ما هي البرمجة ومتطلبات تعلمها؟

يمكن القول إنك لن تحتاج لأكثر من اتصال بالإنترنت لتتعلم البرمجة من هذه السلسلة، ومع أن هذا يكفي من الناحية التقنية إلا أنه غير كافٍ لتعلم البرمجة، إذ يجب التنويه إلى أسلوب التفكير الذي ستتبعه في البرمجة، فلابد أن تتمتع بفضول للتعلم مع أسلوب منطقي لتفكير، وهما أمران لازمان لأي مبرمج ناجح.

تبرز أهمية الفضول في البحث عن إجابات للمشاكل، وفي قدرتك على التجربة والتنقيب في الملفات بحثًا عن الأفكار والمعلومات المطلوبة لتنفيذ مهمة معينة، كما أن التفكير المنطقي مهم لأن الحواسيب آلات غبية بطبيعتها، ولا تستطيع فعل أي شيء سوى إضافة أرقام مفردة إلى جانب بعضها البعض، وتحريك بايتات من مكان لآخر.

لقد كتب كثير من المبرمجين المهرة -لحسن الحظ- برمجيات تُخفي غباء الحواسيب هذا، لكنك بصفتك مبرمجًا ستتعرض لمواقف تواجه فيها ذلك الغباء الذي لم يعالجه أو يتعامل معه أحد قبلك، وهنا يجب أن تضع نفسك مكان الحاسوب وتفكر بدلًا عنه، وأن تعرف تحديدًا ما يجب عمله ببياناتك وزمن ذلك أيضًا. قد يكون هذا سردًا فلسفيًا لأمر يبدو تقنيًا وإلكترونيًا محضًا، غير أنك تحتاج إلى مثل تلك الفلسفة لتفهم هذا الشرح فهمًا جيدًا.

بعد ذلك يأتي الجزء الخاص بالتدريب العملي الذي ستحتاج فيه إلى كتابة الأمثلة بيدك، أو نسخها من الكتاب إلى المحرر النصي عندك، ثم تشغيلها ورؤية النتائج، وستحتاج هنا إلى تثبيت بايثون Python على حاسوبك، وإلى متصفح قادر على تشغيل لغتي VBScript وJScript، مع الإشارة إلى أن أي متصفح حديث قادر على تشغيل جافاسكربت.

بايثون Python

يُعَد أحدث إصدار من لغة بايثون وقت كتابة هذه الكلمات -بلغتها الأصلية- هو 3.9، وحجم ملف تحميله من ActiveState يقارب 29 ميجا بايت لنسخة إصدار ويندوز (لا زالت ActiveState في الإصدار 3.8)، غير أنها تشمل كامل التوثيق والكثير من الأدوات التي سننظر في بعضها لاحقًا في هذه السلسلة، لذا تأكد من اختيار النسخة الموافقة لنظام تشغيلك.

أما بالنسبة لنظام لينكس أو الأنظمة الشبيهة بيونكس عمومًا، فاطلب من مدير نظامك تثبيت النسخة المصدرية لبايثون على حاسوبك، لكن قد لا تحتاج إلى ذلك لأنها تأتي مدمجةً مسبقًا، ومثبتةً تلقائيًا في أغلب توزيعات لينكس، كما ستجدها في الإصدارات بتحزيمات موجهة للتوزيعات المشهورة مثل ريدهات Red Hat وديبيان Debian وأوبنتو Ubuntu وغيرها، بل قد تجد أن أغلب أدوات إدارة النظام في لينكس مكتوبة بلغة بايثون، ولا تقلق إذا كان إصدارك أقل من 3.6، فأي إصدار بعد 3.4 سيكون مناسبًا.

تستطيع النظر في نسخ التحميل المختلفة لاختيار ما يناسبك من موقع التحميل الرئيسي لبايثون، أما مستخدمو ويندوز وماك فقد يفضلون نسخة ActiveState.com التي تأتي غالبًا مع بعض الأدوات الإضافية المدمجة في البرنامج نفسه، وقد تكون ActiveState متأخرةً قليلًا في إصدار نسخها الجديدة بسبب برنامجهم الخاص في التحزيم والاختبار، غير أنها تستحق الانتظار.

