برنامه‌نویسی شیءگرا

فلسفه‌ای که منجر به شکل‌گیری زبان‌های شی‌گرا شد، عبارت بود از این واقعیت که نحوه عملکرد مغز و شیوهٔ دریافت اطلاعات از محیط پیرامون و پردازش آن اطلاعات (اندیشیدن)، شیوه‌ای شی‌گراست، از همین روی می‌بایستی زبانی تعریف می‌شد که همین شیوه را مبنای کار خود قرار داده و بازتولید می‌کرد؛ و دقیقاً به همان شکل که اشیا در جهان خارج، دارای هویت و کارکرد مشخص و یگانه برای خود هستند و در عین حال با دیگر اشیا در ارتباطی تنگاتنگ و مستقیم‌اند، در زبان‌های برنامه‌نویسی نیز می‌بایستی این اصول کلی برقرار می‌شد.[3] تا به این شکل، برنامه‌نویس بتواند با بهره‌گیری از زبانی که به روش اندیشیدنش، نزدیکی بیشتری دارد، شی‌های مختلفی را تعریف نموده، این شی‌ها را در ارتباط با یکدیگر قرار داده و از شی‌های پویای تولید شده برای حل مسئلۀ پیش روی استفاده نماید. امروزه اکثر زبان‌های دستوری برنامه‌نویسی از فنون شی‌گرایی پشتیبانی می‌کنند.

زبان‌هایی مانند جاوا، سی پلاس پلاس(++c)، سی شارپ، دلفی از جمله زبان‌های شی‌گرا هستند. حتی بسیاری از زبان‌های روال‌گونه که ساختار برنامه‌ها در آن‌ها بلوک‌هایی با نام پروسیجر است، امروزه از فنون شی‌گرایی نیز پشتیبانی می‌کنند. زبان‌های سی++[4] و پی‌اچ‌پی از این جمله هستند. هر شیء یک سری خصوصیت و قابلیت دارد، که اصطلاحاً Properties و Operation خوانده می‌شوند. در این پارادایم برنامه‌نویسی، دید برنامه‌نویس به سیستم، دید شخصی است، که سعی می‌نماید با پیدا کردن اشیاء مختلف در سیستم و برقراری ارتباط بین آن‌ها، سیستم را تولید نماید.

لازم است ذکر شود که تکنیک برنامه‌نویسی شی‌گرا به مراتب کارا و پیچیده‌تر از سبک برنامه‌نویسی مبتنی بر تابع است. دلایل برتری برنامه‌نویسی شی‌گرا:

1. قابلیت سازمان دهی بهینه‌تر کدها
2. قابلیت تقسیم برنامه به برنامه‌های کوچک‌تر اما مستقل. برنامهٔ اصلی به صورت یک exe در می‌آید که دیگر قسمت‌های مستقل برنامه را فراخوانی می‌کند.
3. عدم نیاز به نوشتن کدهای تکراری و قابلیت‌هایی که قبلاً پیاده‌سازی شده‌اند و صرف جویی در استفاده از منابع.

با این وجود، بسیاری از توسعه دهندگان سعی می‌کنند در پروژه‌های کوچک و ساده خود از سبک برنامه‌نویسی مبتنی بر تابع بهره بگیرند.

کلاس نوع خاصی از آرایه است که امکان ذخیره و جمع‌بندی تعداد زیادی المان را (که شامل داده‌ها و توابع هستند) برای یک شی جدید فراهم آورده و تحت یک نام مشترک ذخیره می‌کند. اما بر خلاف آرایه که تنها قادر به ذخیرهٔ داده‌هایی هم جنس است، کلاس می‌تواند داده‌هایی از جنس‌های مختلف را ذخیره نماید.[5] به‌طور مثال در نظر بگیرید که می‌خواهیم تاریخ ۱۳ نوامبر ۲۰۰۶ را که تشکیل شده از روز، ماه و سال است مورد استفاده قرار دهیم. برای این منظور سه نوع متغیر متفاوت مورد نیاز است:

int day;
String month;
int year;

حال در نظر بگیرید که نه فقط یک تاریخ، بلکه n تاریخ متفاوت مورد نیاز است. این بدان معنی ست که می‌بایستی به تعداد n بار، سه متغیر بالا، جداگانه تعریف شوند و تعریفِ تک تک و پیاپی متغیرها، نه فقط از لحاظ زمانی بسیار وقت گیر می‌نماید، بلکه از لحاظ میزان کد مورد نیاز نیز بسیار غیر عملی ست، چرا که هر بار می‌بایستی نام جدیدی برای متغیرها در نظر گرفته شود (دو متغیر متفاوت نمی‌توانند هم نام باشند).

