麵條式堆棧」^[2]，它包含了變量綁定和其他環境特徵。

安全性

主條目：棧緩衝區溢出

在較底層語言（如組合語言與C語言中），程式控制訊息與資料可能一同被存入呼叫堆疊中，因此造成安全隱患，可能允許惡意程式通過棧緩衝區溢出（stack buffer overflow）來獲取程式的控制權。

參見

• 記憶體管理
• 堆疊溢位
• 調用約定
• 協程
• 負載 (計算)（英語：Overhead (computing)）
• 父指針樹（英語：Parent pointer tree）
• 基於堆棧的內存分配
• 堆疊結構機器
• 棧追蹤