VBScript وجافاسكربت

لقد سبق وأن قلنا إن أغلب المتصفحات تستطيع تشغيل جافاسكربت دون مشاكل، لكن VBScript عكس ذلك، فهي لن تعمل إلا في متصفح إنترنت إكسبلورر من مايكروسوفت، ولن تحتاج إلى تثبيت أي شيء إضافي لهاتين اللغتين، فإما أن تكونا لديك معًا إذا كنت تستخدم ويندوز، أو لن تكون لديك VBScript إذا كنت تستخدم ماك أو لينكس، والأمر الوحيد الذي عليك الانتباه إليه هنا هو أن بعض مديري الأنظمة القلقين بشأن الأمان قد يغلقون خاصية تشغيل السكربتات scripts في المتصفح لدواع أمنية، لكن هذا نادر الآن لأن أغلب المتصفحات تشغّل جافاسكربت.

برمجة الحواسيب هي فن نجعل فيه الحاسوب ينفذ ما نرغب فيه بالضبط، وهي تتكون في أبسط صورها من سلسلة أوامر نعطيها للحاسوب لينفذها من أجل تحقيق هدف ما، وقد كان المستخدمون قديمًا أيام نظام دوس الخاص بويندوز، ينشئون ملفات نصيةً تحوي قوائم من تلك الأوامر، تُسمى ملفات الرُّقع أو باتش batch files (تدعى غالبًا سكربتات أو سكربت باتش)، وسبب تسميتها بذلك هو أنها تنفذ الأوامر مثل مجموعة أو رقعة واحدة، وكان امتدادها هو ‎.BAT، لذا أُطلق عليها اسم ملفات بات BAT، ولا يزال بإمكاننا كتابة مثل تلك الملفات في بيئات ويندوز هذه الأيام رغم ندرة استخدامها، فمثلًا إذا كنت تكتب مستند HTML مكوَّن من ملفات كثيرة مثل الدليل الذي تقرؤه الآن، فسينشئ برنامج معالجة النصوص الذي تستخدمه نسخًا احتياطيةً من كل ملف كلما حفظ نسخةً جديدةً منه. فإذا رغبت في أن تضع النسخة الحالية من المستند -وهي الإصدارات الأخيرة من جميع ملفاته- في مجلد نسخ احتياطي backup في آخر كل يوم ثم حذف النسخ الاحتياطية التي لدى معالج النصوص؛ فيمكن كتابة ملف BAT بسيط لتنفيذ لك، وسيكون كما يلي:

COPY *.HTM BACKUP
DEL *.BAK

إذا كان اسم الملف هو SAVE.BAT فسنكتب SAVE في محث DOS (يطلق على المحث أيضًا موجه أوامر) في نهاية اليوم بعد انتهاء العمل، وستُحفظ الملفات وتُحذف النسخ الاحتياطية تلقائيًا، وهكذا تكون قد رأيت مثالًا عمليًا لبرنامج بسيط.

لاحظ أن مستخدمي نظام لينكس وغيره، بل حتى مستخدمي الإصدارات الحديثة من ويندوز، لديهم نسختهم الخاصة بهم من أمثلة تلك الملفات، والتي تُعرف عادةً باسم سكربتات الصدفة shell scripts، وهي أقوى بكثير من ملفات BAT الخاصة بنظام دوس، وتدعم أغلب التقنيات البرمجية التي سنتحدث عنها في هذا المقال.

تعريف البرنامج مرة أخرى

لقد ذكرنا أعلاه مثالًا عن برنامج، لنبين بساطة مفهوم البرمجة في حد ذاته، لكن إذا خشيت عدم فهم البرمجة، فاعلم أن البرنامج ما هو إلا مجموعةً من التعليمات التي تخبر الحاسوب كيف ينفذ مهمةً ما، وهو يشبه وصفة الطعام التي تتكون من مجموعة من التعليمات التي تخبر الطاهي كيف يصنع طبقًا ما، فهي تصف مقادير المكونات (البيانات) وترتيب خطوات التنفيذ (العملية) المطلوبة لتحويل تلك المكونات إلى كعكة أو غيرها، فالبرنامج يشبهها كثيرًا في هذا.

