مدیریت حافظه، نقش مهمی را در برنامه نویسی ایفا می‌کند و بر عملکرد و کارآیی یک برنامه تاثیر می‌گذارد. این مقاله، مروری را بر سه نوع حافظه‌ی اصلی ارائه می‌کند: static memory, stack memory, heap . درک تفاوت بین این انواع حافظه‌ها می‌تواند به شما در بهینه سازی کد و جلوگیری از مشکلات احتمالی، کمک کند.
Static Memory
حافظه‌ی static برای ذخیره‌ی باینری‌های برنامه، متغیرهای استاتیک و حروف رشته‌ای (در Rust) استفاده میشود. اندازه‌ی حافظه استاتیک ثابت است و در زمان کامپایل مشخص میشود. حافظه‌ی استاتیک طول عمری برابر با عمر برنامه دارد و مقادیر آن از شروع، تا پایان برنامه، باقی می‌ماند. پاکسازی حافظه‌ی استاتیک به صورت خودکار انجام میشود و با پایان برنامه انجام میشود.
مواردی که در حافظه استاتیک قرار میگیرند :
Size :
Fixed ( محاسبه در زمان کامپایل )
Lifetime : برابر با طول عمر برنامه
پاکسازی : به صورت خودکار ؛ زمانی که برنامه متوقف میشود .
Stack Memory
حافظه‌ی پشته، مسئول نگهداری آرگومان‌های تابع و متغیرهای محلی است. پشته، شامل stack frames است که برای هر فراخوانی تابع در زنجیره‌ای از فراخوانی‌های تابع، ایجاد می‌شوند (به عنوان مثال، A B را فرا می‌خواند، B C را فرا می‌خواند). حافظه‌ی پشته به اندازه‌ی مشخصی در زمان کامپایل نیاز دارد؛ به این معنا که آرگومان‌ها و متغیرهای درون stack frames باید اندازه‌های از پیش تعیین شده‌ای داشته باشند. اندازه‌ی پشته، پویا است؛ اما دارای حد بالایی ثابتی است که در هنگام راه اندازی برنامه تعریف شده‌است. حافظه‌ی پشته، دارای طول عمری برابر با طول عمر عملکرد است و هنگامیکه عملکرد، نتیجه‌ای را بر می‌گرداند، پاکسازی آن خودکار است.
بیایید نگاهی به یک مثال ساده در Rust بیندازیم تا حافظه‌ی پشته را بهتر درک کنیم:
در این برنامه‌ی Rust، دو عملکرد add و main را داریم. هنگامیکه برنامه شروع به اجرا می‌کند، یک stack frames برای تابع اصلی در حافظه‌ی پشته ایجاد میشود. این stack frames شامل متغیرهای محلی a، b و فراخوانی تابع برای add(a, b) است.
هنگامیکه تابع add فراخوانی میشود، یک stack frames دیگر در بالای stack frames main موجود ایجاد میشود. این stack frames جدید حاوی متغیرهای محلی x، y و sum است. مقادیر a و b به عنوان آرگومان به تابع add ارسال می‌شوند و به ترتیب در x و y ذخیره می‌شوند. پس از محاسبه‌ی مجموع، تابع add، مقداری را بر می‌گرداند و stack frames آن به طور خودکار از حافظه‌ی پشته حذف میشود.
سپس تابع main، مقدار برگشتی را از تابع add دریافت می‌کند و به نتیجه‌ی متغیر اختصاص می‌یابد. از ماکروی println! برای چاپ نتیجه استفاده میشود. پس از اتمام اجرای برنامه و بازگشت تابع اصلی، stack frames آن نیز از حافظه‌ی پشته حذف میشود و حافظه به‌طور خودکار پاک میشود.
در این مثال، می‌توانید ببینید که چگونه از stack frames برای ذخیره‌ی آرگومان‌های تابع و متغیرهای محلی در Rust استفاده میشود. اندازه‌ی این متغیرها در زمان کامپایل مشخص میشود و طول عمر حافظه‌ی پشته، برابر با طول عمر تابع است. هنگامیکه تابع برمی‌گردد، فرآیند پاکسازی آن خودکار است و قاب پشته‌ی مربوطه را حذف می‌کند.
