لوحة المتصدرين

في سلسلة المقالات هذه سنتعلم معًا أساسيات البرمجة بلغة Java، وأثناء ذلك سنتعلم أيضًا طرائق جديدة للتفكير، وتحليل المشكلات إلى أجزاء صغيرة، وكتابة خوارزميات وحلول منهجية لها. إن مهارة حل المشكلات هي أهم مهارة لأي طالب علوم حاسوب، وكما سنرى معًا، تعلم البرمجة سيفيد كثيرًا في تطوير هذه المهارة. ما هي البرمجة؟ البرنامج هو سلسلة من التعليمات التي تحدد كيفية تنفيذ عملية حسابية. قد تكون العملية الحسابية رياضية، مثل حل جملة معادلات أو إيجاد جذور كثير حدود. وقد تكون أيضًا معالجة رموز، مثل البحث عن نص واستبداله في مستند أو ترجمة برنامج آخر. تختلف التفاصيل بين لغة وأخرى، لكن بعض التعليمات الأساسية تظهر في جميع لغات البرمجة تقريبًا. الإدخال (input): تحصيل البيانات من لوحة المفاتيح، أو من ملف، أو من حساس، أو من جهاز آخر. الإخراج (output): عرض البيانات على الشاشة، أو إرسالها إلى ملف أو إلى جهاز آخر. الحساب (math): تنفيذ العمليات الحسابية الأساسية مثل الجمع والقسمة. اتخاذ القرارات (decisions): التحقق من شروط معينة وتنفيذ التعليمات المناسبة لكل حالة. التكرار (repetition): تنفيذ عمل ما بصورة متكررة، عادة مع وجود تغيير. صدق أو لا تصدق، هذا كل شيء تقريبًا. أيَّ برنامج استعملته من قبل، مهما كان معقدًا، بُنِيَ من تعليمات صغيرة تشبه هذه التعليمات. وهكذا يمكنك اعتبار البرمجةبأنها عملية تجزئة المهام الكبيرة والمعقدة إلى مهام جزئية أصغر وأصغر. وتستمر العملية حتى نصل إلى مهام جزئية بسيطة بما يكفي لتنفيذها بالتعليمات البسيطة التي يوفرها الحاسوب. ننصحك بالرجوع إلى مقال تعلم البرمجة لمزيد من التفاصيل حول البرمجة عمومًا وكيفية دخول المجال. ما هي علوم الحاسوب؟ أحد أهم نواحي كتابة البرامج هو تحديد طريقة حل مشكلة ما، خصوصًا إذا تعددت الحلول. مثلًا، هناك طرق عديدة لترتيب قائمة من الأرقام، ولكل طريقة مزاياها. حتى نحدد أي طريقة هي الأفضل في وضع معين، نحتاج لتقنيات لتوصيف وتحليل الحلول بشكل صيغ منتظمة. علوم الحاسوب هي علوم الخوارزميات، وتشمل تحليل الخوارزميات واكتشاف خوارزميات جديدة. الخوارزمية هي سلسلة خطوات تحدد طريقة حل مشكلة ما. بعض الخوارزميات أسرع من غيرها، وبعضها تستهلك مساحة أقل في ذاكرة الحاسوب. سوف تتعلم كيف تفكر كعالم حاسوب أثناء تعلمك كيفية تطوير خوارزميات لحل مشكلات لم تحلها من قبل. تصميم الخوارزميات وكتابة الشفرات البرمجية عمليتان صعبتان ومعرضتان للأخطاء. تدعى الأخطاء البرمجية bugs (عِلل برمجية)، وعملية تتبعها وتصحيحها تدعى debugging. ستطور مهارات جديدة في حل المشكلات أثناء تعلم تصحيح الأخطاء في البرامج التي تكتبها. عليك التفكير بإبداع عندما تواجهك أخطاء غير متوقعة. ورغم أن حل الأخطاء البرمجية قد يكون محبطًا، إلا أنه جزء مثير وفيه تحدٍ وذكاء. اكتشاف الأخطاء يشبه عمل التحري في بعض نواحيه. حيث تواجهك الأدلة، وعليك استنتاج العمليات والأحداث التي أدت إلى النتائج التي تراها. أحيانًا يقود التفكير بتصحيح البرامج وتحسين أدائها إلى اكتشاف خوارزميات جديدة. ننصح