مفهوم شی‌گرایی به زبان ساده

تا حالا شده به این فکر کنید که برنامه‌نویسی چطور می‌تواند پیچیدگی‌های دنیای واقعی را به کدهایی ساده و قابل مدیریت تبدیل کند؟
تصور کنید یک خانه را می‌خواهید توصیف کنید. این خانه می‌تواند درب، پنجره، رنگ و تعداد اتاق‌های متفاوتی داشته باشد. حالا اگر بخواهید صدها خانه با ویژگی‌های مشابه اما جزئیات متفاوت بسازید، آیا منطقی است که برای هر خانه دوباره همه چیز را از صفر تعریف کنید؟ اینجاست که مفهوم شی‌گرایی (Object-Oriented Programming) وارد ماجرا می‌شود.

شی‌گرایی مثل جعبه ابزار جادویی در برنامه‌نویسی است که به برنامه‌نویس اجازه می‌دهد اشیا (Objects) را، مشابه چیزهایی که در دنیای واقعی وجود دارند، تعریف و مدیریت کنید. هر خانه می‌تواند یک شی باشد با ویژگی‌هایی مثل رنگ، مساحت و تعداد اتاق‌ها و رفتارهایی مثل باز کردن درب یا روشن کردن چراغ‌ها. حالا تصور کنید با چند خط کد می‌توانید یک شهر کامل از خانه‌ها بسازید و هر کدام از آن‌ها را مستقل از دیگری مدیریت کنید. جذاب نیست؟

در این مقاله می‌خواهیم دنیای شی‌گرایی را به زبان ساده کشف کنیم و ببینیم چطور این روش برنامه‌نویسی به ما کمک می‌کند تا کدهایی ساختارمند، قابل‌فهم و قابل‌گسترش بنویسیم. اگر تا به حال این مفهوم برای شما کمی پیچیده به نظر می‌رسید، نگران نباشید! در این مقاله به بررسی برنامه‌نویسی شی گرا پرداخته شده است.

شی‌گرایی چیست؟

تصور کنید می‌خواهید یک بازی ساده بسازید؛ مثلاً بازی‌ای که در آن چندین ماشین با رنگ‌ها و سرعت‌های مختلف حرکت می‌کنند. حالا سوال اینجاست: آیا باید برای هر ماشین به طور جداگانه کد بنویسید؟ نه! شما می‌توانید یک “قالب” یا کلاس (Class) تعریف کنید که شامل ویژگی‌هایی مثل رنگ و سرعت باشد و سپس هر ماشین را به عنوان شی (Object) با ویژگی‌های خاص خودش بسازید. به همین راحتی شما یک مفهوم پیچیده را ساده کرده‌اید!

شی‌گرایی (Object-Oriented Programming) یا به اختصار OOP دقیقاً به همین روش عمل می‌کند. این رویکرد برنامه‌نویسی بر مبنای “اشیا” است که می‌توانند ویژگی‌ها و رفتارهای خود را داشته باشند. به جای اینکه کدها را به صورت دستورات پراکنده بنویسیم، شی‌گرایی به ما کمک می‌کند ساختاری منظم و شبیه به دنیای واقعی برای کدهایمان ایجاد کنیم.

بیشتر بخوانید: “فریم ورک چیست و چه ویژگی هایی دارد؟“

اهمیت و کاربرد شی‌گرایی در دنیای واقعی

دنیای پیرامون ما پر از اشیاست: ماشین، خانه، انسان، و حتی سیستم‌هایی مثل بانکداری یا رزرو هتل. شی‌گرایی این امکان را به برنامه‌نویسان می‌دهد که این اشیا را در قالب کد بازسازی کنند و بین آن‌ها ارتباط برقرار کنند. مثلاً در یک سیستم مدیریت فروشگاه آنلاین، می‌توانید محصولات، مشتری‌ها و سفارش‌ها را هرکدام به عنوان اشیا تعریف کنید و به راحتی آن‌ها را مدیریت کنید.

یکی از بزرگ‌ترین مزایای شی‌گرایی این است که به برنامه‌نویس کمک می‌کند کدهایی قابل‌فهم‌تر، مقیاس‌پذیرتر و قابل‌استفاده مجدد بنویسد. این روش به خصوص در پروژه‌های بزرگ مثل توسعه اپلیکیشن‌های موبایل، بازی‌های کامپیوتری و نرم‌افزارهای سازمانی بسیار پرکاربرد است.

