توفر نماذج البرمجة طرقًا مختلفة لحل المشكلات البرمجية التي يواجهها المطورون بسيطة فبعض النماذج يناسب حل المشكلات البرمجية البسيطة وبعضها الآخؤ يناسب لحل المشكلات المعقدة ومعرفة كل نموذج من هذه النماذج يساعد المبرمج على اعتماد النموذج الأنسب الذي يلبي متطلبات عمله.

وكنا قد تحدثنا في المقال السابق على لغة البرمجة الإجرائية وهو واحد من أقدم نماذج البرمجة المتبعة في تطوير البرامج والتطبيقات، ونكمل الحديث في مقال اليوم عن أحد أشهر نماذج البرمجة التي يحتاج أي مطور لمعرفتها وهو نموذج لغة البرمجة بالكائنات أو البرمجة كائنية التوجه OOP ونتعرف على مبادئ عمله وطريقة تنظيم الشيفرات البرمجية من خلاله وأهم لغات البرمجة التي تستخدم هذا النموذج، كما سنشرح بالتفصيل مفهوم الأصناف Classes والكائنات المشتقة منها Objects والفرق بينهما وأهمية تطبيق هذه المفاهيم في تطوير البرامج الحاسوبية المعقدة وتسهيل صيانتها.

أنواع لغات البرمجة

تصنف لغات البرمجة إلى أنواع مختلفة بناء على عدة معايير ومن بين هذه المعايير تصنيفها وفق المنهجية المتبعة لهيكلة الشيفرات البرمجية، حيث تقسم لغات البرمجة بناء على هذا المعيار إلى عدة أصناف أو نماذج برمجية تحدد الأساليب المستخدمة لتمثيل عناصر البرنامج وخطوات معالجة البيانات وسير التنفيذ.

تقسم لغات البرمجة بناء على هذا المعيار إلى عدة نماذج تشمل:

نموذج البرمجة الأمرية Imperative Programming: الذي يصف بالتفصيل المدخلات وكيفية الحصول على المخرجات منها ويندرج تحته نموذج البرمجة الإجرائية procedural programming ونموذج البرمجة بالكائنات.
نموذج البرمجة التصريحية Declarative Programming: الذي يعبر عن المهام التي يجب أن ينجزها البرنامج دون أن يصف بالتفصيل سير التنفيذ الخاص به ويندرج تحته البرمجة الوظيفية functional programming والبرمجة المنطقية logic programming.

يمكنك معرفة المزيد من المعايير التي تصنف لغات البرمجة بناء عليها وأهم خصائص كل نوع منها من خلال مطالعة مقال أنواع لغات البرمجة وسنفرد مقال اليوم لشرح نموذج البرمجة بالكائنات وأشهر لغات البرمجة التي تعتمده ونكتشف أبرز مزاياها وعيوبها.

ما هي لغة البرمجة بالكائنات؟

لغة البرمجة بالكائنات أو بتعبير أدق لغة البرمجة كائنية التوجه Object-Oriented Programming -واختصارًا oop- هي أحد أشهر نماذج البرمجة وقد تم ابتكارها منذ الستينيات وهي تعتمد على تنظيم شيفرات البرامج باستخدام مفهوم الأصناف classes والكائنات المشتقة منها objects بشكل مشابه لكائنات العالم الحقيقي.

الصنف class هو بمثابة نموذج أو مخطط عام لتمثيل الكائنات حيث تتضمن الأصناف تعريف البيانات التي تصف الكائنات والوظائف الخاصة التي تصف سلوك الكائنات وتعالج بياناتها وهو يستخدم كقالب لاشتقاق العديد من الأمثلة أو الحالات المختلفة من هذه الكائنات objects، ولهذا السبب يسمى الكائن نسخة من الصنف instance.

على سبيل المثال يمكن تعريف صنف يمثل السيارة حيث يكون لكل سيارة سمات أو خصائص تصفها تسمى المتغيرات الأعضاء أو حقول البيانات مثل طراز السيارة وسنة تصنيعها ولونها …إلخ ولها وظائف أو دوال تسمى دوال الصنف class functions تحاكي الأفعال أو السلوكيات التي تقوم بها السيارة مثل تشغيل السيارة وإيقافها وتغيير سرعتها وتحريكها لليمين واليسار …إلخ.