بقراءة مقال المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب للمزيد من التفاصيل. لغات البرمجة إن لغة البرمجة التي ستتعلمها هي Java، وهي لغة عالية المستوى (High-level language). هناك لغات أخرى عالية المستوى لعلك سمعت بها مثل Python، أو C و C++‎، أو Ruby، أو Javascript. يجب ترجمة البرامج المكتوبة بلغات عالية المستوى إلى لغة منخفضة المستوى (low-level language) أو ما يدعى ”لغة الآلة“، قبل أن يستطيع الحاسوب تشغيلها. تحتاج هذه الترجمة وقتًا، لكن هذه سيئة بسيطة للغات عالية المستوى. في المقابل، للغات عالية المستوى حسنتين: كتابة البرامج بلغة عالية المستوى أسهل بكثير. كتابة البرامج تأخذ وقتًا أقل، وتكون البرامج أقصر وأسهل للقراءة، ومن المرجح أكثر أن تكون صحيحة. اللغات عالية المستوى محمولة (portable)، بمعنى أنه يمكن تنفيذ البرامج المكتوبة بها على أنواع مختلفة من الحواسيب دون أي تعديلات أو بعد عمل تعديلات قليلة. أما البرامج المكتوبة بلغة منخفضة المستوى فلا يمكنها العمل إلا على نوع واحد فقط من الحواسيب، ويجب إعادة كتابتها قبل أن نتمكن من تشغيلها على جهاز آخر. هناك نوعين من البرامج التي تترجم اللغات عالية المستوى إلى لغات منخفضة المستوى: المفسرات والمترجمات. يقرأ المفسر (interpreter) البرامج المكتوبة بلغات عالية المستوى وينفذها، أي أنه ينفذ التعليمات التي يمليها البرنامج. يعالج المفسر البرنامج في أجزاء صغيرة، حيث يقرأ بعض السطور ثم ينفذ التعليمات ويعود لقراءة سطور أخرى وهكذا. يبين الشكل 1.1 بنية المفسر. على صعيد آخر، يقرأ المترجم (compiler) البرنامج كله ويترجمه دفعة واحدة قبل بدء تنفيذ البرنامج. في هذه الحالة، يدعى البرنامج المكتوب بلغة عالية المستوىبالشفرة المصدرية (source code)، ويدعى البرنامج المترجم بالشفرة الهدف (object code) أو الملف التنفيذي (executable). بعد ترجمة البرنامج، يمكنك تنفيذه بشكل متكرر دون الحاجة لأي ترجمة أخرى. ونتيجة لذلك، تعمل البرامج المترجمة بصورة أسرع من البرامج المفسرة. لغة Java مجمّعة ومفسرة معًا. فبدلًا من ترجمة البرامج مباشرة إلى لغة الآلة، يولد مترجم Java بايت كود (byte code). شفرة بايت سهلة وسريعة التفسير مثل لغة الآلة، لكنها محمولة أيضًا، حيث يمكننا ترجمة برنامج Java على أحد الأجهزة، ثم ننقل شفرة بايت إلى جهاز آخر، ثم نشغل شفرة بايت على الجهاز الثاني. يدعى المفسر الذي ينفذ شفرة بايت "بآلة Java الافتراضية" (Java Virtual Machine أو اختصارًا JVM). يبين الشكل 1.2 مراحل هذه العملية. ورغم أن هذه العملية قد تبدو معقدة، إلا أن معظم بيئات البرمجة (أحيانًا تدعى بيئات التطوير)، تجري هذه الخطوات تلقائيًا بدلًا منك. سيكلفك الأمر عادة ضغطة زر واحدة أو طلب أمر واحد لترجمة برنامجك وتنفيذه. من جهة أخرى، من المهم أن تعرف الخطوات التي تجري وراء الستار، لكي تتمكن من معرفة سبب المشكلة في حال وقوع أي خطأ. ترجمة -وبتصرف- لجزء من الفصل الأول من كتاب Think Java: How to Think Like a Computer Scientist لكاتبيه Allen B. Downey و Chris Mayfield. اقرأ أيضًا تعلم البرمجة المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب

