فصل ۱۰: حافظه پویا (Dynamic Memory) در C++

۱. مقدمه: حافظه در C++

هر برنامه C++ که روی سیستم شما اجرا می‌شود، از بخش‌های مختلف حافظه استفاده می‌کند. سه بخش مهم از این حافظه عبارت‌اند از:

1. Stack (پشته) – برای ذخیره متغیرهای محلی.
2. Heap (هیپ) – حافظه‌ی پویا که ما خودمان مدیریت می‌کنیم.
3. Static/Data Segment – برای متغیرهای سراسری (global) یا استاتیک.

در حالت معمولی وقتی یک متغیر داخل تابع ایجاد می‌کنیم:

void func() {
    int x = 10; // حافظه روی Stack
}

این متغیر وقتی تابع تمام شود، اتوماتیک از بین می‌رود.
اما گاهی نیاز داریم حافظه‌ای ایجاد کنیم که:

• اندازه‌اش در زمان کامپایل مشخص نیست.
• تا زمانی که خودمان بخواهیم باقی بماند.
  اینجاست که حافظه پویا وارد عمل می‌شود.

---

۲. حافظه پویا چیست؟

به فضایی از Heap گفته می‌شود که در هنگام اجرای برنامه (Run Time) توسط ما ایجاد و آزاد می‌شود.
در C++ از دو عملگر مهم برای این کار استفاده می‌کنیم:

• new → گرفتن (Allocate) حافظه
• delete → آزاد کردن (Deallocate) حافظه

---

۳. استفاده از new برای متغیر تکی

مثال:

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int *p = new int; // گرفتن حافظه برای یک int
    *p = 42;
    cout << "Value: " << *p << endl;

    delete p; // آزاد کردن حافظه
    p = nullptr; // اشاره‌گر امن
}

توضیح:

• new int → حافظه کافی برای یک عدد صحیح می‌گیرد و آدرسش را برمی‌گرداند.
• delete p → حافظه این آدرس را آزاد می‌کند.
• p = nullptr → اشاره‌گر را خالی می‌کنیم تا به آدرس نامعتبر اشاره نکند.

---

۴. استفاده از new برای آرایه

int *arr = new int[5]; // گرفتن حافظه برای 5 عدد صحیح

for (int i = 0; i < 5; i++)
    arr[i] = i + 1;

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

delete[] arr; // آزاد کردن کل آرایه
arr = nullptr;

نکته: برای آرایه‌ها باید از delete[] استفاده کنیم، نه delete تکی.

---

۵. حافظه پویا برای انواع دیگر

double *pd = new double;
*pd = 3.14;

char *name = new char[20]; // رشته سبک C

---

۶. چرا حافظه پویا مهم است؟

• زمانی که اندازه داده از پیش معلوم نیست.
• کار با داده‌های بزرگ که نمی‌خواهیم در Stack ذخیره شوند.
• ایجاد ساختارهای داده دینامیک (مثل لیست پیوندی، درخت، گراف).

---

۷. مشکلات و خطرات حافظه پویا

۷.۱. Memory Leak (نشت حافظه)

وقتی حافظه‌ای با new گرفته ولی با delete آزاد نشود.

int *p = new int(10);
// هیچ delete p وجود ندارد → حافظه در اختیار سیستم برنمی‌گردد

۷.۲. Dangling Pointer

وقتی اشاره‌گر به حافظه‌ای اشاره کند که آزاد شده است.

int *p = new int(5);
delete p;
cout << *p; // خطرناک

۷.۳. Double Delete

اگر یک آدرس را دو بار آزاد کنیم، ممکن است برنامه کرش کند.

delete p;
delete p; // خطرناک

---

۸. مدیریت درست حافظه

• همیشه بعد از delete، اشاره‌گر را به nullptr تنظیم کنید.
• به ازای هر new باید یک delete (و برای هر new[] یک delete[]) وجود داشته باشد.
• از اشاره‌گرهای هوشمند (در فصل ۱۱ می‌آید) برای مدیریت اتوماتیک حافظه استفاده کنید.

---

۹. مثال عملی: آرایه با اندازه ورودی کاربر

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int n;
    cout << "تعداد عناصر: ";
    cin >> n;

    int *arr = new int[n];

    for (int i = 0; i < n; i++) {
        cout << "عنصر " << i+1 << ": ";
        cin >> arr[i];
    }

    cout << "آرایه شما: ";
    for (int i = 0; i < n; i++)
        cout << arr[i] << " ";

    delete[] arr;
    arr = nullptr;
}

---

۱۰. مثال: ماتریس پویا (۲ بعدی)

int rows, cols;
cin >> rows >> cols;

int **matrix = new int*[rows];
for (int i = 0; i < rows; i++)
    matrix[i] = new int[cols];

// استفاده...
for (int i = 0; i < rows; i++) {
    for (int j = 0; j < cols; j++) {
        matrix[i][j] = i + j;
    }
}

// نمایش
for (int i = 0; i < rows; i++) {
    for (int j = 0; j < cols; j++) {
        cout << matrix[i][j] << " ";
    }
    cout << endl;
}

// آزاد کردن
for (int i = 0; i < rows; i++)
    delete[] matrix[i];
delete[] matrix;
matrix = nullptr;

---

۱۱. نکات پیشرفته

• می‌توانید هنگام new مقدار اولیه دهید:

int *p = new int(100); // مقدار اولیه 100

• استفاده از عملگر nothrow برای جلوگیری از پرتاب استثنا:

int *p = new(nothrow) int[1000];
if (!p) {
    cout << "حافظه کافی نیست";
}

• برای اشیاء کلاس‌ها، new سازنده (constructor) را صدا می‌زند، و delete مخرب (destructor) را.

---

۱۲. تمرین‌ها

۱. برنامه‌ای که یک آرایه با اندازه دلخواه از کاربر بگیرد، میانگین عناصر را محاسبه کند.
۲. برنامه‌ای که یک ماتریس پویا بسازد و ترانهاده (Transpose) آن را چاپ کند.
۳. برنامه‌ای که اندازه آرایه را کاربر بدهد، مقادیر تصادفی در آن بریزد و بزرگ‌ترین مقدار را پیدا کند.
۴. بررسی کنید اگر new حافظه نداد، پیغام مناسب چاپ شود.

---

۱۳. جمع‌بندی

• حافظه پویا برای داده‌هایی با اندازه متغیر و طول عمر قابل کنترل استفاده می‌شود.
• new و delete ابزارهای اصلی مدیریت در C++ سنتی هستند.
• مدیریت اشتباه باعث نشتی حافظه، کرش یا باگ‌های مخفی می‌شود.
• در فصل بعد یاد می‌گیریم چگونه با اشاره‌گرهای هوشمند این مدیریت را اتوماتیک کنیم.