كما يجب أن يتضمن الصنف دوال أخرى أهمها الدالة البانية constructor وهي الدالة التي تستدعى بشكل تلقائي عند إنشاء أو اشتقاق كائن من الصنف ويمكن من خلالها تمرير قيم تحدد متغيرات الكائن الجديد ودوال لضبط قيم متغيرات الكائن setter وجلبها getter وبعد اكتمال تعريف الصنف يمكننا اشتقاق كائن لكل سيارة جديدة نريد إنشاءها.

توفر البرمجة بالكائنات للمطورين طريقة قوية لتنظيم البرامج وهيكلة التعليمات البرمجية بشكل وكائنات متفاعلة فيما بينها لتأدية المهام المطلوبة وتساعدهم على إنشاء تطبيقات قابلة للصيانة والتوسعة وإعادة الاستخدام وتعديل التعليمات البرمجية لتلبية المتطلبات.

مثال برمجي على تعريف صنف وإنشاء كائنات منه

قد يكون الشرح السابق لمفهوم البرمجة بالكائنات مربكًا وصعب الفهم لذا سنوضح لك المفاهيم بمثال عملي برمجي، لنفرض أنك تحتاج إلى تطوير برنامج لإدارة مكتبة باستخدام لغة البرمجة بايثون، إذا كنت تستخدم نموذج البرمجة كائنية التوجه لتطوير هذا البرنامج فأول ما ستفكر به هو الأصناف التي ستحتاجها.

على سبيل المثال ستحتاج لتعريف صنف يمثل الكتاب وليكن اسمه Book ثم ستفكر في الخصائص أو السمات المميزة لكل كتاب مثل العنوان واسم المؤلف وعدد الصفحات …إلخ. ثم ستفكر في الوظائف التي ستطبق على هذا الكتاب وهي استعارة الكتاب وحجز الكتاب وإعادته للمكتبة إضافة لطريقة البناء init التي تستدعى عند إنشاء كائن أو كتاب جديد من الصنف وتهيئ خصائص هذا الكتاب ودوال الضبط والجلب لكل خاصية.

تعريف صنف وإنشاء كائنات منه

سنحقق هذا الوصف برمجيًا من خلال كتابة الكود التالي بلغة بايثون:

# تعريف صنف يمثل كتاب
class Book(object):
    # تعريف الدالة البانية للصنف
    def __init__(self,title, author, pages):
        self.title = title
        self.author = author
        self.pages = pages
    # دالة ضبط عنوان الكتاب
    def setTitle(self, title):
        self.title = title
    # دالة جلب عنوان الكتاب
    def getTitle(self):
        return self.title
    # دالة ضبط اسم الكاتب 
    def setAuthor(self, author):
        self.author = author
    # دالة جلب اسم الكاتب
    def getAuthor(self):
        return self.author
    # دالة ضبط عدد الصفحات
    def setNumPages(self, numPages):
        self.numPages = numPages
    # دالة جلب عدد الصفحات
    def getNumPages(self):
        return self.numPages
    # دالة لطباعة متغيرات الكتاب 
    def printbook(self):
        print('تم إنشاء الكتاب التالي')
        print('------------')
        print('العنوان: ' , self.title)
        print('الكاتب: ' , self.author)
        print('عدد الصفحات: ' , self.pages)

   # دالة لإعارة الكتاب 
    def borrow_book(self):
        print(f"{self.title} تمت استعارة كتاب")
   # دالة لإرجاع الكتاب 
    def return_book(self):
        print(f"{self.title} تمت إعادة كتاب")
   # دالة لحجز الكتاب
    def reserve_book(self):
        print(f"{self.title} تم حجز كتاب")

بعد تعريف الصنف يمكننا في أي مكان في البرنامج إنشاء كائنات والتعامل معها بالشكل التالي:

# إنشاء كائن أول من صنف الكتاب        
book1=Book("البرمجة بلغة بايثون", "أكاديمية حسوب", 480)
book1.printbook()
book1.borrow_book()
print('\n')

سنحصل على المخرجات التالية بعد تنفيذ الشيفرة:

اقتباس

تم إنشاء الكتاب التالي

------------

العنوان: البرمجة بلغة بايثون

الكاتب: أكاديمية حسوب

عدد الصفحات: 480

البرمجة بلغة بايثون تمت استعارة كتاب

يمكننا إنشاء كتاب آخر بتنفيذ تعليمة واحدة سهلة بسيطة وهكذا:

# إنشاء كائن ثاني من صنف الكتاب        
book2=Book("البرمجة بلغة جافا سكريبت", "أكاديمية حسوب", 450)
book2.printbook()
book2.reserve_book()

سنحصل أيضًا على المخرجات التالية:

اقتباس

تم إنشاء الكتاب التالي

------------

العنوان: البرمجة بلغة جافا سكريبت

الكاتب: أكاديمية حسوب

عدد الصفحات: 450

البرمجة بلغة جافا سكريبت تم حجز كتاب

لاحظ كيف خلصتنا البرمجة بالكائنات الكثير من العمل ومن تكرار الشيفرة وهذه هي أبرز ميزة تتميز فيها البرمجة كائنية التوجه.