Heap Memory
حافظه‌ی Heap، مقادیری را ذخیره می‌کند که باید فراتر از طول عمر یک تابع مانند مقادیر بزرگ و مقادیر قابل دسترسی توسط رشته‌های متعدد، زنده بمانند. از آنجائیکه هر رشته دارای پشته‌ی مخصوص به خود است، همه‌ی آنها یک پشته‌ی مشترک دارند. حافظه‌ی Heap می‌تواند مقادیری با اندازه‌ی ناشناخته را در زمان کامپایل، در خود جای دهد؛ مانند رشته‌های ورودی کاربر. اندازه‌ی پشته نیز پویا است؛ با حد بالایی ثابت که در زمان راه اندازی برنامه تعیین میشود. حافظه‌ی Heap طول عمری دارد که توسط برنامه نویس تعیین میشود و برنامه نویس تصمیم می‌گیرد که چه زمانی باید حافظه تخصیص داده شود. پاکسازی حافظه‌ی هیپ به صورت دستی است و نیاز به مداخله‌ی برنامه نویس دارد.
در این مثال ساده، روش استفاده از حافظه‌ی پشته نشان داده میشود:
در این برنامه‌ی Rust، یک ساختار LargeData را تعریف می‌کنیم که حاوی <Vec<i32 است. این روش جدید، یک شیء LargeData را به اندازه‌ی مشخصی مقداردهی اولیه می‌کند. در تابع main، یک شیء LargeData را با اندازه (1,000,000 عنصر) ایجاد می‌کنیم و با استفاده از Rc::new روی پشته ذخیره می‌کنیم. Rc یک اشاره‌گر شمارش مرجع است که به چندین متغیر اجازه می‌دهد تا مالکیت داده‌های تخصیص داده شده را به اشتراک بگذارند (در ادامه‌ی دوره توضیح داده خواهد شد).
سپس دو متغیر دیگر را به نام‌های shared_data1 و shared_data2 ایجاد می‌کنیم که با استفاده از Rc::clone، یک شیء LargeData تخصیص‌یافته‌ی مشابه را به اشتراک می‌گذارند. این نشان می‌دهد که چگونه حافظه‌ی پشته را می‌توان در بین متغیرهای متعددی به اشتراک گذاشت؛ حتی فراتر از طول عمر تابع اصلی که داده را ایجاد کرده است.
در این مثال، پاکسازی حافظه‌ی پشته به طور خودکار توسط مکانیزم شمارش مرجع Rust مدیریت میشود (در ادامه‌ی دوره توضیح داده خواهد شد). هنگامیکه تعداد مرجع نشانگر Rc به صفر می‌رسد (یعنی وقتی همه‌ی متغیرهایی که داده‌ها را به اشتراک می‌گذارند از محدوده خارج می‌شوند)، حافظه‌ی تخصیص داده شده، روی پشته تخصیص داده میشود.
این مثال نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از حافظه‌ی پشته برای ذخیره‌ی ساختارهای داده یا مقادیر بزرگی استفاده کرد که باید بیشتر از طول عمر یک تابع باشند و چگونه می‌توان حافظه‌ی پشته را بین چندین متغیر به اشتراک گذاشت.
Static Memory
حافظه‌ی static برای ذخیره‌ی باینری‌های برنامه، متغیرهای استاتیک و حروف رشته‌ای (در Rust) استفاده میشود. اندازه‌ی حافظه استاتیک ثابت است و در زمان کامپایل مشخص میشود. حافظه‌ی استاتیک طول عمری برابر با عمر برنامه دارد و مقادیر آن از شروع، تا پایان برنامه، باقی می‌ماند. پاکسازی حافظه‌ی استاتیک به صورت خودکار انجام میشود و با پایان برنامه انجام میشود.
مواردی که در حافظه استاتیک قرار میگیرند :
- Program Binary
- Static variables
- String Literals (in Rust)
Size :
Fixed ( محاسبه در زمان کامپایل )
Lifetime : برابر با طول عمر برنامه
پاکسازی : به صورت خودکار ؛ زمانی که برنامه متوقف میشود .
حافظه‌ی پشته، مسئول نگهداری آرگومان‌های تابع و متغیرهای محلی است. پشته، شامل stack frames است که برای هر فراخوانی تابع در زنجیره‌ای از فراخوانی‌های تابع، ایجاد می‌شوند (به عنوان مثال، A B را فرا می‌خواند، B C را فرا می‌خواند). حافظه‌ی پشته به اندازه‌ی مشخصی در زمان کامپایل نیاز دارد؛ به این معنا که آرگومان‌ها و متغیرهای درون stack frames باید اندازه‌های از پیش تعیین شده‌ای داشته باشند. اندازه‌ی پشته، پویا است؛ اما دارای حد بالایی ثابتی است که در هنگام راه اندازی برنامه تعریف شده‌است. حافظه‌ی پشته، دارای طول عمری برابر با طول عمر عملکرد است و هنگامیکه عملکرد، نتیجه‌ای را بر می‌گرداند، پاکسازی آن خودکار است.
