الاختيار بين الحلقات Loops والمكررات Iterators في لغة رست Rust

تُعد لغة رست (Rust) من اللغات البرمجية الحديثة التي تضع الأمان والأداء في مقدمة أولوياتها، وهي مصممة للتعامل مع الأنظمة منخفضة المستوى دون التضحية بجودة الذاكرة أو الأمان. ومن بين الجوانب الجوهرية في رست نجد آليات التكرار والتحكم في التدفق، والتي تتجسد غالبًا من خلال استخدام الحلقات (Loops) والمكررات (Iterators). ولكل منهما مزايا وسياقات استخدام مناسبة. لذلك، يتطلب الاختيار بين الحلقات والمكررات في رست فهماً دقيقاً لبنية اللغة، والقيود التي تفرضها، والفلسفة التي تتبناها من حيث الأداء، والسلامة، والإنتاجية.

في هذا المقال، سيتم تحليل الفروقات الجوهرية بين الحلقات والمكررات في رست، مع استعراض حالات الاستخدام المختلفة، وتوضيح أي الأساليب أنسب في السياقات البرمجية المتعددة.

أولًا: الحلقات Loops في لغة رست

الحلقات الأساسية: loop، while، و for

رست توفر ثلاث أشكال رئيسية للحلقات:

1. loop: حلقة غير منتهية إلا بكسر يدوي (break) أو إرجاع.

2. while: حلقة تعتمد على شرط منطقي يُقيّم قبل كل تكرار.

3. for: حلقة تكرار على عناصر في مجموعة، وغالبًا ما تستخدم مع Iterator.

مثال على حلقة loop

rust
CopyEdit
let mut count = 0;

loop {
    if count == 5 {
        break;
    }
    println!("العدد هو: {}", count);
    count += 1;
}

أداء الحلقات

ميزة الحلقات في رست أنها ترجم بشكل مباشر إلى تعليمات منخفضة المستوى فعّالة من حيث الأداء، وغالبًا ما تكون الخيار الأمثل عند الحاجة إلى تحكم دقيق في التدفق، أو عند تنفيذ تكرار غير مقيد بمصدر بيانات معين.

ثانيًا: المكررات Iterators

ما هو Iterator؟

المكررات في رست هي بنية تسمح بالتكرار عبر مجموعة من العناصر بطريقة أكثر انتقائية وقابلة للتأليف. أي أنه يمكن إنشاء سلسلة من العمليات (كالفلترة، التحويل، الجمع) بشكل آمن وفعّال دون الحاجة إلى كتابة منطق الحلقة يدوياً.

خصائص المكررات

• تعتمد على النوع Iterator الذي يتطلب تنفيذ الدالة next().

• لا تنفذ أي عملية فعلية حتى يتم استهلاكها، مما يجعلها كسولة (lazy).

• يمكن ربط المكررات مع بعضها البعض باستخدام واجهات مثل map، filter، fold، وغيرها.

مثال على استخدام Iterator

rust
CopyEdit
let numbers = vec![1, 2, 3, 4, 5];

let squared: Vec<i32> = numbers.iter()
    .map(|x| x * x)
    .collect();

println!("{:?}", squared);

في المثال أعلاه، numbers.iter() ينشئ مكرراً، ثم map تُطبق دالة على كل عنصر، وcollect() تجمع النتائج في متجه.

المقارنة الجوهرية بين الحلقات والمكررات

متى تستخدم الحلقات؟

يُفضل استخدام الحلقات عند:

• الحاجة إلى تكرار غير معروف النهاية بدقة.

• كتابة منطق معقد يتطلب تحكم دقيق في عملية التكرار، مثل كسر الحلقة بناءً على شرط مركب.

• التعامل مع أجهزة أو مدخلات مباشرة تتطلب تكرار غير منتظم.

• أداء الحسابات المتكررة دون الاعتماد على بنية بيانات معينة.

مثال على حالة مناسبة لاستخدام الحلقات:

rust
CopyEdit
fn read_until_newline() {
    use std::io::{self, Read};

    let mut buffer = [0; 1];

    loop {
        io::stdin().read_exact(&mut buffer).unwrap();
        if buffer[0] == b'\n' {
            break;
        }
        print!("{}", buffer[0] as char);
    }
}

متى تستخدم المكررات؟

المكررات تعد الخيار الأمثل عند:

• العمل مع بنى بيانات قابلة للتكرار (مثل Vec, HashMap, LinkedList).