نظرة تاريخية

نحن نستخدم لغةً للحديث مع الحواسيب، كما نستخدم لغات بيننا نحن البشر، غير أن اللغة الوحيدة التي يتحدثها الحاسوب تسمى اللغة الثنائية binary والتي توجد عدة نسخ منها، لهذا لا يعمل برنامج موجه لنظام ماك على ويندوز والعكس. ويُعَد تعلّم هذه اللغة صعبًا جدًا بالنسبة للبشر، سواءً قراءتها أو كتابة برامج بها، لذلك يجب أن نستخدم لغةً وسيطةً ثم نترجمها إلى اللغة الثنائية، تمامًا مثل شخصين من دولتين مختلفتين يتحدثان معًا وبينهما مترجم وسيط يفسر كلام كل منهما للآخر، فقد يتحدث أحدهما العربية والآخر الإنجليزية، فيترجم المترجم الكلام العربي إلى الإنجليزية وينقله إلى متحدث الإنجليزية، ثم يعكس العملية إذا تحدث الإنجليزي مخاطبًا الشخص العربي، وما سنستخدمه ليترجم لغتنا البرمجية إلى الحاسوب يسمى مترجمًا أو مفسرًا interpreter. وكما نحتاج مفسرًا لكل لغة من لغات البشر، فإننا نحتاج مفسرًا لكل لغة برمجية ليترجمها إلى لغة الحاسوب، فنحتاج مفسرًا من بايثون إلى لغة الآلة الثنائية binary، وآخر من VBScript إلى لغة الآلة كذلك، غير أن المبرمجين الأوائل كانوا مضطرين إلى كتابة الشيفرات الثنائية تلك بأنفسهم، أي بلغة الآلة التي ذكرناها قبل قليل وهي صعبة الكتابة والتعلم.

بعد ذلك أتت المرحلة التالية التي أُنشئ فيها مفسر يحول كلمات مكتوبةً بأحرف بشرية إلى ما يقابلها من اللغة الثنائية، فبدلًا من تذكر أن الرمز ‎001273 05 04‎ يعني جمع 4 إلى 5، نستطيع الآن أن نكتب شيئًا مثل ADD 5 4، وقد سهلت تلك النقلة البسيطة الكثير من عمل البرمجة والتطوير، حيث كانت تلك الأنظمة البسيطة من الشيفرات هي لغات البرمجة الأولى التي كانت تختلف باختلاف نوع الحاسوب، وتسمى باسم اللغات المجمِّعة Assembler Languages، ولا زالت البرمجة بلغة التجميع مستخدَمةً هذه الأيام في بعض المهام المتخصصة، لكن هذا التطور كان بدائيًا في أسلوب إخبار الحاسوب بما يجب فعله، مثل نقل البيانات من هذا الموضع من الذاكرة إلى ذلك الموضع، وإضافة هذا البايت إلى ذلك البايت وغيرها من العمليات.

البايت Byte هو وحدة بيانات تتكون من ثمانية بتّات bits أصغر منه ومجموعة فيه، وتلك البتات تكون إما 1 أو 0، وقد استُخدم البايت في البداية لتمثيل محارف النصوص، بحيث يمثل كل بايت حرفًا واحدًا.

وبما أن هذا النمط من البرمجة لا زال صعبًا في تعلمه والعمل به لإنجاز أبسط المهام، فقد طور علماء الحوسبة مع الوقت لغات تسهل عملية البرمجة، وكأن ذلك جاء في وقته إذ تطورت المشاكل التي يواجهها المستخدمون في ذلك الوقت بسبب تطور المهام في أعمالهم اليومية، وهم يريدون للحواسيب أن تحل لهم تلك المشاكل.

ولا زال هذا التنافس قائمًا، كما لا زالت لغات البرمجة الجديدة تظهر على الساحة. هذا ومع جعل البرمجة أمرًا مثيرًا يتغير كل يوم، إلا أنه يجعلك كونك مبرمجًا في حاجة إلى استيعاب المفاهيم البرمجية وطرق تنفيذها وتطبيقها في لغة واحدة بعينها، وسنناقش بعض تلك المفاهيم فيما يلي، لكن يجب أن تجعلها حاضرةً عندك تعود إليها دائمًا أثناء قراءتك للسلسلة.

المزايا المشتركة لجميع البرامج

خرج إدزجر ديكسترا Edsger Dijkstra قبل زمن بمفهوم اسمه البرمجة الهيكلية Structured Programming، يتحدث فيه عن إمكانية هيكلة جميع البرامج بأربعة طرق، هي الآتية:

سلاسل من التعليمات: يتحرك فيها البرنامج من خطوة لأخرى في تسلسل صارم.

الفروع Branches: هنا يصل البرنامج إلى نقطة اتخاذ قرار، فإذا تحققت نتيجة الاختبار -أي كانت القيمة true-، فإن البرنامج سينفذ التعليمات التي في المسار 1، وإذا كانت false فسينفذ الإجراءات التي في المسار 2، ويُعرف هذا بالبنية الشرطية لأن سير البرنامج يتوقف على نتيجة اختبار شرطي.