مفاهیم کلیدی شی‌گرایی

برای درک عمیق‌تر شی‌گرایی یا  OOP، بهتر است ابتدا مفاهیم پایه‌ای آن را بررسی کنیم. این مفاهیم پایه، همانند قطعات اصلی یک پازل هستند که در کنار هم تصویر کاملی از شی‌گرایی می‌سازند.

کلاس (Class) و شی (Object)

در شی‌گرایی، کلاس (Class) مانند یک نقشه یا قالب است که مشخص می‌کند یک شی چه ویژگی‌هایی داشته باشد و چه کارهایی می‌تواند انجام دهد. شی (Object) هم نسخه‌ای واقعی از آن کلاس است که در برنامه ساخته می‌شود.

مثال:
تصور کنید می‌خواهید یک برنامه برای مدیریت خودروها طراحی کنید.

• کلاس: می‌تواند چیزی شبیه به “خودرو” باشد که مشخص می‌کند هر خودرو چه ویژگی‌هایی مثل رنگ، مدل و سرعت دارد و چه کارهایی مثل حرکت کردن و توقف می‌تواند انجام دهد.
• شی: یک نمونه واقعی از کلاس خودرو است؛ مثلاً یک خودروی خاص با رنگ قرمز، مدل “پراید” و سرعت ۱۲۰ کیلومتر در ساعت.

ویژگی‌ها (Attributes) و رفتارها (Methods)

هر کلاس شامل دو بخش اصلی است:

• ویژگی‌ها (Attributes): مشخصه‌های یک شی هستند و معمولاً به صورت متغیر تعریف می‌شوند. برای مثال، رنگ، مدل و سرعت خودرو ویژگی‌های آن هستند.
• رفتارها (Methods): عملکردهایی هستند که یک شی می‌تواند انجام دهد و به صورت توابع (functions) داخل کلاس تعریف می‌شوند. مثلاً حرکت کردن یا توقف خودرو.

اصول شی‌گرایی

شی‌گرایی بر چهار اصل مهم استوار است که درک آن‌ها برای طراحی کد حرفه‌ای و سازمان‌یافته ضروری است. این اصول مانند ستون‌هایی هستند که ساختار شی‌گرایی را نگه می‌دارند. در ادامه، هر اصل توضیح داده شده است.

۱. وراثت (Inheritance)

وراثت به برنامه‌نویس امکان می‌دهد که یک کلاس، ویژگی‌ها و رفتارهای کلاس دیگری را به ارث ببرد. این ویژگی باعث کاهش تکرار کد و ساده‌تر شدن ساختار برنامه می‌شود.

مثال دنیای واقعی:
فرض کنید یک کلاس پایه به نام “حیوان” (Animal) دارید که ویژگی‌های عمومی مثل “حرکت کردن” یا “تعداد پاها” را تعریف می‌کند. حالا می‌توانید کلاس‌های فرزند مثل “سگ” (Dog) و “پرنده” (Bird) را ایجاد کنید که این ویژگی‌ها را به ارث می‌برند و رفتارهای خاص خودشان مثل “حرکت کردن” یا “پرواز کردن” را اضافه می‌کنند.

۲. چندریختی (Polymorphism)

چندریختی در برنامه‌نویسی شی‌گرا یعنی توانایی یک موجودیت (مثل متد یا تابع) برای انجام کارهای مختلف، بسته به زمینه‌ای که در آن استفاده می‌شود. به بیان ساده‌تر، یک اسم واحد می‌تواند در موقعیت‌های مختلف، رفتارهای متفاوتی از خود نشان دهد.

چندریختی برنامه‌نویسان را قادر می‌سازد بدون نیاز به نوشتن کدهای تکراری یا پیچیده، رفتارهای مختلفی را برای اشیاء گوناگون تعریف کنند. این اصل یکی از مهم‌ترین دلایل جذابیت و کارآمدی شی‌گرایی در برنامه‌نویسی است.

