Dynamic Storage Allocation in Compiler Design | कंपाइलर डिज़ाइन में डायनेमिक स्टोरेज आबंटन

कंपाइलर डिज़ाइन में डायनेमिक स्टोरेज आबंटन (Dynamic Storage Allocation in Compiler Design)

Dynamic Storage Allocation Compiler Design में वह प्रक्रिया है जिसके माध्यम से रनटाइम (Run-Time) के दौरान प्रोग्राम को आवश्यकतानुसार मेमोरी आवंटित (allocate) की जाती है। यह सुविधा उन प्रोग्रामों में अत्यंत आवश्यक होती है जहाँ डेटा का आकार या मात्रा प्रोग्राम के निष्पादन से पहले ज्ञात नहीं होती।

परिचय (Introduction)

Compiler Design में, मेमोरी को दो प्रकार से allocate किया जा सकता है — Static और Dynamic। Static Allocation में सभी मेमोरी Compile-Time पर निर्धारित होती है, जबकि Dynamic Allocation में मेमोरी Run-Time पर allocate और free की जाती है। Dynamic Allocation का उपयोग मुख्य रूप से Linked Lists, Trees, Graphs, Arrays आदि जैसी डेटा संरचनाओं के लिए किया जाता है जिनका आकार बदलता रहता है।

डायनेमिक मेमोरी आबंटन क्या है? (What is Dynamic Memory Allocation?)

Dynamic Memory Allocation वह प्रक्रिया है जिसमें प्रोग्राम के निष्पादन के दौरान मेमोरी का आवंटन किया जाता है। जब प्रोग्राम को अतिरिक्त मेमोरी की आवश्यकता होती है, तो वह Operating System से मेमोरी ब्लॉक प्राप्त करता है और उपयोग समाप्त होने पर उसे मुक्त (free) कर देता है।

Compiler Design में Dynamic Allocation की भूमिका (Role in Compiler Design)

Compiler Run-Time Environment के दौरान Dynamic Memory Management को नियंत्रित करता है।
Symbol Table और Activation Record के माध्यम से Variable Addresses को ट्रैक करता है।
Heap Memory Management को ऑप्टिमाइज़ करता है ताकि Fragmentation न हो।
Garbage Collection Algorithms को सपोर्ट करता है।

Dynamic Storage Allocation के प्रकार (Types of Dynamic Storage Allocation)

Compiler में Dynamic Storage Allocation के तीन प्रमुख प्रकार होते हैं:

1. Stack Allocation
2. Heap Allocation
3. Linked Allocation (Dynamic Structures)

1️⃣ Stack Allocation

Stack Allocation सामान्यतः Local Variables और Function Calls के लिए उपयोग होता है। हालांकि यह compile-time पर fixed नहीं होता, लेकिन function call के साथ allocate और return होने पर free हो जाता है।

2️⃣ Heap Allocation

Heap Allocation सबसे सामान्य Dynamic Strategy है। यह डेटा के लिए Memory को रनटाइम पर allocate करता है। इसका उपयोग malloc(), calloc(), realloc() (C में) या new, delete (C++ में) द्वारा किया जाता है।

3️⃣ Linked Allocation

Linked Structures जैसे Linked Lists, Queues, और Trees में मेमोरी Dynamic रूप से allocate होती है। Compiler इन्हें Pointer Management के माध्यम से ट्रैक करता है।

Dynamic Memory Management के चरण (Steps in Dynamic Memory Management)

Memory Request: Program को आवश्यकता अनुसार Memory Block की मांग की जाती है।
Allocation: OS या Runtime System द्वारा Memory Block प्रदान किया जाता है।
Usage: Allocated Memory Data Store करने के लिए उपयोग होती है।
Deallocation: कार्य समाप्त होने के बाद Memory को Free किया जाता है।

Dynamic Allocation Functions (C भाषा में)

Function	Description
malloc()	एक निश्चित आकार की मेमोरी आवंटित करता है।
calloc()	एक से अधिक तत्वों के लिए Memory Block allocate करता है और उन्हें शून्य से initialize करता है।
realloc()	पहले से आवंटित Memory Block का आकार बदलने के लिए उपयोग होता है।
free()	आवंटित मेमोरी को रिलीज़ करता है।

उदाहरण (Example)

#include 
#include 

int main() {
   int *arr;
   arr = (int*) malloc(5 * sizeof(int));

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

   for(int i = 0; i < 5; i++) {
       printf("%d ", arr[i]);
   }

   free(arr); // मेमोरी मुक्त करना आवश्यक
   return 0;
}

Heap Memory Organization (हीप मेमोरी संगठन)