الحلقات التكرارية Loops: تُكرَّر خطوات البرنامج في هذه الطريقة إلى أن نصل إلى اختبار شرطي ما، ينتقل تحكم البرنامج بعدها من الحلقة التكرارية إلى الجزء التالي من منطق البرنامج.

الوحدات Modules: هنا ينفذ البرنامج تسلسلًا متطابقًا من الخطوات عدة مرات، فتُجمع تلك الإجراءات في وحدة واحدة، وهي برنامج صغير الحجم يمكن تنفيذه من داخل البرنامج الرئيسي، وقد تُسمى الوحدات بأسماء أخرى مثل الدوال functions أو الإجراءات procedures أو البرامج الفرعية sub-routines.

احتاجت البرامج إلى بعض المزايا الأخرى، إضافةً إلى ما سبق كي تكون مفيدة:

البيانات
العمليات: مثل الجمع والطرح والموازنة وغيرها.
إمكانية الإدخال والإخراج: مثل عرض النتائج على شاشة مثلًا.

وبمجرد أن تستطيع استيعاب المفاهيم أعلاه، والتعرُّف على كيفة تنفيذ اللغة البرمجية التي تستخدمها لها، فستكون قادرًا على كتابة برامج بتلك اللغة.

توضيح بعض المصطلحات

إذا قلنا إن البرمجة هي الفن الذي نجعل فيه الحواسيب تنفذ ما نريده منها، فما هو البرنامج إذًا؟

في الواقع لدينا مفهومان مختلفان عن البرنامج، أولهما من منظور المستخدم، وهو ملف تنفيذي يثبَّت على الحاسوب ثم يمكن تشغيله لتنفيذ مهمة ما، فمثلًا يقول المستخدم أنه "يشغِّل" برنامج معالجة النصوص؛ أما المفهوم الثاني فهو من منظور المبرمج، وهو هنا مجموعة من التعليمات النصية الموجهة إلى الحاسوب المكتوبة بلغة برمجة ما، ويمكن ترجمتها إلى ملف تنفيذي. لهذا يجب أن تكون مدركًا عن أي المفهومين تتحدث حين تستخدم كلمة برنامج.

يكتب المبرمجون برامجهم عادةً بلغة برمجة عالية المستوى تفسَّر إلى بايتات يفهمها الحاسوب، أي يكتب المبرمج شيفرةً مصدريةً source code؛ أما المفسر فيولد تعليمات مُصرَّفة object code، وقد يطلق على هذه التعليمات الناتجة عن التصريف أسماء أخرى مثل ملف تنفيذي أو شيفرة تنفيذية أو محمولة P-Code أو بايت كود Byte Code أو شيفرة ثنائية binary code، أو شيفرة الآلة machine code.

كما يطلق على المترجم الذي يترجم لغة البرمجة العالية إلى لغة الآلة عدة أسماء، فقد يسمى بالمفسر interpreter أحيانًا، وبالمصرِّف compiler أحيانًا أخرى، وتشير هذه المصطلحات إلى نوعين من التقنيات المستخدمة في توليد الشيفرات الكائنية من الشيفرة المصدرية، فالمصرِّفات تنتج شيفرةً كائنيةً يمكن تشغيلها مستقلةً بذاتها دون الحاجة إلى المصرِّف في كل مرة يعمل فيها البرنامج، ويكون البرنامج في صورة ملف تنفيذي executable file؛ أما المفسِّرات فيجب أن تكون حاضرةً لتشغيل برامجها أثناء تنفيذها. لكن الفرق بين هذين المصطلحين صار ضبابيًا هذه الأيام بما أن بعض المصرفات تحتاج إلى مفسرات تكون حاضرةً لتنفيذ التحويل النهائي، كما تصرِّف بعض المفسرات شيفرتها المصدرية إلى شيفرة كائنية مؤقتة وتنفذها؛ أما من منظور المبرمجين فليس هناك فرق حقيقي، إذ تُكتب الشيفرة المصدرية وتُستخدَم أداة تسمح للحاسوب بقراءة الشيفرة وترجمتها وتنفيذها.