تقليديًا، البرنامج الأول الذي يكتبه الناس عندما يتعلمون لغة برمجة جديدة يسمى برنامج hello world (مرحبًا بالعالم). كل ما يفعله هذا البرنامج هو طباعة العبارة "!Hello, World" على الشاشة. في لغة Java، يبدو هذا البرنامج كما يلي: public class Hello { public static void main(String[] args) { // generate some simple output System.out.println("Hello, World!"); } } عند تشغيل هذا البرنامج سيعرض ما يلي: Hello, World! لاحظ أن الخرج لا يحوي علامات الاقتباس. تتكون برامج Java من صنف (class) وتعريفات توابع (methods)، وتتكون التوابع منتعليمات (statements). التعليمة هي سطر من الكود ينفذ عملية بسيطة. في برنامج hello world، هذا السطر هو تعليمة طباعة التي تعرض رسالة على الشاشة: System.out.println("Hello, World!"); يعرض تابع System.out.println النتائج على الشاشة؛ يرمز اسم التّابع println للعبارة "print line" (اطبع سطرًا). من المحيّر أن كلمة اطبع قد تعني "اعرضها على الشاشة" وقد تعني "أرسلها إلى الطابعة". في سلسلتنا هذه، سنحاول عندما نقصد الإخراج على الشاشة أن نقول: "عرض". تنتهي تعليمة الطباعة بفاصلة منقوطة (;) مثل معظم التعليمات. لغة Java "حساسة لحالة الأحرف" (case-sensitive)، وهذا يعني أن الحروف الكبيرة تعتبر مختلفة عن الحروف الصغيرة. في هذا المثال، يجب أن تبدأ كلمة System بحرف كبير؛ وإذا كتبت system أو SYSTEM فلن يعمل. التّابع (method) هو سلسلة تعليمات تحمل اسمًا. هذا البرنامج يعرف تابعًا وحيدًا اسمه main: public static void main(String[] args) اسم التّابع main وشكله خاصين: عند تشغيل البرنامج، يبدأ التنفيذ عند أول تعليمة في main وينتهي عند إنهاء آخر تعليمة فيها. سنرى لاحقًا برامج تعرف فيها أكثر من تابع واحد. الصنف (class) هو مجموعة عمليات. يعرف هذا البرنامج صنفًا اسمه Hello. يمكنك تسمية الصنف بأي اسم تشاء، لكن جرت العادة أن يبدأ اسم الصنف بحرف كبير. يجب أن يطابق اسم الصنف اسم الملف الذي يحويه، ولذلك يجب أن تحفظ هذا الصنف في ملف اسمه Hello.java. تستخدم Java الحاضنات ( { و } ) لتجميع الأشياء مع بعضها. في ملف Hello.java: تضم الحاضنات الخارجية تعريف الصنف، أما الحاضنات الداخلية فتضم تعريف التّابع. السطر الذي يبدأ بشرطتين مائلتين (//) هو تعليق (comment)، وهو عبارة عن نص يوضع لتوضيح الشفرة المصدرية. عندما يرى المترجم علامة // يتجاهل كل شي يليها حتى نهاية السطر. لا تؤثر التعليقات على تنفيذ البرنامج، لكنها تسهل فهم المقصود من التعليمات للمبرمجين الآخرين (ولك أنت في الأوقات اللاحقة). دورة تطوير التطبيقات باستخدام لغة Python احترف تطوير التطبيقات مع أكاديمية حسوب والتحق بسوق العمل فور انتهائك من الدورة اشترك الآن عرض السلاسل المحرفية يمكنك وضع أي عدد من التعليمات داخل main. مثلًا، حتى تعرض أكثر من سطر واحد على الخرج: public class Hello { public static void main(String[] args) { // generate some simple