Heap Memory को छोटे-छोटे ब्लॉक्स में विभाजित किया जाता है। Compiler और Runtime System इन ब्लॉक्स को ट्रैक करते हैं ताकि Memory Fragmentation से बचा जा सके।

मुख्य घटक:

Free List — उपलब्ध (free) ब्लॉक्स की सूची।
Allocated List — प्रयोग में लाए गए ब्लॉक्स।
Garbage Collector — अप्रयुक्त मेमोरी ब्लॉक्स को पुनः प्राप्त करता है।

Dynamic Storage Allocation Techniques

First Fit: पहला उपलब्ध ब्लॉक चुना जाता है।
Best Fit: सबसे छोटा ब्लॉक जो आवश्यक आकार से बड़ा हो।
Worst Fit: सबसे बड़ा ब्लॉक चुना जाता है ताकि बड़ा हिस्सा उपलब्ध रहे।

Garbage Collection (कचरा संग्रह)

Dynamic Allocation में जब कोई मेमोरी उपयोग में नहीं रहती, तो Compiler Garbage Collector की मदद से उसे पुनः प्राप्त करता है। इससे Memory Leak की समस्या समाप्त होती है।

Garbage Collection के प्रकार:

Reference Counting
Mark and Sweep
Copying Collector

Dynamic Storage Allocation के लाभ (Advantages)

Memory Utilization कुशल बनाता है।
Dynamic Data Structures के लिए आवश्यक।
Runtime Flexibility प्रदान करता है।

सीमाएँ (Limitations)

Manual Memory Management कठिन हो सकता है।
Memory Fragmentation की समस्या।
Performance Overhead (malloc/free calls)।

निष्कर्ष (Conclusion)

Dynamic Storage Allocation Compiler Design का एक आवश्यक हिस्सा है जो मेमोरी को लचीले और कुशल तरीके से प्रबंधित करने में मदद करता है। यह आधुनिक प्रोग्रामिंग भाषाओं की नींव है जो Memory Safety और Runtime Efficiency दोनों सुनिश्चित करती हैं। Compiler इन प्रक्रियाओं को स्वचालित करने के लिए उन्नत Garbage Collection Algorithms और Allocation Techniques का उपयोग करता है।

Dynamic Storage Allocation in Compiler Design

Dynamic Storage Allocation is the process of allocating and freeing memory during the execution of a program. It enables programs to request additional memory as needed, making it a vital feature for applications where data size changes at runtime.

Introduction

In Compiler Design, dynamic allocation is managed through the runtime system and heap memory. Unlike static allocation, which happens at compile-time, dynamic allocation happens at runtime, allowing greater flexibility and efficient use of memory.

Role in Compiler Design

Manages memory requests dynamically during program execution.
Supports complex data structures like linked lists, trees, and graphs.
Implements garbage collection and memory reuse mechanisms.
Handles heap fragmentation and memory compaction.

Dynamic Memory Management Steps

Memory is requested by the program (malloc/new).
The runtime allocates memory blocks from the heap.
The program uses the allocated memory.
Memory is freed when no longer required.

Dynamic Allocation Functions in C

Function	Purpose
malloc()	Allocates a single block of memory.
calloc()	Allocates multiple blocks and initializes them to zero.
realloc()	Resizes previously allocated memory.
free()	Releases allocated memory.

Example

int *arr = (int*) malloc(5 * sizeof(int));
for(int i=0; i<5; i++) arr[i] = i;
free(arr);

Heap Memory Organization

Free List: Keeps track of available memory blocks.
Allocated List: Tracks in-use memory blocks.
Garbage Collector: Automatically reclaims unused memory.

Allocation Techniques

First Fit: Allocates the first available block.
Best Fit: Allocates the smallest sufficient block.
Worst Fit: Allocates the largest available block.

Garbage Collection

Garbage collection automatically reclaims memory occupied by unreachable objects, preventing memory leaks and fragmentation.

Common Methods:

Reference Counting
Mark and Sweep
Copying Collector

Advantages

Flexible and efficient memory usage.
Supports dynamic data structures.
Reduces compile-time dependency on memory size.

Limitations

Increased runtime overhead.
Possible fragmentation and performance loss.
Manual memory management errors (if not handled properly).

Conclusion

Dynamic Storage Allocation is a cornerstone of modern Compiler Design. It provides flexibility, efficient memory utilization, and safety for complex applications. A well-implemented dynamic memory system, combined with garbage collection, ensures that programs run efficiently without memory leaks or fragmentation issues.