برای مثال فرض کنید یک اپلیکیشن دارید که با انواع وسایل نقلیه (مثل ماشین، هواپیما و دوچرخه) کار می‌کند. هر وسیله نقلیه روش خاصی برای شروع حرکت دارد:

• ماشین با چرخاندن سوئیچ یا فشردن دکمه روشن می‌شود.
• هواپیما به چک کردن سیستم‌ها و آماده‌سازی موتور نیاز دارد.
• دوچرخه فقط با رکاب زدن شروع به حرکت می‌کند.

اگرچه تمام این وسایل نقلیه “شروع حرکت” را انجام می‌دهند، اما روش اجرای آن متفاوت است. چندریختی به شما امکان می‌دهد با یک دستور ساده “شروع به حرکت”، هر وسیله نقلیه را طبق رفتار خاص خودش به کار بگیرید.

۳. کپسوله‌سازی (Encapsulation)

کپسوله‌سازی به معنای مخفی کردن جزئیات داخلی یک شیء و ارائه دسترسی کنترل‌شده به آن است. این مفهوم کمک می‌کند تا داده‌ها و عملکردها درون یک شیء محافظت شوند و از تغییرات ناخواسته جلوگیری شود. به عبارت ساده، کپسوله‌سازی یعنی تعیین این که چه اطلاعاتی “قابل دیدن” یا “قابل دسترس” باشند و چه چیزهایی “مخفی” بمانند.

۴. انتزاع (Abstraction)

انتزاع یعنی تمرکز روی بخش‌های مهم و حذف جزئیات غیرضروری. به عبارت دیگر، انتزاع کمک می‌کند تا فقط اطلاعات و عملکردهایی که برای کاربر یا برنامه‌نویس لازم هستند دیده شوند، در حالی که جزئیات پیچیده در پشت صحنه پنهان می‌مانند. به عبارت دیگر انتزاع هنر ساده‌سازی است. این مفهوم به برنامه‌نویس اجازه می‌دهد تا فقط روی ویژگی‌ها و اطلاعات مهم تمرکز کرده و نیازی به درگیر شدن با جزئیات داخلی نداشته باشد.

تفاوت انتزاع و کپسوله‌سازی

اگرچه انتزاع و کپسوله‌سازی به هم نزدیک هستند، اما هدفشان متفاوت است.
هدف اصلی در انتزاع این است: چه چیزی را نشان دهیم؟ انتزاع به برنامه‌نویس امکان می‌دهد تا بخش‌های مهم و مرتبط یک سیستم را به کاربران نشان دهد و جزئیات غیرضروری را پنهان کند.
درحالی‌که در کپسوله‌سازی تمرکز بر این است که چگونه جزئیات داخلی را پنهان کنیم. کپسوله‌سازی با محدود کردن دسترسی به داده‌ها و عملکردهای داخلی یک شیء، آن را از تغییرات ناخواسته یا دسترسی غیرمجاز محافظت می‌کند.

انتزاع به تعریف “عملکردها” و “وظایف” کلی می‌پردازد بدون اینکه بگوید این وظایف چگونه انجام می‌شوند. این یعنی کاربر فقط نتیجه را می‌بیند، نه فرآیند را. برای مثال: دکمه “چاپ” در یک نرم‌افزار. کاربر فقط می‌داند که با فشردن آن، اسناد چاپ می‌شوند. جزئیات اینکه چاپگر چگونه کار می‌کند یا داده‌ها چگونه به چاپگر منتقل می‌شوند برای او پنهان است.

پیاده‌سازی انتزاع معمولاً با استفاده از کلاس‌های انتزاعی یا رابط‌ها (interfaces) انجام می‌شود. این ابزارها تعریف می‌کنند که چه کارهایی انجام می‌شود، اما نحوه انجام آن را مشخص نمی‌کنند.

از طرف دیگر کپسوله‌سازی به حفاظت و مدیریت “داده‌ها” و “جزئیات اجرای رفتار” مربوط است. یعنی داده‌های حساس یا داخلی فقط از طریق روش‌های خاصی قابل دسترسی هستند. در نتیجه اصل کپسوله‌سازی با استفاده از سطوح دسترسی (مثل private، public یا protected) در برنامه‌نویسی انجام می‌شود تا مشخص شود کدام بخش‌ها قابل دیدن یا تغییر هستند.