output System.out.println("Hello, World!"); // first line System.out.println("How are you?"); // another line } } كما يبين هذا المثال، يمكنك وضع التعليقات في نهاية السطور كما يمكنك وضعها على سطور كاملة وحدها. تدعى العبارات التي تحيط بها علامات الاقتباس بالسلاسل المحرفية (strings)، لأنها تحوي سلسلة من "المحارف" (characters) المتتابعة. قد يكون المحرف رقمًا، أو حرفًا، أو علامة ترقيم، أو رمزًا، أو فراغًا (space)، أو علامة جدولة (tab)، الخ. تلحق تعليمة System.out.println محرفًا خاصًا بالسلسلة المحرفية، وهو محرف السطر الجديد (newline)، الذي يحرك مؤشر الطباعة إلى بداية السطر التالي. إذا لم ترغب بمحرف السطر الجديد في نهاية العبارة، يمكنك استخدام print بدلًا من println. public class Goodbye { public static void main(String[] args) { System.out.print("Goodbye, "); System.out.println("cruel world"); } } في هذا المثال، لا تضيف التعليمة الأولى محرف السطر الجديد، لذلك يظهر الخرج على سطر واحد كالتالي: Goodbye, cruel world. لاحظ أن هناك فراغًا في نهاية السلسلة المحرفية الأولى، والذي يظهر في خرج البرنامج. سلاسل الهروب يمكنك أن تعرض عدة سطور على الخرج بسطر كود واحد. عليك فقط أن تخبر Java بمواضع فواصل السطور. public class Hello { public static void main(String[] args) { System.out.print("Hello!\nHow are you doing?\n"); } } الخرج هنا سطرين، وكل منهما ينتهي بمحرف السطر الجديد: Hello! How are you doing? المحرفين n\ هما سلسلة هروب (escape sequence)، وهذه السلاسل عبارة عن عدة محارف تعبر عن محرف خاص واحد. تسمح لك الشرطة الخلفية (\) بالهروب من التفسير الحرفي للسلسلة. لاحظ عدم وجود فراغ يفصل بين n\ وبين How. إذا أضفت فراغًا بينهما، سيظهر الفراغ في بداية السطر الثاني. تستخدم سلاسل الهروب أيضًا لطباعة علامات الاقتباس داخل السلاسل المحرفية. بما أن علامات الاقتباس تحدد بدايات السلاسل المحرفية ونهاياتها، فلا يمكنك وضعها في نص السلسلة دون استخدام علامة الشرطة الخلفية. System.out.println("She said \"Hello!\" to me."); سلسلة الهروب المحرف الناتج n\ سطر جديد t\ علامة جدولة؛ تعادل ثمانية فراغات أفقية عادة "\ علامة اقتباس \\ شرطة مائلة خلفية الجدول 1.1: بعض سلاسل الهروب الشائعة الناتج هو: She said "Hello!" to me. تنسيق الكود بعض الفراغات إلزامية في برامج Java. فلا بد، على سبيل المثال، من فصل الكلمات عن بعضها بفراغ واحد على الأقل؛ أي أن البرنامج التالي غير صالح: publicclassGoodbye{ publicstaticvoidmain(String[] args) { System.out.print("Goodbye, "); System.out.println("cruel world"); } } لكن معظم الفراغات الأخرى اختيارية. مثلًا، هذا البرنامج صالح: public class Goodbye { public static void main(String[] args) { System.out.print("Goodbye, "); System.out.println("cruel world"); } } كما أن فصل التعليمات على سطور مختلفة اختياري أيضًا. بالتالي يمكننا كتابة البرنامج السابق هكذا: public class