• الحاجة إلى كتابة منطق نظيف وقابل للتوسعة.

• تحسين الأداء باستخدام تعبيرات مؤلفة ومجموعة في سلسلة واحدة من العمليات.

• استغلال الميزات الكسولة لتحسين الاستهلاك الزمني والذاكري.

• الرغبة في دمج أكثر من عملية على البيانات مثل الفلترة والتحويل في خطوة واحدة.

مثال متقدم:

rust
CopyEdit
let result: i32 = (1..)
    .filter(|x| x % 2 == 0)
    .map(|x| x * x)
    .take(5)
    .sum();

println!("مجموع أول 5 مربعات لأعداد زوجية: {}", result);

في هذا المثال، المكررات استخدمت التكرار غير المحدود 1..، وتمت الفلترة والتعديل والحصر، ثم التجميع. كل هذا تم في تعبير واحد آمن وفعّال.

الأداء والتحسين Optimization

على الرغم من أن الحلقات قد تبدو أسرع في الأداء من الوهلة الأولى، إلا أن المكررات في رست يتم تحسينها بواسطة الكمبايلر إلى شيفرة مكافئة للحلقات اليدوية، وأحيانًا أفضل منها بفضل خصائص مثل:

• Inlining: إدخال المكررات كدوال داخلية.

• Loop unrolling: تنفيذ التكرار ضمن الحلقة بطريقة أكثر كفاءة.

• Zero-cost abstraction: أي أن استخدام المكررات لا يضيف أي تكلفة إضافية مقارنة بالحلقات التقليدية.

التوافق مع نمط البرمجة الوظيفية Functional Style

المكررات في رست تشجع على البرمجة الوظيفية بطبيعتها، مما يسمح بتقليل الأخطاء وكتابة شيفرة أنظف. مثال على ذلك:

rust
CopyEdit
let even_sum: i32 = (1..=100)
    .filter(|x| x % 2 == 0)
    .sum();

الشيفرة أعلاه تحقق المهمة بوضوح شديد دون استخدام متغيرات وسيطة أو حلقات تقليدية.

التخصيص Custom Iterators

رست تسمح بإنشاء مكررات مخصصة عبر تنفيذ نوع Iterator على أنواع جديدة. هذا يمنح المطورين مرونة فائقة في بناء منطق تكرار خاص بهم.

مثال على مكرر مخصص:

rust
CopyEdit
struct Counter {
    count: u32,
}

impl Counter {
    fn new() -> Self {
        Counter { count: 0 }
    }
}

impl Iterator for Counter {
    type Item = u32;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
        self.count += 1;
        if self.count <= 5 {
            Some(self.count)
        } else {
            None
        }
    }
}

هذا المكرر يقوم بإرجاع الأعداد من 1 إلى 5. يمكن استخدامه كما يلي:

rust
CopyEdit
for number in Counter::new() {
    println!("{}", number);
}

الخلاصة التقنية

توصيات عامة للاختيار بين الحلقات والمكررات في رست:

• استخدم المكررات حين يكون لديك مجموعة بيانات واضحة المعالم، وتحتاج إلى تنفيذ عمليات عليها بطريقة نظيفة وآمنة.

• استخدم الحلقات عند الحاجة إلى تحكم أدق، أو التعامل مع مصادر بيانات غير متوقعة، أو تدفقات تتطلب منطق خاص بالخروج من التكرار.

• إن كنت تبحث عن كفاءة الأداء القصوى مع المحافظة على وضوح الشيفرة، فإن المكررات هي الأفضلية الأولى، حيث أن الكمبايلر سيتكفل بتحسين الأداء.

• في المهام المعقدة، يمكن حتى دمج المكررات مع الحلقات لتحقيق أقصى مرونة.

المراجع

• The Rust Programming Language, Steve Klabnik and Carol Nichols. https://doc.rust-lang.org/book/

• Rust by Example. https://doc.rust-lang.org/rust-by-example/