هیپ (Heap) و استک (Stack) در برنامه‌نویسی: تفاوت‌ها و مثال عملی با پایتون 🧠💻

وقتی برنامه‌ها اجرا می‌شوند، داده‌هایشان در دو ساختار اصلی استک (Stack) و هیپ (Heap) ذخیره می‌شوند. درک این دو مفهوم برای بهینه‌سازی حافظه و جلوگیری از خطاهای رایج مثل Stack Overflow یا Memory Leak ضروری است.

🏗️ استک (Stack): حافظهٔ سریع اما محدود

• ویژگی‌ها:

  • LIFO (Last In, First Out): آخرین داده‌ای که وارد می‌شود، اول خارج می‌شود.

  • ذخیرهٔ موقت: متغیرهای محلی، فراخوانی توابع و آدرس بازگشت.

  • سریع‌تر از هیپ: دسترسی و مدیریت آن توسط CPU بهینه‌تر است.

  • محدود در حجم: اگر پر شود، Stack Overflow رخ می‌دهد!

مثال در پایتون:

python

def factorial(n):
    if n == 1:
        return 1
    return n * factorial(n - 1)  # هر فراخوانی جدید یک لایه به استک اضافه می‌کند!

print(factorial(5))  # خروجی: 120

خطا در صورت عمق زیاد:
اگر factorial(10000) را فراخوانی کنید، ممکن است با RecursionError (استک پر شده) مواجه شوید!

🗃️ هیپ (Heap): حافظهٔ انعطاف‌پذیر اما کندتر

• ویژگی‌ها:

  • حافظهٔ پویا: اشیاء و داده‌های بزرگ در هیپ ذخیره می‌شوند.

  • مدیریت دستی (در برخی زبان‌ها): مثلاً در C/C++ باید حافظه را آزاد کرد، اما پایتون با Garbage Collector این کار را خودکار انجام می‌دهد.

  • دسترسی کندتر: نسبت به استک، مدیریت آن زمان‌بر است.

مثال در پایتون:

python

class Person:
    def __init__(self, name):
        self.name = name  # شیء Person در هیپ ذخیره می‌شود!

person1 = Person("Alice")  # داده در هیپ قرار می‌گیرد
person2 = Person("Bob")    # یک شیء جدید دیگر در هیپ

اشاره‌گرها در استک، داده‌ها در هیپ:

• متغیرهای person1 و person2 در استک ذخیره می‌شوند، اما اشیاء مربوطه در هیپ هستند.

🔍 تفاوت‌های کلیدی استک و هیپ

💡 چرا این تفاوت‌ها مهم هستند؟

• استک برای عملیات سریع و موقت (مثل توابع بازگشتی) مناسب است، اما حجم کمی دارد.

• هیپ برای داده‌های بزرگ و طولانی‌مدت (مثل اشیاء) استفاده می‌شود، ولی مدیریت نادرست آن باعث Memory Leak می‌شود!

• در پایتون، Garbage Collector به صورت خودکار هیپ را مدیریت می‌کند، اما در زبان‌هایی مثل C++ باید حافظه را دستی آزاد کنید.

مثال کاربردی: خطای Stack Overflow در پایتون

python

def infinite_recursion():
    infinite_recursion()  # فراخوانی بی‌نهایت!

infinite_recursion()  # خطا: RecursionError (استک پر شد!)

راه حل: استفاده از حلقه‌ها یا تکرار با عمق کنترل‌شده به جای بازگشت بی‌نهایت.

🚀 جمع‌بندی: چه زمانی از هیپ یا استک استفاده کنیم؟

• اگر داده موقت و با حجم کم است (مثل متغیرهای محلی)، از استک استفاده کنید.

• اگر داده پیچیده یا حجیم است (مثل اشیاء)، آن را در هیپ ذخیره کنید.

• در پایتون، معمولاً نیازی به مدیریت دستی نیست، اما آگاهی از این مفاهیم برای بهینه‌سازی کد حیاتی است!

آیا تا به حال با Stack Overflow یا Memory Leak مواجه شده‌اید؟ تجربیات خود را در کامنت‌ها به اشتراک بگذارید! 😊