يمكنك مطالعة المزيد من المعلومات حول إنشاء الأصناف والكائنات في لغة بايثون في مقال مختصر البرمجة كائنية التوجه OOP وتطبيقها في بايثون.

مبادئ لغات البرمجة بالكائنات

تعتمد لغات البرمجة بالكائنات على أربع مبادئ أساسية تمكن المبرمجين من تنظيم الشيفرات البرمجية وتقلل أخطاءها وتسهل إعادة استخدامها وصيانتها وتوسيعها في تطبيقات مختلفة.

تشمل المبادئ الأربعة للبرمجة كائنية التوجه ما يلي:

التغليف Encapsulation
تجريد البيانات Abstraction
الوراثة Inheritance
تعدد الأشكال Polymorphism

لنتعرف على كل مبدأ من هذه المبادئ بمزيد من التفصيل!

1. التغليف Encapsulation

يشير مبدأ التغليف إلى عملية دمج البيانات والطرق ضمن وحدة مستقلة ومعزولة عن الشيفرات البرمجية الأخرى لها خصوصيتها، ففي البرمجة كائنية التوجه يمكن الوصول إلى بيانات الكائن وتعديلها فقط باستخدام وظائف أو دوال الكائن نفسها فقط وهذا يسمح بإخفاء الحالة الداخلية للكائن عن الكود الخارجي ويحد من صلاحية الوصول إلى بيانات ووظائف كل كائن أو تعديلها خارج نطاق الكائن ويمنع إساءة استخدامها ضمن الكود البرمجي ويضمن تنظيم الكود وموثوقيته.

2. تجريد البيانات Abstraction

يمكن اعتبار مبدأ التجريد جزءًا من مبدأ التغليف فهو يساعد على تبسيط الأنظمة المعقدة عن طريق التركيز على المنطق العام للبرنامج وإخفاء تفاصيل التنفيذ عن المستخدمين، فالمقصود بتجريد البيانات في البرمجة بالكائنات إنشاء بنى مجردة عالية المستوى تسهل التعامل مع المهام المعقدة حيث يتم تمثيل خصائص الكائن وإخفاء تفاصيل التنفيذ أو العمليات الداخلية التي تجري على هذه الكائنات عن المستخدمين.

ففي مثال الكتاب الوارد سابقًا ستهتم فقط كمستخدم بمعرفة مواصفات الكتاب وطرق التعامل معه من إعارة وحجز وإعادة دون أن تهتم للطريقة التي تنفذ فيها هذه الوظائف ما يهمك أن تستخدمها وتعمل بشكل صحيح دون أن تشغل بالك بتفاصيل عملها.

3. الوراثة Inheritance

يسمح مبدأ الوراثة بإمكانية نقل السلوك والبيانات من كائن إلى آخر ويمكن المبرمج من إنشاء أصناف جديدة فرعية أو أبناء من أصناف أساسية موجودة تصبح آباء لها بدلًا من إنشاء أصناف جديدة كل مرة حيث يرث الصنف الابن كل المتغيرات (الصفات) والدوال (الوظائف) الخاصة بالصنف الأب ويمكنه إعادة تعريف وتخصيص الأمور الخاصة به وإضافة ميزات جديدة لها حسب الحاجة مما يسهل تعديل التعليمات البرمجية وتوسيعها.

يمكن على سبيل المثال إنشاء صنف أب يمثل مركبة متحركة أو وسيلة نقل ويتضمن الأمور العامة المشتركة ثم استخدامه لإنشاء كائنات أخرى مثل الدراجات النارية أو الشاحنات أو الحافلات. كما يمكن اعتبار صنف الكتاب هو الصنف الأب وإنشاء صنف ابن منه يمثل مجلة وصنف آخر يمثل رواية يرث كل منهما خصائص ووظائف الصنف الأب ويضيف لها خصائص ووظائف إضافية خاصة به وهكذا.