مثلا شما نمی‌توانید مستقیماً موجودی یک حساب بانکی را تغییر دهید، بلکه فقط از طریق عملیات مشخصی مثل واریز یا برداشت می‌توانید این کار را انجام دهید.

تفاوت شی‌گرایی با برنامه‌نویسی رویه‌ای

اگر شی‌گرایی را به ساختن یک خانه از پیش‌ساخته تشبیه کنیم، برنامه‌نویسی رویه‌ای (Procedural Programming) مثل ساختن همان خانه از صفر با آجر و ملات است. در برنامه‌نویسی رویه‌ای، کدها به صورت مجموعه‌ای از دستورات نوشته می‌شوند و ممکن است مدیریت پیچیدگی‌ها در پروژه‌های بزرگ بسیار دشوار باشد.

اما در شی‌گرایی، به جای نوشتن کدهای پراکنده، شما اشیای مستقل با رفتارها و ویژگی‌های خاص خود می‌سازید و ارتباط آن‌ها را مدیریت می‌کنید. این باعث می‌شود:

• کدها مرتب‌تر و قابل فهم‌تر باشند.
• تغییرات یا توسعه کد بسیار راحت‌تر انجام شود.
• احتمال خطاهای غیرمنتظره کمتر شود.

تفاوت برنامه‌نویسی شی‌گرا و تابعی

در برنامه‌نویسی شی‌گرا، همه چیز حول محور اشیاء می‌چرخد. اما در برنامه‌نویسی تابعی (Functional Programming)، همه چیز حول محور توابع است. شما مسئله را به بخش‌های کوچک تقسیم می‌کنید و هر تابع مسئول انجام یک کار خاص است.

زبان‌هایی که از شی‌گرایی پشتیبانی می‌کنند

شی‌گرایی تقریباً در تمام زبان‌های برنامه‌نویسی مدرن استفاده می‌شود. برخی از زبان‌های معروفی که این سبک را پشتیبانی می‌کنند عبارتند از:

• پایتون
• ++C
• #C
• روبی
• PHP
• جاوا
• جاوا اسکریپت
• GO
• کاتلین
• پرل
• Swift
• تایپ اسکریپت
• Dart

بیشتر بخوانید: “اشیا (Objects) و کاربرد آن در جاوا اسکریپت“

الگوهای رایج در شی‌گرایی

برای استفاده بهتر از شی‌گرایی، الگوها و طراحی‌های استانداردی وجود دارند که به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند برنامه‌هایی منظم‌تر و قابل گسترش‌تر ایجاد کنند. دو مورد از رایج‌ترین آن‌ها عبارتند از:

۱. الگوی MVC (Model-View-Controller)
این طراحی یکی از پراستفاده‌ترین الگوها در توسعه نرم‌افزارهای بزرگ مانند وبسایت‌ و اپلیکیشن‌ها است. این طراحی باعث می‌شود بخش‌های مختلف برنامه مستقل از هم عمل کنند و تغییرات در یک بخش به سایر بخش‌ها آسیب نزند.

• Model: وظیفه مدیریت داده‌ها و منطق اصلی برنامه را بر عهده دارد.
• View: نمایشی از اطلاعات را به کاربر ارائه می‌دهد.
• Controller: بین Model و View ارتباط برقرار می‌کند.

۲. Design Patterns (الگوهای طراحی)
مجموعه‌ای از راه‌حل‌های از پیش آماده برای مسائل متداول در برنامه‌نویسی شی‌گرا هستند. این الگوها کمک می‌کنند برنامه‌هایی انعطاف‌پذیر و کارآمد بسازید.

• Singleton: اطمینان می‌دهد فقط یک نسخه از یک کلاس ایجاد شود.
• Observer: به یک شیء اجازه می‌دهد وقتی تغییری در آن رخ می‌دهد، سایر اشیاء وابسته نیز مطلع شوند.

مزایای شی‌گرایی در برنامه‌نویسی

شی‌گرایی رویکردی قدرتمند در برنامه‌نویسی است که نه تنها کدنویسی را ساده‌تر و قابل درک‌تر می‌کند، بلکه توسعه، نگهداری و گسترش پروژه‌ها را نیز بهبود می‌بخشد.

