تفاوت استک و هیپ: کدام برای تخصیص حافظه بهتر است؟

استک و هیپ از دو مهم‌‌ترین بحث‌های علوم کامپیوتر و برنامه‌نویسی هستند که دانستن آنها برای علاقه‌مندان به حوزه برنامه‌نویسی مهم است. در ادامه همراه کداکسپلور باشید تا به طور تخصصی با هر دو آشنا بشیم و تفاوت این دو را بررسی کنیم. در برنامه‌نویسی دو موضوعی هستند که شاید برای اولین بار به گوشتان بخورند، کامل متوجه آن‌ها نشوید. استک و هیپ از مثال‌هایی هستند که ذاتا آسان هستند اما ممکن است در مواجه‌ی اول باعث سردرگمی شوند. اما نگران نباشید! امروز با هم کامل به توضیح این دو میپردازیم. به طور کلی، استک و هیپ از دو مکانیزم ذخیره داده روی حافظه کامپیوتر هستند. باید گفت که هر دو هر کدام نقطه قوت و ضعفی دارند و برای انتخاب باید به سناریو و روند الگوریتم نگاهی داشته باشیم.

حافظه استک چیست؟

شاید در حال مشاهده دوره برنامه‌نویسی C و یا هر زبانی نسبتا سطح پایینی هستید که با این اصطلاح آشنا می‌شوید. در واقع برای ذخیره سازی متغیر‌های محلی و اطالاعات مربوط به فراخوانی(Call) توابع، از استک استفاده میکنیم. اینطور می‌توانید در نظر بگیرید که هر موقع که یک تابع فراخوانی می‌شود، یک بلوک جدید در استک ایجاد می‌شود که شامل اطلاعاتی در مورد آن تابع است. استک را در واقع می‌توانید ظرف بزرگی در نظر بگیرید که در آن ظرف‌های کوچک‌تری هست. در واقع تمام نکته استک این هست که اولین ظرفی که میگذارید(Push) آخرین ظرفی هست که برمیدارید(Pop).

ویژگی‌های کلیدی استک

به طور کلی، می‌توانیم استک را در چند مورد توصیف کنیم:

• تخصیص و آزادسازی خودکار: مدیریت حافظه در استک به‌صورت خودکار انجام می‌شود.
• سرعت بالا: دسترسی به داده‌ها در استک بسیار سریع است.
• محدودیت اندازه: استک دارای ظرفیت محدودی است و در صورت استفاده بیش از حد ممکن است با خطای Stack Overflowمواجه شوید.
• امنیت بیشتر: داده‌های استک فقط توسط همان رشته (Thread) قابل دسترسی هستند.

مثال استفاده از استک در کد

void myFunction() {
    int localVariable = 10;
    // انجام عملیات
} // localVariable پس از این نقطه از بین می‌رود

حافظه هیپ چیست؟

حال نوبت به حافظه هیپ میرسد. دقیقا بر خلاف استک، شما می‌توانید به طور دستی حافظه بگیرید و بعد آزاد کنید. این نوع حافظه برای داده‌های خیلی بزرگ با طول زمان استفاده نامشخص کاربرد دارد. دراختیار داشتن حافظه در طول اجرای برنامه (Runtime)، گسترش داده با سهول بیشتر، ذخیره دیتاهای پیچیده‌تر مثل اشیا‌ء(objects) و لینک‌لیست‌ها از مباحثی هستند که با حافظه هیپ قابل اجرا هستند.

ویژگی‌های کلیدی هیپ

• تخصیص پویا: امکان تخصیص حافظه در زمان اجرا با اندازه دلخواه.
• انعطاف‌پذیری بالا: مناسب برای ساختارهای داده پیچیده مانند درخت‌ها و لیست‌های پیوندی.
• مدیریت دستی حافظه: برنامه‌نویس مسئول تخصیص و آزادسازی حافظه است.
• سرعت کمتر: دسترسی به داده‌ها در هیپ کندتر از استک است.

