مدخل إلى جافا الصناديق السوداء: البرامج الفرعية في جافا

تستطيع عمومًا أن تقتطع مجموعة من التَعْليمَات (instructions) المسئولة عن إنجاز مُهِمّة واحدة مُحدَّدة، وتُضمِّنها معًا تحت اسم معين، ومِنْ ثَمَّ، تستطيع التَعامُل مع تلك المُهِمّة كوحدة واحدة مهما بَلغت درجة تعقيدها، يُطلق على تلك الوحدات اسم البرنامج الفرعي (subroutine). والآن، لَمْ يَعُدْ هناك أيّ داعي للقلق بشأن أيّ من تلك الخطوات التي قد يَكُون الحاسوب مضطرًا لتَّنْفيذها أثناء إنجازه لمُهِمّة معينة، وإنما تحتاج فقط لتَذَكُّر اسم البرنامج الفرعي (subroutine) الخاص بتلك المُهِمّة؛ لكي تتَمكَّنْ من استدعائه (call). تُعدّ البرامج الفرعية عمومًا أحد أهم الأدوات الأساسية لتبسيط المسائل المعقدة.

في الواقع، البرامج الفرعية (subroutine) هي أشبه ما تَكُون بـ"صندوق أسود (black box)"؛ لا يُمكِنك رؤية ما بداخله، أو بتعبير أدق، لا ترغب برؤيته؛ لأنك إذا فعلت، فستكون مُضطرًا للتعامل مع ذلك الكم الهائل من التعقيد الذي يُفْترَض لذلك البرنامج الفرعي إخفائه بالأساس. على الجانب الآخر، لا يُمكِن أن يَقْتصِر ذلك الصندوق على عالمه الداخلي، وإلا سيكون عديم الفائدة، بل ينبغي له التَفاعُل مع العالم الخارجي، ولهذا فإنه يحتاج إلى ما يُشبه الواجهة (interface) التي تَسمَح بتَفاعُل ما بداخل الصندوق مع ما هو خارجه. على سبيل المثال، قد يُوفِّر صندوق أسود مادي عدة أزرار قابلة للضغط، أو قرص قابل للضبط، أو عدة فتحات لتمرير المعلومات جيْئةَ وذَهابًا. يحاول الصندوق عمومًا التخلص من التعقيد بإخفائه، ولذلك فإن القاعدة الأولى لأيّ صندوق أسود هي كالتالي: "ينبغي لواجهة (interface) أيّ صندوق أسود أن تَكُون مُبسَّطة، وسَهلة الفهم، ومُعرَّفة بصورة جيدة."

هل توجد صناديق سوداء ضِمْن عالمنا الذي نعيش فيه؟ في الواقع، إنها تُحيط بك من كل جانب: تلفازك، وسيارتك، وهاتفك المحمول، وثلاجتك هي مجرد أمثلة قليلة. على سبيل المثال، تَتَكوَّن واجهة (interface) التلفاز من عدة عناصر هي مفتاحي التَشْغِيل والغَلْق، وجهاز التحكم -ولا تنس بالطبع وضع قابس الكهرباء-، والتي تستطيع من خلالها غَلْق التلفاز، وتَشْغِيله، أو تَغْيِير القناة، أو ضَبْط الصوت، وذلك بدون أيّ فهم لكيفية عَمَل تلك الأشياء. يَنْطَبِق نفس الشيء على هاتفك المحمول على الرغم من كَوْن واجهته أكثر تعقيدًا بعدّة مراحل.

يُسمَى الجزء الداخلي من الصندوق الأسود بالتَّنْفيذ (implementation)، والذي قد يَتمثَل في صورة مجموعة الالكترونيات داخل عُدَّة التلفاز أو في صورة شيفرة البرنامج الفرعي الفعليّة المسئولة عن تَّنْفيذ مهمة البرنامج، وعليه تَكُون القاعدة الثانية لأيّ صندوق أسود كالتالي: "لا حاجة لمَعرِفة أيّ شيء عن الجزء التَّنْفيذي (implementation) الخاص بصندوق أسود لكي تَتَمكَّنْ من اِستخدَامه، وإنما يَكفيك مَعرِفة واجهته (interface)."

تستطيع عمومًا إعادة كتابة الجزء التَّنْفيذي (implementation) لبرنامج فرعي معين طالما لم تتأثر واجهته بذلك التَغْيِير. على سبيل المثال، عندما تغَيَّرت عُدَّة التلفاز الداخلية من اعتمادها على الصمامات المُفْرغَة (vacuum tubes) إلى الترانزستور (Transistor)، لَمْ يَكُن هناك داعي لمَعرِفة أي شيء عن ذلك أو مَعرِفة حتى ما قد يَعنِيه، وبالمثل، يُمكِن إعادة كتابة الجزء الداخلي لأيّ برنامج فرعي؛ ربما بهدف كتابة شيفرة أكثر كفاءة، وذلك بدون إِحداث أي تَغْيِير على البرامج المُستخدِمة لذلك البرنامج الفرعي (subroutine).