۱. کد خواناتر و سازمان‌یافته‌تر

در شی‌گرایی، برنامه به بخش‌های کوچکتری به نام “کلاس” و “شیء” تقسیم می‌شود. هر کلاس وظیفه‌ای مشخص دارد و تمام ویژگی‌ها و رفتارهای مرتبط با آن در یکجا تعریف می‌شوند. این ساختار منظم باعث می‌شود:

• درک کد آسان‌تر شود: توسعه‌دهندگان جدید به راحتی می‌توانند برنامه را مطالعه و درک کنند.
• پیگیری مشکلات ساده‌تر شود: در صورت وجود خطا، می‌توانید به سرعت بخش مربوطه را پیدا و رفع کنید.

۲. سهولت در نگهداری و توسعه پروژه

شی‌گرایی پروژه‌ها را به قطعات مستقل و ماژولار تقسیم می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود:

• اضافه کردن ویژگی‌های جدید ساده‌تر شود: مثلاً می‌توانید بدون تغییر بخش‌های دیگر، کلاس جدیدی اضافه کنید که وظیفه خاصی را انجام دهد.
• برطرف کردن مشکلات بی‌دردسر باشد: تغییر یا بهبود یک کلاس فقط روی همان بخش تأثیر می‌گذارد و سایر قسمت‌ها از آن بی‌تأثیر می‌مانند.

۳. امکان استفاده مجدد از کد (Reusability)

در شی‌گرایی، می‌توانید از کدهای یک کلاس در قسمت‌های دیگر برنامه یا حتی پروژه‌های دیگر استفاده کنید. این ویژگی به لطف مفاهیمی مثل ارث‌بری (Inheritance) و چندریختی (Polymorphism) امکان‌پذیر است.

• صرفه‌جویی در زمان: نیازی نیست یک کد را دوباره از ابتدا بنویسید.
• پایبندی به استانداردها: از کدهای تست‌شده و مطمئن در بخش‌های مختلف استفاده می‌کنید.

۴. کاهش خطاها با جداسازی وظایف (Modularity)

در شی‌گرایی، هر کلاس به طور مستقل وظیفه‌ای مشخص دارد. این تقسیم وظایف فواید زیر را به همراه دارد:

• کاهش پیچیدگی: هر بخش از برنامه فقط روی وظایف خودش تمرکز می‌کند.
• محافظت از داده‌ها: کپسوله‌سازی در شی‌گرایی تضمین می‌کند که داده‌ها فقط از طریق متدهای مشخص قابل دسترسی هستند، که از دستکاری‌های ناخواسته جلوگیری می‌کند.

چرا شی‌گرایی برای پروژه‌های بزرگ اهمیت دارد؟

تصور کنید در حال توسعه یک اپلیکیشن پیچیده هستید، مثل یک سیستم مدیریت بانک یا یک فروشگاه آنلاین. بدون شی‌گرایی، مدیریت کدها دشوار و احتمال خطا بالا می‌رود. اما با استفاده از این روش:

• می‌توانید تیم‌های مختلف را روی بخش‌های جداگانه متمرکز کنید.
• تغییرات در یک بخش، دیگر بخش‌ها را مختل نمی‌کند.
• کدها برای استفاده مجدد در پروژه‌های آینده نیز آماده هستند.

محدودیت‌ها و چالش‌های شی‌گرایی

شی‌گرایی با تمام مزایایی که دارد، مثل هر روش دیگری، چالش‌ها و محدودیت‌هایی هم دارد.

۱. پیچیدگی یادگیری برای مبتدیان

اگر تازه برنامه‌نویسی را شروع کرده‌اید، مفاهیمی مثل کلاس‌ها، اشیاء، ارث‌بری و چندریختی ممکن است کمی پیچیده به نظر برسند. این مفاهیم نیاز به درک درست و تمرین زیادی دارند تا بتوانید از آن‌ها به درستی استفاده کنید.

۲. افزایش سربار در پروژه‌های کوچک

برای پروژه‌های خیلی کوچک، شی‌گرایی ممکن است بیش از حد پیچیده و سنگین به نظر برسد. مثلاً اگر فقط یک برنامه ساده بنویسید، شاید نیازی به تعریف کلاس و شیء نباشد و روش‌های ساده‌تر و سریع‌تر جوابگو باشند.

