عمليات على الأصناف ودوالها، آلية عمل مصفوفة ArrayList ومدخل إلى الواجهات (Interfaces) في لغة جافا

لغة جافا تُعد واحدة من أشهر لغات البرمجة عالية المستوى المستخدمة في تطوير تطبيقات سطح المكتب، الويب، والهواتف المحمولة، لما تتميز به من قابلية عالية للتوسع، أمان، ومرونة في التصميم. ومن بين المفاهيم الجوهرية في جافا التي تتيح للمبرمجين بناء برامج منظمة وفعالة، هي الأصناف (Classes) ودوالها، بالإضافة إلى هياكل البيانات الديناميكية مثل مصفوفة ArrayList، وموضوع الواجهات (Interfaces) الذي يعد حجر الأساس في تحقيق البرمجة الكائنية التوجه (OOP) بطريقة مرنة.

هذا المقال سيغوص بعمق في شرح العمليات التي يمكن القيام بها على الأصناف ودوالها، كيف تعمل مصفوفة ArrayList داخلياً، وأهمية ومفهوم الواجهات في جافا، مع تفصيلات تقنية وعلمية عالية المستوى تناسب القراء الباحثين عن إثراء معلوماتهم البرمجية.

1. عمليات على الأصناف ودوالها في جافا

1.1 مفهوم الصنف (Class) في جافا

الصنف هو قالب أو نموذج يُستخدم لتعريف كائنات برمجية (Objects) تحمل خصائص وبيانات (Attributes) إضافة إلى وظائف وسلوكيات (Methods). يمثل الصنف وحدة بناء أساسية في البرمجة الكائنية التوجه.

عند تعريف صنف في جافا، يتم تحديد الحقول (Fields) التي تخزن بيانات الكائن، ودوال (Methods) تنفذ مهام مختلفة أو تُغير حالة الكائن. إضافة لذلك، يضم الصنف مُنشئات (Constructors) تُستخدم لإنشاء نسخ من الكائنات.

مثال على صنف بسيط:

java
CopyEdit
public class Car {
    // الحقول
    private String model;
    private int year;

    // المُنشئ
    public Car(String model, int year) {
        this.model = model;
        this.year = year;
    }

    // دوال الوصول (Getters)
    public String getModel() {
        return model;
    }

    public int getYear() {
        return year;
    }

    // دالة لتغيير الطراز
    public void setModel(String model) {
        this.model = model;
    }

    // دالة عرض معلومات السيارة
    public void displayInfo() {
        System.out.println("Model: " + model + ", Year: " + year);
    }
}

1.2 عمليات التعديل والاستخدام على دوال الأصناف

يمكن استدعاء الدوال التابعة لأي كائن لإنجاز مهام معينة، كما يمكن إعادة تعريف الدوال (Overriding) في الأصناف الفرعية، أو إنشاء دوال جديدة لتوسيع الوظائف.

• الإضافة (Overloading): تعريف عدة دوال بنفس الاسم مع اختلاف المعاملات.

• الإعادة (Overriding): تغيير سلوك دالة معرفة في الصنف الأب داخل صنف فرعي.

مثال على التعديل:

java
CopyEdit
public class ElectricCar extends Car {
    private int batteryCapacity;

    public ElectricCar(String model, int year, int batteryCapacity) {
        super(model, year);
        this.batteryCapacity = batteryCapacity;
    }

    // إعادة تعريف الدالة لعرض معلومات إضافية
    @Override
    public void displayInfo() {
        super.displayInfo();
        System.out.println("Battery Capacity: " + batteryCapacity + " kWh");
    }
}

1.3 مفهوم التغليف (Encapsulation)

تُعتبر عملية التغليف من أهم مبادئ البرمجة الكائنية، حيث يتم إخفاء بيانات الكائن داخليًا وعدم السماح بالوصول المباشر إليها، وإنما عبر دوال خاصة، تُعرف عادة بـ Getters و Setters. هذا يحمي البيانات من التغيير غير المقصود أو غير المصرح به.

2. آلية عمل مصفوفة ArrayList في جافا

2.1 الفرق بين Array و ArrayList

في جافا، Array هو هيكل بيانات ثابت الحجم، بمعنى أنه عند إنشائه يتم تحديد عدد العناصر ولا يمكن تغييره لاحقًا بدون إنشاء مصفوفة جديدة. أما ArrayList فهو هيكل بيانات ديناميكي يسمح بإضافة وحذف العناصر بسهولة، حيث يتكيف حجمه تلقائيًا مع عدد العناصر.

2.2 مفهوم ArrayList

هي فئة (Class) موجودة في حزمة java.util، توفر مجموعة من الأساليب لإدارة قائمة من العناصر، مع أداء جيد عند الإضافة والحذف في نهاية القائمة. تدعم ArrayList تخزين عناصر من أي نوع مرجعي (Objects)، ويمكن استخدامها مع الأصناف المخصصة.

2.3 الهيكل الداخلي لـ ArrayList

تعتمد ArrayList على مصفوفة عادية (Object[]) كمخزن داخلي. عند إنشاء مصفوفة ArrayList يتم تخصيص مصفوفة بحجم ابتدائي (عادة 10 عناصر). عند إضافة عناصر أكثر من السعة الحالية، تقوم ArrayList بإنشاء مصفوفة أكبر (عادة 1.5 إلى 2 ضعف الحجم الحالي) ثم تنسخ العناصر القديمة إلى المصفوفة الجديدة.