Goodbye{public static void main(String[] args){System.out.print("Goodbye, "); System.out.println("cruel world");}} سيعمل البرنامج، لكن قراءته ازدادت صعوبة في كل مرة. استخدام الفراغات وتوزيع التعليمات على سطور منفصلة مهمان جدًا لتنظيم برنامجك بصريًا، لتسهيل فهمه وتسهيل العثور على الأخطاء فيه عند حدوثها. في العادة، تجد في المنظمات التي تعمل كثيرًا في تطوير البرمجيات شروطًا صارمة تحدد طريقة ترتيب الشفرات المصدرية. مثلًا، تنشر Google معاييرها الخاصة حول كتابة أكواد Java للاستخدام في المشاريع مفتوحة المصدر:http://google.github.io/styleguide/javaguide.html. قد لا تستوعب هذه المعايير الآن، لأنها تذكر بعض مزايا لغة Java التي لما تتعرف عليها. لكنك قد ترغب بزيارتها بين الحين والآخر أثناء قراءة هذه السلسلة. تنقيح الكود كلما أردت اختبار ميزة جديدة، عليك تجربة ارتكاب بعض الأخطاء عن عمد. على سبيل المثال، في برنامج hello world، ماذا يحدث لو أسقطت إحدى علامات الاقتباس؟ ماذا لو أسقطت العلامتين معًا؟ وماذا لو أخطأت بكتابة println؟ هذه التجارب تساعدك على تذكر ما تقرؤه. كما تساعدك في تنقيح الكود، لأنك تتعلم معنى رسائل الأخطاء المختلفة. من الأفضل أن ترتكب الأخطاء الآن عمدًا بدلًا من أن تقع بها لاحقًا دون قصد. تصحيح الأخطاء يشبه العلوم التجريبية أيضًا: بمجرد أن تظن أنك عرفت ما هو الخطأ، تعدل برنامجك وتجرب ثانية. إذا كانت فرضيتك صحيحة، عندئذ ستتمكن من التنبؤ بنتيجة التعديل، وتقترب خطوة من البرنامج الصحيح المطلوب. أما إذا كانت فرضيتك خاطئة، عليك أن تجد حلًا آخر. يجب أن تتلازم البرمجة مع تنقيح الكود من الأخطاء. لا تكتب سطورًا كثيرة وبعدها تنتقل إلى عملية تصحيح معتمدًا على التجربة والخطأ حتى تصل للنتيجة المطلوبة. بل عليك أن تبدأ ببرنامج يعمل قادر على تنفيذ شيء ما، ثم عمل تعديلات صغيرة، وتنقيحها أولًا بأول، حتى تصل إلى برنامج يعطيك النتيجة المطلوبة. بهذا الأسلوب، سيبقى برنامجك يعمل دائمًا، وسيسهل عليك عزل الأخطاء. من الأمثلة الممتازة على هذا المبدأ نظام التشغيل لينكس (Linux)، الذي يحوي ملايين السطور البرمجية. بدأ لينكس كبرنامج بسيط استعمله لينوس تورفالدز (Linus Torvalds) ليستكشف رقاقة إنتل 80386. وعلى حد قول لاري غرينفيلد (Larry Greenfield) في دليل مستخدم لينكس (The Linux Users’ Guide)، ”أحد أولى مشاريع لينوس كان برنامجًا يبدل بين طباعة AAAA و BBBB. ثم تطور هذا إلى لينكس“. أخيرًا، قد تثير البرمجة أحاسيس قوية. إذا كنت تسارع علة صعبة، قد تشعر بالغضب، أو القنوط، أو الحرج. تذكر أنك لست وحدك، وإن جُلّ المبرمجين إن لم يكن كلهم عانوا من حالات مشابهة. لا تتردد في طرح الأسئلة على أحد الأصدقاء! أدوات التطوير تعتمد خطوات ترجمة وتنفيذ وتنقيح أكواد Java على بيئة التطوير لديك ونظام التشغيل الذي تستخدمه. الجزء التّالي هو مقدمة مختصرة لبيئة DrJava وهي بيئة تطوير متكاملة (Integrated Development Environment أو IDE اختصارًا) مناسبة للمبتدئين. تثبيت DrJava أسهل طريقة لبدء البرمجة بلغة Java هي استخدام