کتابخونه : بخوانیم و یاد بگیریم

مدیریت حافظه و تخصیص دینامیک در ++C

مدیریت حافظه یکی از مسائل حیاتی در زبان‌های برنامه‌نویسی است که می‌تواند تأثیر زیادی بر کارایی و پایایی برنامه‌ها داشته باشد. در ++C، مدیریت حافظه به‌طور دستی انجام می‌شود. این یعنی شما باید خودتان تصمیم بگیرید که چه زمانی حافظه را تخصیص دهید و چه زمانی آن را آزاد کنید. تخصیص دینامیک حافظه در ++C به شما این امکان را می‌دهد که حافظه را در زمان اجرا (runtime) درخواست کنید.

۱. تخصیص دینامیک حافظه

در ++C، برای تخصیص دینامیک حافظه از اپراتورهای new و delete استفاده می‌کنیم. این اپراتورها به شما امکان می‌دهند که حافظه را در زمان اجرای برنامه و به‌طور دستی تخصیص و آزاد کنید.

۱.۱ تخصیص حافظه با new

اپراتور new برای تخصیص حافظه به یک متغیر یا آرایه به‌طور دینامیک استفاده می‌شود.

تخصیص حافظه برای یک متغیر:

undefined

int* ptr = new int; // تخصیص حافظه برای یک عدد صحیح
*ptr = 10; // مقداردهی به آن
cout << *ptr << endl; // نمایش مقدار
تخصیص حافظه برای یک آرایه:

undefined

int* arr = new int[5]; // تخصیص حافظه برای آرایه‌ای از 5 عدد صحیح
arr[0] = 1;
arr[1] = 2;
arr[2] = 3;
arr[3] = 4;
arr[4] = 5;

for (int i = 0; i < 5; ++i) {
cout << arr[i] << " ";
}
cout << endl;

در این مثال، حافظه برای یک متغیر از نوع int و یک آرایه از نوع int به‌طور دینامیک تخصیص داده می‌شود.

۱.۲ آزادسازی حافظه با delete

برای آزادسازی حافظه‌ای که با new تخصیص داده شده است، از اپراتور delete استفاده می‌کنیم. در غیر این صورت، حافظه اختصاصی به درستی آزاد نمی‌شود و منجر به نشت حافظه (Memory Leak) می‌شود.

آزادسازی حافظه یک متغیر:

undefined

delete ptr; // آزادسازی حافظه تخصیص‌یافته برای ptr
آزادسازی حافظه یک آرایه:

undefined

delete[] arr; // آزادسازی حافظه تخصیص‌یافته برای آرایه

مثال کامل تخصیص و آزادسازی حافظه:

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

    // تخصیص حافظه برای یک متغیر

    int* num = new int;

    *num = 20;

    cout << "مقدار متغیر: " << *num << endl;

    // تخصیص حافظه برای آرایه‌ای از اعداد

    int* arr = new int[3];

    arr[0] = 10;

    arr[1] = 20;

    arr[2] = 30;

    cout << "مقادیر آرایه: ";

    for (int i = 0; i < 3; ++i) {

        cout << arr[i] << " ";

    }

    cout << endl;

    // آزادسازی حافظه

    delete num;  // آزادسازی حافظه متغیر

    delete[] arr;  // آزادسازی حافظه آرایه

    return 0;

}

در این برنامه، حافظه به‌طور دینامیک برای یک متغیر و یک آرایه تخصیص داده شده و سپس آزاد می‌شود.

۲. نکات مهم در تخصیص دینامیک حافظه

۲.۱ نشت حافظه (Memory Leak)

یکی از مشکلات رایج در برنامه‌های ++C که از تخصیص دینامیک حافظه استفاده می‌کنند، نشت حافظه است. این مشکل زمانی رخ می‌دهد که حافظه تخصیص‌یافته آزاد نشود و در نتیجه برنامه مقدار زیادی حافظه را بی‌استفاده نگه دارد. این امر می‌تواند باعث کاهش عملکرد برنامه یا حتی خرابی آن شود.

۲.۲ تخصیص و آزادسازی حافظه در کلاس‌ها

در صورتی که از حافظه دینامیک در داخل کلاس‌ها استفاده می‌کنید، باید در سازنده (constructor) حافظه تخصیص داده شده را ایجاد کنید و در ویرایشگر (destructor) آن را آزاد کنید. این به شما کمک می‌کند که از نشت حافظه جلوگیری کنید.

مثال:

#include <iostream>

using namespace std;

class MyClass {

private:

    int* arr;

public:

    MyClass(int size) {

        arr = new int[size];  // تخصیص حافظه

    }

    ~MyClass() {

        delete[] arr;  // آزادسازی حافظه

    }

    void set(int index, int value) {

        arr[index] = value;

    }

    void print(int size) {

        for (int i = 0; i < size; ++i) {

            cout << arr[i] << " ";

        }

        cout << endl;

    }

};

int main() {

    MyClass obj(5);

    obj.set(0, 10);

    obj.set(1, 20);

    obj.set(2, 30);

    obj.set(3, 40);

    obj.set(4, 50);

    obj.print(5);

    return 0;

}

در این مثال، کلاس MyClass یک آرایه از نوع int را به‌طور دینامیک تخصیص می‌دهد و در ویرایشگر خود حافظه تخصیص‌یافته را آزاد می‌کند.

۳. تفاوت تخصیص استاتیک و دینامیک حافظه

تخصیص استاتیک حافظه: حافظه در زمان کامپایل تخصیص داده می‌شود. برای مثال، زمانی که یک متغیر محلی یا یک آرایه ثابت تعریف می‌کنید، حافظه به‌طور استاتیک تخصیص می‌یابد.

undefined

int num = 10; // تخصیص استاتیک حافظه

تخصیص دینامیک حافظه: حافظه در زمان اجرا تخصیص داده می‌شود و باید به‌صورت دستی آزاد شود. این نوع تخصیص معمولاً زمانی مفید است که اندازه داده‌ها در زمان کامپایل مشخص نباشد.

۴. استفاده از حافظه با اشاره‌گرهای هوشمند (Smart Pointers)

در ++C11 به بعد، برای مدیریت بهتر حافظه و جلوگیری از نشت حافظه، از اشاره‌گرهای هوشمند استفاده می‌شود. این اشاره‌گرها به‌طور خودکار حافظه را آزاد می‌کنند وقتی که دیگر به آن‌ها نیازی نباشد.

std::unique_ptr: اشاره‌گرهای منحصر به فرد که فقط یک اشاره‌گر به داده را نگه می‌دارند.
std::shared_ptr: اشاره‌گرهای مشترک که می‌توانند به همان داده از چندین مکان دسترسی داشته باشند.
std::weak_ptr: اشاره‌گرهایی که به داده اشاره می‌کنند، ولی به‌طور خودکار حافظه را آزاد نمی‌کنند.

استفاده از اشاره‌گرهای هوشمند به مدیریت حافظه به‌طور خودکار و امن کمک می‌کند.

نتیجه‌گیری

مدیریت حافظه در ++C یکی از مسائل حیاتی است که باید با دقت انجام شود. تخصیص دینامیک حافظه به‌وسیله new و آزادسازی آن با delete می‌تواند برنامه را انعطاف‌پذیرتر کند، اما در عین حال باید از نشت حافظه جلوگیری شود. همچنین، استفاده از اشاره‌گرهای هوشمند می‌تواند مدیریت حافظه را ساده‌تر و امن‌تر کند.