هيكل البرنامج

يعتمد الهيكل الدقيق للبرنامج على لغة البرمجة والبيئة التي يعمل فيها، لكن توجد بعض المبادئ الأساسية عمومًا:

المحمِّل Loader: يحتاج كل برنامج أن يُحمّله نظام التشغيل إلى الذاكرة، وهذه وظيفة المحمل الذي يُنشأ عادةً بواسطة المفسر.
تعريفات البيانات: تعمل أغلب البرامج بناءً على بيانات، وسنحتاج في مرحلة ما في شيفرتنا المصدرية إلى تعريف نوع البيانات الذي نعمل معه تعريفًا دقيقًا، وهذا يختلف من لغة برمجة لأخرى.
التعليمات statements: وهي صلب البرامج، وهي تعدّل البيانات التي نعرّفها وتنفذ الحسابات وتطبع الخرج لنا..

تتبع أغلب البرامج إحدى الهيكلين التاليين:

برامج باتش Batch Programs

تُبدأ تلك البرامج عادةً من سطر الأوامر أو بواسطة أداة جدولة، وتتبع النمط التالي في الغالب.

يبدأ البرنامج بتعيين حالته الداخلية كأن يعين الإجماليات totals إلى صفر، ويفتح الملفات المطلوبة، وبمجرد أن يكون جاهزًا للعمل، فإنه يقرأ البيانات من المستخدم بعرض موجهات الأوامر أو المحثات على الشاشة أو من ملف بيانات، أو بالطريقتين معًا، حيث يعطي المستخدم اسم ملف البيانات ثم تُقرأ البيانات الفعلية من الملف، بعد ذلك يعالج البرنامج البيانات معالجةً تتضمن عمليات رياضيةً أو تحويلات للبيانات أو غير ذلك، أخيرًا، تُخرج النتائج إلى شاشة عرض أو تُكتب إلى ملف، وستكون جميع البرامج التي نكتبها في الأجزاء الأولى من السلسلة من هذا النوع، أي برامج باتش أو رُقع.

البرامج الحدثية Event driven programs

تُعَد أغلب الأنظمة ذات الواجهة الرسومية مثل ويندوز أو أندرويد، وأنظمة التحكم المدمجة Embedded control systems مثل جهاز المايكروويف لديك أو الكاميرا أو غيرهما، من البرامج الحدَثية، أي يتوقف سيرها على وقوع أحداث معينة، بحيث يرسِل نظام التشغيل أحداثًا إلى البرنامج فيستجيب لها وفقًا لوصولها إليه، وقد تكون تلك الأحداث أمورًا يفعلها المستخدم مثل نقر زر الفأرة أو ضغط زر ما، أو أمورًا يفعلها النظام نفسه مثل تعديل الساعة أو تحديث الشاشة، وتبدو البرامج الحدثية في الغالب كما يلي:

يبدأ البرنامج هنا بتعيين حالته الداخلية، ثم ينتقل التحكم إلى بيئة التشغيل (تسمى أحيانًا وقت التشغيل runtime)، ويوفر نظام التشغيل تلك البيئة في الغالب، كما ينتظر البرنامج حلقة الحدث لتلتقط تفاعل المستخدم الذي يترجَم إلى أحداث بعدها، ثم ترسَل تلك الأحداث إلى البرنامج كي يتعامل معها حدثًا حدثًا، وينفذ المستخدِم الإجراء النهائي الذي ينهي البرنامج، فيُنشَأ حدث خروج ويُرسَل إلى البرنامج.

خاتمة

ذكرنا في هذا المقال أنك تحتاج إلى التفكير المنطقي والفضول من أجل تعلم البرمجة، ويمكن الرجوع في هذا إلى مقال الدليل الشامل في تعلم البرمجة من أكاديمية حسوب، ومقال حل المشكلات وأهميتها في احتراف البرمجة من الأكاديمية أيضًا، كما يجب أن نذكر أن كل لغات البرمجة المذكورة أعلاه متاحة للتحميل مجانًا، وبهذا لا يبقى سوى أن تأتي بذهن حاضر، مع قليل من حس الدعابة والمرح لنبدأ البرمجة، إذ تسمح لنا لغات البرمجة بالتحدث مع الحواسيب بلغة قريبة من لغات البشر المنطوقة، لكنها تختلف عن الطريقة التي تتحدث الحواسيب أو تفكر بها، وقد قلنا إن البرامج تعمل وفقًا للبيانات، وأنها إما برامج رُقع batch programs أو برامج حدثية Event driven تتصرف وفقًا للأحداث التي تُرسل إليها.

ترجمة -بتصرف- للفصلين ?What do I need و?What is Programming من كتاب Learning to Program لصاحبه Alan Gauld.