تَحَصُّلك على صندوق أسود يَعنِي بالضرورة أن شخصًا ما كان قد صمم تَّنْفيذه (implementation) وبناه، وفي الواقع، يَستفيد كُلًا من المُنفِّذ (implementor) والمُستخدِم من فكرة وجود صندوق أسود، فبالنهاية، يُمكِن اِستخدَام ذلك الصندوق بعَدََدَ لا محدود من المواضع المختلفة، والتي لا يحتاج المُنفِّذ (implementor) أن يَعلم عنها شيئًا، وإنما يَقْتصِر دوره على التأَكُّد من أن ذلك الصندوق يُنفِّذ مُهِمّته المُوكلة إليه تَّنْفيذًا صحيحًا، مع تَوْفِيره لواجهة (interface) سليمة تَسمَح للصندوق بالتَفاعُل مع العالم الخارجي. وعليه تَكُون القاعدة الثالثة لأيّ صندوق أسود كالتالي: "لا يحتاج مُنفِّذ صندوق أسود معين مَعرِفة أيّ شيء عن تلك الأنظمة الأكبر التي ربما قد تُوظِّف ذلك الصندوق داخلها."

يُمكِن القول أن أيّ صندوق أسود يُقسِّم العالم إلى جزئين: الجزء الداخلي أو التَّنْفيذي (implementation) والجزء الخارجي، بحيث تَقع الواجهة (interface) على الحد الفاصل بينهما وتربطهما معًا.

لاحِظ أن الواجهة (interface) ليست مجرد رابط مادي بين صندوق معين وعالمه الخارجي، وإنما تَتضمَّن أيضًا تَوصِيفًا (specification) لما يُنجزه الصندوق بالإضافة إلى تبيان واضح لطريقة اِستخدَام تلك الواجهة. فمثلًا، لا يكفي أن تقول أن التلفاز يُوفِّر مفتاح تَشْغِيل، وإنما لابُدّ من تَحْدِيد إمكانية اِستخدَام ذلك المفتاح لأغراض تَشْغِيل التلفاز وغَلْقه.

دَعْنَا نُعيد صياغة ما تَعنيه الواجهة (interface) بمصطلحات علم الحاسوب (computer science). تَتَكوَّن واجهة أيّ برنامج فرعي (subroutine) من مُكوّنين رئيسيين، الأول هو تَوصِيف صياغي أو نَحوِي (syntactic specification)، والآخر تَوصِيف دلالي (semantic specification). يخبرك الأول بالكيفية التي يُسْتَدعى (call) بها ذلك البرنامج الفرعي، بينما يُحدِّد الثاني المُهِمّة (task) المُوكَلة لذلك البرنامج والتي يُفْترَض له إنجازها. لابدّ من مَعرِفة التوصيف الصياغي (syntactic specification) لبرنامج فرعي معين؛ وذلك لاستدعائه استدعاءً سليمًا، بينما لابُدّ من مَعرِفة توصيفه الدلالي (semantic specification)؛ وذلك لفهم الغرض منه، واِستخدَامه بطريقة فعالة. عادةً ما يُستخدَم مصطلح المواصفة الاصطلاحية للبرنامج الفرعي (contract of subroutine) للإشارة إلى مُكوّني الواجهة -الصياغي والدلالي- معًا.

تقول المواصفة الاصطلاحية (contract) لأيّ برنامج فرعي: "ها هو ما ينبغي القيام به لإستدعائي، وها هو ما سأُنْجِزُه بالمقابل". ينبغي للتعليقات (comments) المكتوبة لبرنامج فرعي معين أن تُبرز مُواصفته الاصطلاحية بصورة واضحة، وهو في الواقع ما لا يَحدُث عمليًا، مما يُؤدي إلى انزعاج المبرمجين الذين قد يكونوا مُضطرّين لاِستخدَام ذلك البرنامج الفرعي.

سأنتقل ببقية هذا الفصل من مجرد الحديث عن الفكرة العامة للصندوق الأسود والبرامج الفرعية إلى تفاصيل كتابة تلك البرامج بلغة الجافا وكيفية اِستخدَامها. ولكن حَاوِل دومًا اِستحضار تلك الأفكار والمبادئ العامة بذهنك؛ لأنها تُبرز الغرض الأساسي من وجود البرامج الفرعية، وتُرشدك لكيفية اِستخدَامها. سيَكُون ذلك أكثر وُضوحًا بوصولنا للقسم ٤.٧ حيث سنناقش البرامج الفرعية كأداة لتطوير البرامج.

تَذكَّر دائمًا أن البرامج الفرعية (subroutines) ليست الصناديق السوداء الوحيدة بعالم البرمجة. على سبيل المثال، يُعدّ الصنف (class) صندوقًا أسودًا، يَتكوَّن من جزئين، أحدهما عام (public) يُمثِل واجهته (interface)، والآخر خاص (private) يُمثِل تَّنْفيذه (implementation) الخَفي. تَنْطَبِق مبادئ الصناديق السوداء عمومًا على كُلًا من الأصناف (classes) والبرامج الفرعية (subroutines).

ترجمة -بتصرّف- للقسم Section 1: Black Boxes من فصل Chapter 4: Programming in the Large I: Subroutines من كتاب Introduction to Programming Using Java.