۳. چالش در طراحی پروژه‌های بزرگ

در پروژه‌های بزرگ، طراحی کلاس‌ها و ارتباط بین آن‌ها می‌تواند پیچیده شود. اگر طراحی اولیه اشتباه باشد یا نیازهای پروژه در طول زمان تغییر کنند، ممکن است مجبور شوید تغییرات زیادی اعمال کنید که وقت‌گیر و دشوار است.

چطور این چالش‌ها را مدیریت کنیم؟

• برای یادگیری: ابتدا با پروژه‌های کوچک و مثال‌های ساده کار کنید و کم‌کم مفاهیم را بهتر درک خواهید کرد.
• در پروژه‌های کوچک: اگر شی‌گرایی بیش از حد لازم به نظر می‌رسد، از روش‌های ساده‌تر استفاده کنید.
• در پروژه‌های بزرگ: زمان کافی برای طراحی اولیه اختصاص دهید و همیشه به فکر انعطاف‌پذیری و تغییرپذیری کد باشید.

نتیجه‌گیری

شی‌گرایی روشی است که برنامه‌نویسی را از یک فرآیند پراکنده و خسته‌کننده، به سیستمی کارآمد، منظم و لذت‌بخش تبدیل می‌کند. همین مزایاست که این رویکرد را به یکی از ستون‌های اصلی توسعه نرم‌افزارهای مدرن تبدیل کرده است. این روش به برنامه‌نویس کمک می‌کند کدی خواناتر، مدیریت‌پذیرتر و قابل توسعه‌تر بنویسد. اما مثل هر روش دیگری، چالش‌ها و محدودیت‌هایی دارد که با تمرین و تجربه، برطرف می‌شوند.

اگر تازه وارد دنیای برنامه‌نویسی شده‌اید یا می‌خواهید مهارت‌های خود را ارتقا دهید، یادگیری شی‌گرایی می‌تواند نقطه عطف بزرگی باشد. برای شروع، یکی از بهترین گزینه‌ها زبان پایتون است که یادگیری آن ساده و کار با آن لذت‌بخش است.

برای یادگیری اصولی برنامه‌نویسی و شی‌گرایی، دوره آموزش برنامه‌نویسی پایتون آکادمی آمانج می‌تواند انتخابی عالی باشد. این دوره با ارائه مفاهیم پایه تا پیشرفته، شما را برای ورود به دنیای واقعی برنامه‌نویسی آماده می‌کند.

دوره تخصصی یادگیری ماشین

در یک دوره آموزشی متخصص یادگیری ماشین شوید.

از یادگیری ماشین می توان در صنایع مختلف با اهداف مختلف استفاده کرد. ماشین لرنینگ باعث افزایش بهره وری در صنایع می شود، به بازاریابی محصول کمک کرده و پیش بینی دقیق فروش را ساده تر می کند. پیش بینی های دقیق پزشکی و تشخیص ها را تسهیل می کند. دقت در قوانین و مدل های مالی را بهبود می بخشد. به سیستم های توصیه گر، الگوریتم های فرا ابتکاری و حرکت ربات ها کمک خواهد کرد. در بحث فروش میتواند محصولات مناسب تری را به مشتری پیشنهاد دهد( با کمک به تقسیم بندی بهتر و پیش بینی دقیق طول عمر محصولات ) و ...
استفاده از سیستم های ماشین لرنینگ می تواند تا حد زیادی حجم کاری ما را کاهش دهد. به خصوص کارهایی که نیاز به آنالیز حجم عظیمی از داده و تصمیم گیری بر اساس این داده ها را دارد بسیار تسهیل می کند. سیستم های مبتنی بر ماشین لرنینگ ظرفیت انجام کار صد نفر را همزمان دارد و تنها به کمک ماشین ها می توان بدون صرف وقت و انرژی زیاد، کارهای سنگین را انجام داده و در عین حال پول و درآمد بیشتری کسب کرد. ماشین لرنینگ با خودکارسازی فرایندها و صرفه جویی در زمان، به ما کمک می کند تا بتوانیم زمان و انرژی خود را بر تصمیم گیری های پیچیده تری متمرکز کنیم.
ادامه...