4. تعدد الأشكال Polymorphism

يشير مبدأ تعدد الأشكال إلى قدرة الكائنات المختلفة على الاستجابة بشكل مختلف عند استدعاء نفس اسم الدالة، بمعنى آخر استخدام نفس الوظيفة بمنطق مختلف حيث يمكن للكائنات المختلفة امتلاك وظائف أو دوال بنفس الاسم ولكنها تستخدم تعليمات مختلفة.

يتضح استخدام هذا المبدأ بشكل جلي في الوراثة فعلى سبيل المثال بالعودة لمثال السيارة إذا كانت السيارة وهي الصنف الأب تحتوي على دالة لتشغيل السيارة تنفذ التعليمات بطريقة معينة فيمكن للمبرمج إعادة تعريفها وتنفيذها بشكل مختلف في الصنف الابن الذي يمثل الدراجات النارية ويمكن معرفة الدالة التي يجب تنفيذها وقت تشغيل الكود.

باتباع مبادئ التغليف والتجريد والوراثة وتعدد الأشكال يمكن للمطورين إنشاء برامج قوية وإعادة استخدامها عند الحاجة ويسهل صيانتها وتطويرها.

عمومًا، إن شعرت أنك لم تفهم هذه المبادئ فهمًا تامًا ولم تتضح لك اتضاحًا جليًا، فلا تقلق يكفي أن تتعرف عليها وعلى اسمها ثم ستفهما عندما تبدأ بالتطبيق والكتابة بلغة كائنية التوجه.

ما معنى خاص ومحمي وعام في البرمجة بالكائنات؟

ستصادف في كافة لغات البرمجة بالكائنات مصطلحات عام وخاص ومحمي وإليك وصفًا موجز لكل مفهوم من هذه المفاهيم.

خاص private: يمكن استخدام أي متغير (صفة) أو دالة (وظيفة) من النوع خاص ضمن الكود الموجود داخل الكائن فقط.
محمي protected: لا يمكن استخدام أي متغير أو دالة محمية إلا من قبل الكائن نفسه ومن أبنائه.
عام public: يمكن استخدام أي متغير أو دالة عامة أو تعديلها في أي مكان خارج الكائن.

وتجدر الإشارة لضرورة الكشف عن الحد الأدنى من المعلومات المطلوبة خارج الكائن والحفاظ على خصوصيته قدر المستطاع إلا إذا دعت الضرورة البرمجية لغير ذلك.

أشهر لغات البرمجة بالكائنات

تستخدم البرمجة كائنات التوجه OOP على نطاق واسع وتعتمدها العديد من لغات البرمجة ومن أبرز لغات البرمجة بالكائنات نذكر:

بايثون Python: من أشهر لغات البرمجة الكائنية وأكثرها تفضيلًا في الأوساط البرمجية فهي لغة مرنة وسهلة التعلم ومتعددة الأغراض تصلح لكثير من المجالات أبرزها تطوير الويب وعلوم البيانات والذكاء الصناعي وتعلم الآلة وهي توفر العديد من المكتبات المساعدة التي تسهل عمل المطورين.
جافا Java: من أقوى لغات البرمجة كائنية التوجه وهي لغة قوية وآمنة وتتميز بكونها مستقلة وتعمل على كافة أنظمة التشغيل وهي من أبرز لغات تطوير تطبيقات أندرويد،لكن يعاب عليها أنها بطيئة وتستهلك الكثير من الذاكرة.
روبي Ruby: لغة برمجة قوية تشبه لغة باثيون من ناحية امتلاكها قواعد صياغة بسيطة سهلة التعلم وهي تدعم البرمجة بالكائنات وتوفر الكثير من الأدوات والمكتبات وأطر العمل التي تسهل عمل المطورين وأبرزها روبي أون ريلز Ruby on Rails.
C++‎: لغة برمجة قوية تدعم نموذج البرمجة كائنية التوجه وتوفر أداء عالي وإدارة جيدة للذاكرة وتملك مجتمع دعم ضخم وهي تصلح لبرمجة أنظمة التشغيل والتطبيقات المضمنة لكنها لغة صعبة التعلم وأقل مرونة من لغات البرمجة الأخرى.
C#‎‎: لغة برمجة عامة الأغراض تدعم البرمجة الكائنية وتتكامل مع نظام التشغيل ويندوز وهي تستخدم بشكل أساسي لتطوير تطبيقات سطح المكتب وتطبيقات الويب وتصميم الألعاب.
PHP: لغة برمجة مثالية لبناء تطبيقات الويب من جانب الخادم وهي لغة مفتوحة المصدر وسهلة الاستخدام أضافت ميزات البرمجة كائنية التوجه منذ الإصدار PHP5 وهي توفر الكثير من دعم المكتبات وأطر العمل وتعتمدها معظم نظم إدارة المحتوى الشهيرة مثل ووردبريس ودروبال.
تايب سكريبت TypeScript: هي لغة برمجة مفتوحة المصدر تدعم البرمجة كائنية التوجه وقد طورتها شركة مايكروسوفت بالاعتماد على لغة جافا سكريبت JavaScript وهي تستخدم بشكل أساسي لتطوير تطبيقات الويب الكبيرة، أما لغة جافا سكريبت فبالرغم من كونها لغة تعتمد بشكل كبير على الكائنات لكنها لا تدعم كافة مبادئ البرمجة بالكائنات.