اینجاست که کلاس‌ها به خوبی وارد عمل می‌شوند. با استفاده از کلاس‌ها می‌توان متغیرهای متعدد را زیر عنوان یک جنسیت مشترک جدید (به‌طور مثال هر سه را در یک کلاس با نام Date)، تعریف و جمع‌بندی نمود؛ و بعد از آن، بدون نیاز به تعریف مجدد روز، ماه و سال، از کلاس Date به میزان مورد نیاز استفاده کرد:[5]

class Date{
int day;
String month;
int year;
}

وراثت یا ارث بری (Inheritance) از مفاهیم اساسی برنامه‌نویسی شیءگراست. هر شیء یک نمونه از یک کلاس است و هر کلاس می‌تواند از کلاس یا کلاسهای دیگری مشتق شده باشد (خواص متدها یا رویدادهای کلاس‌های دیگر را به ارث ببرد). در یک مثال ساده می‌توان اتومبیلی را در نظر گرفت که برای جلوگیری از بازنویسی خواص عمومی اتومبیل شامل: چهار چرخ، متدهای حرکت چرخ، متد چرخاندن فرمان، فرمان، بدنه، در و غیره، می‌توان یک کلاس پایه از اتومبیل ایجاد کرد سپس مثلاً برای اتومبیل سیتروئن مدل C۵ یک کلاس جدید ایجاد کرده که خواص، متدها و رویدادهای عمومی اتومبیل را داشته باشد و فقط برای خواص، متدها و رویدادهای جدید این اتومبیل کد نوشته شود. این ویژگی باعث صرفه‌جویی در نوشتن کد و تا حدودی تضمین صحت کد موجود می‌شود. به عنوان مثال اگر کلاس پایه مشکلی داشته باشد فقط کافی است کلاس پایه تغییر داده شود و در تمامی کلاس‌هایی که از این کلاس پایه ویژگی‌ای را به ارث برده‌اند این تغییر اعمال خواهد شد.

کپسوله‌سازی، مخفی‌سازی (Encapsulation)، یا لفافه‌بندی، به این مفهوم اشاره دارد که باید بعضی خصوصیات یا رفتارهای شیء را از دید دیگران پنهان کرد. فرض کنید شما به عنوان یک راننده می‌خواهید اتومبیل شخصی‌تان را روشن کنید و به محل کارتان عزیمت کنید؛ سوییچ را برمی‌دارید، استارت می‌زنید و با فشار آوردن به پدال‌های گاز و ترمز و چرخش فرمان و … به محل کارتان خواهید رسید. در طول این مسیر در اتومبیل شما به عنوان یک شیء اعمال مختلفی در حال انجام بود. مثلاً لنت ترمز به دیسک چرخ برخورد می‌کرد و باعث کم شدن سرعت می‌شد یا شمع‌ها شروع به جرقه زدن در زمانی بخصوصی می‌کردند. حال فرض کنید که عمل مخفی‌سازی وجود نداشت و شما مجبور بودید که جرقه زدن شمع‌ها را کنترل می‌کردید و به سیستم سوخت‌رسانی در موقع لزوم دستور می‌دادید که سوخت را به داخل سیلندرها ارسال کند و غیره؛ یا هیچ‌گاه به مقصد نمی‌رسیدید، یا سالم نمی‌رسیدید. عمل مخفی‌سازی باعث می‌شود که اشیاء بدون آنکه از چگونگی کارکرد یکدیگر اطلاع داشته باشند با هم کار کنند.

چند ریختی، کمیتی است که به یک رابط امکان می‌دهد تا از عملیات یکسانی در قالب یک کلاس عمومی استفاده کند. عمل خاص کلاس را ذات حقیقی شیء تعیین می‌کند. مثال ساده‌ای از چند ریختی، فرمان اتومبیل است. عمل فرمان اتومبیل برای تمام اتومبیل‌ها بدون توجه به ساز و کاری که دارند، یکسان است. فرمان برای اتومبیل که به‌طور مکانیکی کار می‌کند یا با نیروی برق یا هر چیز دیگری، عمل یکسانی را انجام می‌دهد؛ بنابراین، پس از اینکه شما عملکرد فرمان را یادگرفتید، می‌توانید فرمان هر اتومبیلی را کنترل کنید. همین هدف در برنامه‌نویسی نیز اعمال می‌شود.

به‌طور کلی، مفهوم چند ریختی، اغلب با عبارت «یک رابط، چندین روش» بیان می‌شود. این بدین معنی است که امکان طراحی رابط عمومی برای گروهی از عملیات مرتبط وجود دارد. چند ریختی یا چندشکلی (Polymorphism) به این معنا است که اشیاء می‌توانند در موقعیت‌های مختلف، رفتارهای متفاوتی بروز دهند. مثلاً یک تابع در صورتی که بر روی نمونه‌ای از کلاس آ فراخوانی شود، رفتار ب را بروز دهد در حالی که اگر بر روی کلاس ج (که فرزند کلاس آ است) فراخوانی شود، رفتاری متفاوت انجام دهد.

