Saltar al contenido principal

La Máquina de Stack

En el núcleo de la máquina virtual de KodeChain late una implementación exquisita de máquina de stack, donde cada operación se convierte en una danza elegante de valores que entran y salen de una pila perfectamente organizada. Esta arquitectura, implementada en vm/core/stack.go, representa la culminación de décadas de investigación en computación eficiente.

Arquitectura Fundamental​

La Estructura del Stack​

type Stack struct {
    data []*big.Int  // Array de valores de 256 bits
    ptr  int         // Puntero al tope del stack (-1 = vacío)
}

El stack mantiene hasta 1024 elementos, cada uno un big.Int de 256 bits, permitiendo operaciones matemáticas precisas esenciales para aplicaciones financieras y criptográficas.

Inicialización y Límites​

func NewStack() *Stack {
    return &Stack{
        data: make([]*big.Int, MaxStackSize), // 1024 elementos
        ptr:  -1, // Stack vacío
    }
}

La inicialización establece un stack vacío con capacidad pre-asignada, optimizando rendimiento al evitar reallocaciones durante la ejecución.

Operaciones Básicas​

Push: Agregando al Stack​

func (s *Stack) Push(value *big.Int) error {
    if s.ptr >= MaxStackSize-1 {
        return errors.New("stack overflow")
    }

    s.ptr++
    s.data[s.ptr] = new(big.Int).Set(value) // Copia defensiva
    return nil
}

Cada push crea una copia del valor, previniendo mutaciones accidentales que podrían corromper el estado de la máquina virtual.

Pop: Removiendo del Stack​

func (s *Stack) Pop() (*big.Int, error) {
    if s.ptr < 0 {
        return nil, errors.New("stack underflow")
    }

    value := s.data[s.ptr]
    s.data[s.ptr] = nil // Limpiar referencia
    s.ptr--
    return value, nil
}

El pop no solo retorna el valor sino que también limpia la referencia, ayudando al garbage collector y previniendo fugas de memoria.

Peek: Inspeccionando sin Modificar​

func (s *Stack) Peek() (*big.Int, error) {
    if s.ptr < 0 {
        return nil, errors.New("stack empty")
    }
    return new(big.Int).Set(s.data[s.ptr]), nil
}

Peek permite inspeccionar el tope sin modificarlo, crucial para operaciones condicionales y debugging.

Operaciones Avanzadas​

Acceso por Profundidad​

func (s *Stack) PeekN(n int) (*big.Int, error) {
    if n < 0 || s.ptr-n < 0 {
        return nil, fmt.Errorf("invalid stack access at position %d", n)
    }
    return new(big.Int).Set(s.data[s.ptr-n]), nil
}

Esta función permite acceder a cualquier elemento del stack por su distancia desde el tope, esencial para operaciones complejas.

Intercambio de Elementos​

func (s *Stack) Swap(n int) error {
    if n < 1 || s.ptr-n < 0 {
        return fmt.Errorf("invalid swap position %d", n)
    }

    topIdx := s.ptr
    swapIdx := s.ptr - n

    s.data[topIdx], s.data[swapIdx] = s.data[swapIdx], s.data[topIdx]
    return nil
}

Swap intercambia el elemento del tope con el n-ésimo elemento, permitiendo reordenamientos eficientes del stack.

Duplicación de Elementos​

func (s *Stack) Dup(n int) error {
    if n < 1 || s.ptr-n+1 < 0 {
        return fmt.Errorf("invalid dup position %d", n)
    }

    value, err := s.PeekN(n - 1)
    if err != nil {
        return err
    }

    return s.Push(value)
}

Dup duplica el n-ésimo elemento desde el tope, esencial para operaciones que necesitan el mismo valor múltiples veces.

Gestión del Estado​

Longitud y Utilidad​

func (s *Stack) Len() int {
    return s.ptr + 1
}

Esta función retorna el número actual de elementos, útil para validaciones y debugging.

Reset Completo​

func (s *Stack) Reset() {
    for i := 0; i <= s.ptr; i++ {
        s.data[i] = nil // Limpiar todas las referencias
    }
    s.ptr = -1
}

Reset limpia completamente el stack, preparándolo para una nueva ejecución mientras ayuda al garbage collector.