مثال استفاده از هیپ در کد

int* myArray = new int[10];
// انجام عملیات
delete[] myArray; // آزادسازی حافظه

مدیریت خودکار حافظه با Garbage Collection

بعد از گرفتن حافظه، اگر شما دیگر نیازی به آن‌ها نداشته باشید باید آن‌ها را پس بدید. در صورتی که پس ندهید در واقع یک یا چندین خانه حافظه را به هدر دادید. در زبان‌هایی مثل ++C/C شما باید به صورت دستی حافظه را آزاد کنید. و عموما مشکلات حافظه، از اشتباهات برنامه‌نویس شروع می‌شود. برای جلوگیری از اشتباهات، در زبان‌های مدرنی مانند جاوا و سی شارپ مکانیزمی به نام Garbage Collection گنجانده شده تا خود سیستم بعد از اتمام کار، حافظه را آزاد کند. این مکانیزم، اجازه می‌دهد که برنامه‌نویس‌ها دیگر نیازی نداشته باشند که به صورت دستی حافظه ‌را آزاد کنند.

به زبان ساده‌تر این مکانیزم، از وقوع نشت حافظه یا Memory Leak جلوگیری می‌کند. اما یک پیشنهاد:

اگر چه GC به طور خودکار عمل می‌کند، اما درک بهتر از عملکرد آن و بهینه‌سازی کد می‌تواند شما را یک قدم جلوتر هم بندازد.

اما اگر به هر دلیلی استک و هیپ نتوانند خط قرمز همدیگر را رعایت کنند و یا به زبان ساده‌تر حریم همدیگر نشناسند می‌تواند دو سناریو مختلف پیش بیاید:

اگر استک وارد هیپ شود:

وقتی استک بزرگ شود، ممکن است به فضای هیپ نفوذ کند و داده‌های آن را خراب کند. در سیستم‌های جدید مکانیزمی به نام صفحات محافظ (Guard Pages) وجود دارد که جلوی این اتفاق را می‌گیرد و یک خطای حافظه می‌دهد.

هیپ وارد استک شود:

اگر هیپ هم بیش از حد مجاز رشد کند و وارد فضای استک شود، دستوری مانند malloc() دیگر نمی‌تواند حافظه بگیرد و Null برمی‌گرداند. در واقع از اشتباه جلوگیری می‌شود، اما اینکه در ادامه برنامه‌نویس Null را مدیریت نکند می‌تواند باعث کرش شود.

نکته: در بیشتر سیستم‌های امروزی، این مشکلات به‌خوبی کنترل می‌شوند. اما در برنامه‌های پیچیده یا سیستم‌های با منابع محدود، هنوز ممکن است این اتفاق بیفتد. پس تقریبا می‌تواند خیالتان راحت باشد.

ویژگی‌های کلیدی Garbage Collection:

• مدیریت خودکار حافظه: برنامه‌نویس نیازی به مدیریت دستی تخصیص و آزادسازی حافظه ندارد.
• افزایش پایداری برنامه: با حذف منابع بی‌استفاده، نشت حافظه کاهش می‌یابد.
• قابل بهینه‌سازی: می‌توان با تنظیمات مناسب، کارایی GC را برای برنامه‌های سنگین بهبود بخشید.

تفاوت استک و هیپ

حال برای تفهیم بهتر فرق استک و هیپ، این دو را در یک جدول مقایسه کردیم:

چه زمانی از استک یا هیپ استفاده کنیم؟

• استک: برای متغیرهای محلی و داده‌هایی که طول عمر کوتاهی دارند و نیاز به مدیریت دستی حافظه ندارند.
• هیپ: برای داده‌های بزرگ یا ساختارهایی که نیاز به تخصیص حافظه پویا دارند و طول عمر آن‌ها فراتر از یک تابع است.

پرسش‌های متداول

نتیجه‌گیری

در این مقاله، سعی کردیم به خوب هر دو را معرفی کنیم و تفاوت‌های این دو را بررسی کنیم. اگر سوالی داشتید حتما در بخش نظرات بپرسید!

منبع عکس اصلی: Medium
دیگر منابع:

• What and where are the stack and heap
• Stack vs Heap Memory Allocation
• Stack vs Heap Memory – Difference Between Them
• What and Where Are the Memory Stack and Heap