موقع يترجم لك شفرات Java وينفذها في المتصفح. هناك على سبيل المثال jdoodle.com، و compilejava.net، و tutorialspoint.com، وغيرها. إذا لم تكن قادرًا على تثبيت برامج جديدة على حاسوبك (وهذه هي الحال غالبًا في المدارس العامة ومقاهي الإنترنت)، يمكنك استخدام بيئات التطوير هذه المتاحة عبر الإنترنت لتنفيذ معظم البرامج في هذا الكتاب. لكن إذا أردت ترجمة وتشغيل برامج Java على حاسوبك، سوف تحتاج: عدة تطوير Java‏ (Java Development Kit أو JDK)، التي تتضمن المترجم، وآلة Java الافتراضية (Java Virtual Machine أو JVM) التي تفسر شفرات بايت الناتجة عن الترجمة، وغيرها من الأدوات مثل Javadoc. محرر نصوص بسيط مثل Notepad++‎ أو Sublime Text، أو بيئة تطوير مثل DrJava، أو Eclipse، أو jGrasp، أو NetBeans. بالنسبة لعدة التطوير (JDK) ننصحك باستخدام Java SE (النسخة القياسية Standard Edition)، التي توفرها Oracle مجانًا. ننصحك أيضًا باستخدام DrJava، وهي بيئة تطوير متكاملة (IDE) مفتوحة المصدر ومكتوبة بلغة Java (انظر الشكل أ.1). لتثبيت JDK، ابحث في الوب عن "download JDK" ويجب أن توصلك النتائج إلى موقع Oracle. انزل لأسفل حتى تصل إلى"Java Platform, Standard Edition" وانقر زر تنزيل JDK. ثم اقبل اتفاقية الترخيص واختر المثبت المناسب لنظام تشغيلك. لا تنسَ تشغيل برنامج التثبيت بعد تنزيله! لثبيت DrJava، اذهب إلى http://drjava.org ونزّل ملف JAR. ننصحك بحفظه على سطح المكتب أو مكان مناسب آخر. فقط انقر على ملف JAR نقرة مزدوجة لتشغيل DrJava. ننصحك عند تشغيل DrJava أول مرة بتغيير ثلاثة خيارات يمكنك الوصول إليها من قائمة: Edit > Preferences في قسم Miscellaneous: عدل Indent Level (المسافة البادئة) إلى 4، وفعّل خيار Automatically Close Block Comments، وألغِ تفعيل خيار Keep Emacs-style Backup Files. الوضع التفاعلي في DrJava إحدى أهم ميزات DrJava هي "لوحة التفاعل" أسفل النافذة. يمكنك تجربة الشفرات فيها بسرعة، دون كتابة تعريف صنف ودون المرور بمراحل حفظ وترجمة وتنفيذ البرنامج. يظهر الشكل التالي مثالًا. هناك ملاحظة دقيقة وحيدة عليك الانتباه لها عند استخدام ميزة التفاعل. إذا لم تضع فاصلة منقوطة في نهاية التعبير الحسابي أو التعليمة، سوف يعرض DrJava النتيجة تلقائيًا. لاحظ في الشكل السابق إنهاء سطور التصريح عن المتغيرات بفواصل منقوطة، بينما لا توجد فواصل في نهايات التعابير المنطقية في السطور التي تليها. توفر عليك هذه الميزة طباعة System.out.println كل مرة. الجميل في هذه الميزة هو أنك لا تحتاج لتعريف صنف جديد، ثم تعريف عملية main، ثم كتابة تعابير عشوائية ضمن تعليمات System.out.println، ثم حفظ الملف المصدري، وبعدها ترجمة الشفرات المصدرية كلها بشكل سليم قبل رؤية النتائج. كما يمكنك أيضًا استخدام السهمين العلوي والسفلي من لوحة المفاتيح لتكرار الأوامر السابقة وتجربة اختلافات متعددة. ترجمة -وبتصرف- لجزء من الفصل الأول من كتاب Think Java: How to Think Like a Computer Scientist لكاتبيه Allen B. Downey و Chris Mayfield.