Inspección para Debugging​

func (s *Stack) Data() []*big.Int {
    result := make([]*big.Int, s.ptr+1)
    for i := 0; i <= s.ptr; i++ {
        result[i] = new(big.Int).Set(s.data[i])
    }
    return result
}

Data proporciona una copia completa del stack para herramientas de debugging, sin comprometer la integridad del estado.

Seguridad por Diseño​

Prevención de Overflow​

if s.ptr >= MaxStackSize-1 {
    return errors.New("stack overflow")
}

Cada push verifica límites, previniendo ataques que podrían causar desbordamiento y corrupción de memoria.

Prevención de Underflow​

if s.ptr < 0 {
    return nil, errors.New("stack underflow")
}

Cada pop y peek verifica que haya elementos disponibles, previniendo lecturas inválidas.

Límites de Acceso​

if n < 0 || s.ptr-n < 0 {
    return nil, fmt.Errorf("invalid stack access at position %d", n)
}

Todas las operaciones de acceso por índice validan rangos, previniendo accesos fuera de límites.

Optimizaciones de Rendimiento​

Pre-asignación de Memoria​

data: make([]*big.Int, MaxStackSize)

La memoria se asigna una vez durante la inicialización, evitando costosas reallocaciones durante la ejecución.

Copias Defensivas​

s.data[s.ptr] = new(big.Int).Set(value)

Cada valor se copia al ingresar al stack, previniendo mutaciones accidentales desde fuera.

Limpieza de Referencias​

s.data[s.ptr] = nil

Las referencias se limpian al remover elementos, ayudando al garbage collector y previniendo retención innecesaria de memoria.

Representación y Debugging​

String Representation​

func (s *Stack) String() string {
    if s.ptr < 0 {
        return "Stack: []"
    }

    str := "Stack: ["
    for i := s.ptr; i >= 0; i-- {
        str += fmt.Sprintf("%s", s.data[i].String())
        if i > 0 {
            str += ", "
        }
    }
    str += "]"
    return str
}

Esta representación muestra el stack desde el tope hacia abajo, facilitando la comprensión del estado durante debugging.

El Rol del Stack en la Computación​

Modelo de Evaluación​

El stack implementa un modelo de evaluación postfix, donde operadores siguen a operandos:

PUSH 5    ; Stack: [5]
PUSH 3    ; Stack: [5, 3]
ADD       ; Stack: [8]

Eficiencia de Expresiones​

Esta arquitectura permite evaluar expresiones complejas con mínima memoria adicional y operaciones eficientes.

Seguridad Matemática​

Los 256 bits permiten operaciones precisas con números grandes, esenciales para:

  • Cálculos financieros
  • Operaciones criptográficas
  • Identificadores únicos
  • Timestamps de alta precisión

Integración con la VM​

Contexto de Ejecución​

type ExecutionContext struct {
    Stack   *Stack
    Memory  *Memory
    Storage *Storage
    // ... otros campos
}

El stack es parte integral del contexto de ejecución, coordinando con memoria y storage.

Ciclo de Ejecución​

Cada opcode interactúa con el stack:

func (vm *VM) opAdd(ctx *ExecutionContext) error {
    b, err := ctx.Stack.Pop()
    if err != nil {
        return err
    }
    a, err := ctx.Stack.Pop()
    if err != nil {
        return err
    }
    
    result := new(big.Int).Add(a, b)
    return ctx.Stack.Push(result)
}

El Arte de la Simplicidad​

El stack representa la belleza de la simplicidad computacional: con unas pocas operaciones básicas, se puede construir cualquier algoritmo imaginable. Su diseño minimalista esconde una potencia expresiva que ha impulsado lenguajes de programación durante décadas.

Cada push, pop, y operación aritmética es una nota en la sinfonía de la computación, creando armonía a partir de operaciones elementales perfectamente orquestadas.

En KodeChain, el stack no es solo una estructura de datos; es el puente entre la intención humana y la ejecución determinista, transformando código en realidad blockchain.