إيجابيات وسلبيات لغات البرمجة بالكائنات

لكل نموذج برمجي مميزاته وعيوبه وفيما يلي نوضح أهم إيجابيات وعيوب لغات البرمجة كائنية التوجه oop.

إيجابيات لغات البرمجة بالكائنات

يسمح أسلوب البرمجة بالكائنات بنمذجة مشكلات العالم الحقيقي بشكل أبسط بكثير من باقي النماذج البرمجية.
تسهل البرمجة بالكائنات إعادة استخدام التعليمات البرمجية الحالية وتوسيعها باستخدام مبدأ الوراثة بدلاً من الاضطرار إلى إعادة كتابة نفس الكود مرارًا وتكرارًا
تخفي البرمجة كائنية التوجه تفاصيل التنفيذ عن المستخدمين الخارجيين وتتيح لهم استخدام الأصناف بسهولة دون الكشف عن تفاصيل تنفيذ كل دالة من الدوال.
تنظم البرمجة بالكائنات عملية تصميم البرامج من خلال تمثيلها بالاعتماد على كائنات منفصلة تتفاعل مع بعضها البعض ولكل منها خصائصها وسلوكياتها.
تسرع البرمجة الكائنية تطوير البرمجيات وتزيد إنتاجيتها من خلال إمكانية إعادة استخدامها في مشاريع لاحقة.
تحسن صيانة البرامج لأن الكائنات معزولة عن بعضها ويمكن حل مشكلاتها وتحسينها دون الحاجة إلى تعديل كامل الكود.
تحافظ على أمان البيانات وتحميها من أي تعديلات غير مرغوب بها.

سلبيات لغات البرمجة بالكائنات

لغات البرمجة بالكائنات صعبة التعلم للمبتدئين ويستغرق فهمها والتعرف على طريقة عملها بشكل جيد وقتًا وجهدًا.
تسبب البرمجة بالكائنات زيادة في حجم كود البرامج حيث تتضمن البرامج المطورة باستخدام نموذج البرمجة كائنية التوجه عددًا أكبر من التعليمات البرمجية مقارنة بالبرامج المطورة بنموذج البرمجة الإجرائية.
تعد البرامج المطورة باستخدام نموذج البرمجة بالكائنات أبطأ من البرامج المطورة باستخدام نماذج البرمجة الأخرى.
قد لا تناسب البرمجة بالكائنات جميع أنواع المشاكل البرمجية كالأنظمة البسيطة إلى حد ما التي يفضل حلها باستخدام نموذج البرمجة الإجرائية أو الأنظمة البالغة التعقيد التي تضطر فيها إلى إنشاء الكثير من مستويات الوراثة لتحقيقها ما يجعل الكود مربك وصعب الفهم والتي يناسبها نموذج البرمجة الوظيفية.

الخلاصة

تعرفنا في مقال اليوم على نموذج البرمجة بالكائنات OOP وشرحنا أهم المفاهيم والمصطلحات المرتبطة به مثل الصنف والكائن ومبادئ التجريد والتغليف والوراثة وتعدد الأشكال وعددنا أهم لغات البرمجة بالكائنات وأبرز سلبيات وإيجابيات هذا النموذج البرمجي، كل ما عليك الآن هو تطبيق هذه المفاهيم بشكل عملي من خلال إحدى لغات البرمجة التي تدعمها كي تتمكن من فهمها واستيعابها بشكل أفضل.