بیایید نگاهی به یک مثال ساده در Rust بیندازیم تا حافظه‌ی پشته را بهتر درک کنیم:
fn add(x: i32, y: i32) -> i32 {
let sum = x + y;
sum
}
fn main() {
let a = 5;
let b = 3;
let result = add(a, b);
println!("The sum is: {}", result);
} هنگامیکه تابع add فراخوانی میشود، یک stack frames دیگر در بالای stack frames main موجود ایجاد میشود. این stack frames جدید حاوی متغیرهای محلی x، y و sum است. مقادیر a و b به عنوان آرگومان به تابع add ارسال می‌شوند و به ترتیب در x و y ذخیره می‌شوند. پس از محاسبه‌ی مجموع، تابع add، مقداری را بر می‌گرداند و stack frames آن به طور خودکار از حافظه‌ی پشته حذف میشود.
سپس تابع main، مقدار برگشتی را از تابع add دریافت می‌کند و به نتیجه‌ی متغیر اختصاص می‌یابد. از ماکروی println! برای چاپ نتیجه استفاده میشود. پس از اتمام اجرای برنامه و بازگشت تابع اصلی، stack frames آن نیز از حافظه‌ی پشته حذف میشود و حافظه به‌طور خودکار پاک میشود.
در این مثال، می‌توانید ببینید که چگونه از stack frames برای ذخیره‌ی آرگومان‌های تابع و متغیرهای محلی در Rust استفاده میشود. اندازه‌ی این متغیرها در زمان کامپایل مشخص میشود و طول عمر حافظه‌ی پشته، برابر با طول عمر تابع است. هنگامیکه تابع برمی‌گردد، فرآیند پاکسازی آن خودکار است و قاب پشته‌ی مربوطه را حذف می‌کند.
Heap Memory
حافظه‌ی Heap، مقادیری را ذخیره می‌کند که باید فراتر از طول عمر یک تابع مانند مقادیر بزرگ و مقادیر قابل دسترسی توسط رشته‌های متعدد، زنده بمانند. از آنجائیکه هر رشته دارای پشته‌ی مخصوص به خود است، همه‌ی آنها یک پشته‌ی مشترک دارند. حافظه‌ی Heap می‌تواند مقادیری با اندازه‌ی ناشناخته را در زمان کامپایل، در خود جای دهد؛ مانند رشته‌های ورودی کاربر. اندازه‌ی پشته نیز پویا است؛ با حد بالایی ثابت که در زمان راه اندازی برنامه تعیین میشود. حافظه‌ی Heap طول عمری دارد که توسط برنامه نویس تعیین میشود و برنامه نویس تصمیم می‌گیرد که چه زمانی باید حافظه تخصیص داده شود. پاکسازی حافظه‌ی هیپ به صورت دستی است و نیاز به مداخله‌ی برنامه نویس دارد.
در این مثال ساده، روش استفاده از حافظه‌ی پشته نشان داده میشود:
use std::rc::Rc;
#[derive(Debug)]
struct LargeData {
data: Vec<i32>,
}
impl LargeData {
fn new(size: usize) -> LargeData {
LargeData {
data: vec![0; size],
}
}
}
fn main() {
let large_data = Rc::new(LargeData::new(1_000_000));
let shared_data1 = Rc::clone(&large_data);
let shared_data2 = Rc::clone(&large_data);
println!("{:?}", shared_data1);
println!("{:?}", shared_data2);
} سپس دو متغیر دیگر را به نام‌های shared_data1 و shared_data2 ایجاد می‌کنیم که با استفاده از Rc::clone، یک شیء LargeData تخصیص‌یافته‌ی مشابه را به اشتراک می‌گذارند. این نشان می‌دهد که چگونه حافظه‌ی پشته را می‌توان در بین متغیرهای متعددی به اشتراک گذاشت؛ حتی فراتر از طول عمر تابع اصلی که داده را ایجاد کرده است.
در این مثال، پاکسازی حافظه‌ی پشته به طور خودکار توسط مکانیزم شمارش مرجع Rust مدیریت میشود (در ادامه‌ی دوره توضیح داده خواهد شد). هنگامیکه تعداد مرجع نشانگر Rc به صفر می‌رسد (یعنی وقتی همه‌ی متغیرهایی که داده‌ها را به اشتراک می‌گذارند از محدوده خارج می‌شوند)، حافظه‌ی تخصیص داده شده، روی پشته تخصیص داده میشود.
این مثال نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از حافظه‌ی پشته برای ذخیره‌ی ساختارهای داده یا مقادیر بزرگی استفاده کرد که باید بیشتر از طول عمر یک تابع باشند و چگونه می‌توان حافظه‌ی پشته را بین چندین متغیر به اشتراک گذاشت.