به این معنا است که بخشی از موجودیّت یک مفهوم را که میان همهٔ وراث مشترک است، از پیش تعریف کنیم. این توانایی منجر به داشتن نگاه مشابه به موجودیّت‌های مشابه می‌گردد.

در اطراف ما اشیاء زیادی وجود دارد و می‌توان تمام مفاهیم موجود در طبیعت را با اشیاء تقلیل داد. مثلاً یک ماشین باربری. این ماشین یک سری خصوصیات دارد: چهار چرخ، یک پدال ترمز، یک پدال گاز، یک فرمان و یک محل بزرگ برای قرار دادن اشیاء در آن و… این ماشین در صورتی که ما پدال گاز آن را فشار دهیم، حرکت می‌کند. در صورتی که فرمان آن را بچرخانیم تغییر مسیر می‌دهد. پس این شیء علاوه بر یک سری خصوصیات، یک سری رفتار مشخص هم به ما نشان می‌دهد؛ ولی فقط این یک ماشین نیست که این کار را انجام می‌دهد. تمامی ماشین‌ها این کارها را انجام می‌دهند. پس می‌توانیم این ماشین را 'تعریف' کنیم و بگوییم: ماشین باربری وسیله‌ای است که چهار چرخ، یک گاز، یک ترمز، یک فرمان و یک محل برای حمل بار دارد و اگر پدال گاز آن فشار داده شود حرکت می‌کند. این تعریف این ماشین است ولی خود آن نیست. هر زمانی چنین ماشینی بخواهیم به کارخانه تولید آن می‌رویم و از فروشندگان می‌خواهیم تا با توجه به این تعریف یک ماشین به ما بدهند. مفاهیم فوق در زبان‌های برنامه‌نویسی شیءگرا گنجانده شده‌اند. در این زبان‌ها، اشیاء زیادی از پیش وجود دارند که برنامه‌نویسان می‌توانند از آن‌ها استفاده کنند.

مجدداً به مثال ماشین باربری بر می‌گردیم و این بار، یک ماشین سواری را تعریف می‌کنیم. ماشین سواری شیئی است که چهار چرخ، یک ترمز، یک پدال گاز و یک صندوق عقب دارد. این تعریف به تعریف ماشین باربری بسیار شبیه‌است. به عبارت دیگر ما به یک تعریف جدید می‌رسیم: خودرو. خودرو وسیله‌ای است که چهار چرخ، یک ترمز، یک پدال گاز دارد. پس از این به بعد تعریف ماشین باربری و ماشین سواری خیلی ساده‌تر می‌شود. ماشین باربری، خودرویی است که محلی برای قرار دادن بار داشته باشد و ماشین سواری، خودرویی است که صندوق عقب داشته باشد.

• اگر کسی به درب کارخانه مراجعه کند و بگوید که «خودرو» می‌خواهد، چیزی دریافت نمی‌کند. خودرو یک تعریف انتزاعی است، برای تعریف خودرو شیء وجود ندارد؛ پس مشتری تنها می‌تواند خودرو باربری یا خودرو سواری بخواهد.
• کارواش را در نظر می‌گیریم. این کارواش خودرو را تمیز می‌کند و دیگر به‌طور جزئی عنوان نمی‌کند که کدام نوع خودرو را تمیز می‌کند. به عبارت دیگر نوع خودرو برای کارواش مهم نیست.
• وقتی شخصی قصد اجاره خودرویی دارد، و می‌خواهد جنسی را حمل کند در هنگام تماس با متصدی کرایه ماشین می‌گوید: «اگر خودرو شما از نوع باربری است، برای من ارسال کنید»، ولی اگر قصد جابجا شدن را دارد می‌گوید: «برای من یک ماشین سواری بفرستید.»

در زبان‌های برنامه‌نویسی شیءگرا نیز اشیاء مختلفی وجود دارند که تعریف آن‌ها تکمیل‌کننده یکدیگر است، به عبارت دیگر اشیا از یکدیگر ارث بری می‌کنند. برخی از تعاریف کاملاً عام است و نمی‌توان از آن‌ها نمونه شیئی ساخت و تنها تعریف هستند. به این تعاریف Interface گفته می‌شود.

اعمال شیوه‌های مدیریتی با محوریت اشیاء در مطالعه، طراحی، ایجاد، و اجراء پروژه‌های مهندسی نرم‌افزار و مهندسی دانش.

• مهندسی نرم‌افزار
• کلاس (برنامه‌نویسی)

• مفاهیم برنامه‌نویسی شیءگرا