2.4 العمليات الأساسية على ArrayList

• الإضافة (add): إضافة عنصر جديد في نهاية القائمة أو في موقع معين.

• الحذف (remove): حذف عنصر حسب القيمة أو حسب الموقع.

• الوصول (get): استرجاع عنصر معين حسب موقعه.

• التحديث (set): تعديل عنصر معين.

• الحجم (size): إرجاع عدد العناصر الفعلي.

مثال على استخدام ArrayList:

java
CopyEdit
import java.util.ArrayList;

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList fruits = new ArrayList<>();

        fruits.add("Apple");
        fruits.add("Banana");
        fruits.add("Orange");

        System.out.println("Fruit at index 1: " + fruits.get(1)); // Banana

        fruits.remove("Banana");

        fruits.set(1, "Mango");

        System.out.println("All fruits:");
        for(String fruit : fruits) {
            System.out.println(fruit);
        }
    }
}

2.5 الأداء والفعالية

• الوصول إلى العناصر بواسطة الفهرس يتم في زمن ثابت O(1).

• إضافة العناصر في نهاية القائمة يكون عادة في زمن ثابت، إلا عند زيادة الحجم حيث يحتاج إلى نسخ كامل المصفوفة (O(n)).

• الحذف أو الإدراج في موقع وسط القائمة يتطلب تحريك العناصر الأخرى، ما يجعل الأداء في أسوأ الحالات O(n).

3. مدخل إلى الواجهات (Interfaces) في جافا

3.1 تعريف الواجهة (Interface)

الواجهة هي نوع بيانات مجرد (Abstract Type) يُستخدم لتعريف مجموعة من الدوال المجردة (Abstract Methods) التي يجب على الأصناف التي تنفذها (Implement) توفير تنفيذ لها. لا يمكن للواجهة تخزين حالات أو بيانات بشكل مباشر.

الواجهة تحدد عقد يجب الالتزام به، وتستخدم لتعزيز قابلية التوسع، التجريد، والتوافق بين مكونات النظام.

3.2 الفرق بين الواجهة والصنف المجرد (Abstract Class)

• الواجهة تحتوي فقط على دوال مجردة (حتى Java 7)، أما في الإصدارات الحديثة (Java 8+)، يمكن أن تحتوي الواجهة على دوال افتراضية (Default Methods) وثابتات.

• الصنف المجرد يمكن أن يحتوي على بيانات وحالات، أما الواجهة فلا.

• يمكن للصنف أن يرث صنفًا واحدًا فقط لكنه يستطيع تنفيذ عدة واجهات.

3.3 تعريف واجهة في جافا

java
CopyEdit
public interface Drawable {
    void draw();
}

أي صنف ينفذ هذه الواجهة يجب أن يوفر دالة draw.

3.4 تنفيذ واجهة في صنف

java
CopyEdit
public class Circle implements Drawable {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Drawing Circle");
    }
}

3.5 الواجهات متعددة وراثة السلوك

ميزة كبيرة للواجهات هي السماح للصنف بتنفيذ أكثر من واجهة، مما يتيح تصميمًا مرنًا جدًا، حيث يمكن للصنف الجمع بين عدة قدرات مختلفة.

java
CopyEdit
public interface Movable {
    void move();
}

public class Robot implements Drawable, Movable {
    public void draw() {
        System.out.println("Drawing Robot");
    }
    public void move() {
        System.out.println("Moving Robot");
    }
}

3.6 أهمية الواجهات في البرمجة

• التجريد: إخفاء التفاصيل وتعريف سلوكيات عامة.

• التوسع: السماح بتطوير النظام بإضافة أصناف جديدة دون تعديل الأصناف القديمة.

• التوافق: تسهيل كتابة برامج تعتمد على أنواع متعددة تنفذ نفس الواجهة.

• قابلية الاختبار: تسهيل إنشاء اختبارات وحدات (Unit Testing) عبر استخدام الواجهات لتوفير مكونات وهمية (Mocks).

3.7 الواجهات ودعم البرمجة التعاقدية (Design by Contract)

تسمح الواجهات بوضع شروط صريحة حول ما يجب أن تفعله الأصناف، مما يجعل التعاون بين فرق التطوير أكثر تنظيمًا ودقة، ويقلل الأخطاء الناتجة عن سوء التفاهم.

4. مقارنة بين الأصناف والواجهات ودورها في البرمجة الكائنية

5. الخلاصة العلمية

تكامل المفاهيم البرمجية مثل الأصناف، المصفوفات الديناميكية ArrayList، والواجهات في جافا يشكل دعامة أساسية لتصميم برمجيات قوية، قابلة للصيانة، ومرنة.

• الأصناف تتيح تنظيم البيانات والوظائف في وحدات متكاملة.

• مصفوفة ArrayList توفر حلاً فعالًا لإدارة مجموعات بيانات ذات حجم متغير، مع إمكانية التوسع الديناميكي.

• الواجهات ترفع مستوى التجريد، وتدعم مبدأ الفصل بين التعريف والتنفيذ، مما يسهل التعاون والاختبار والتطوير المستقبلي.

إتقان هذه المفاهيم يمنح المبرمجين قدرة على بناء تطبيقات تتسم بالكفاءة والموثوقية، ويساعد في كتابة كود نظيف ومنظم يسهل فهمه وتطويره عبر الزمن.

المراجع

1. Effective Java, Joshua Bloch, Addison-Wesley, 2018.

2. Java: The Complete Reference, Herbert Schildt, McGraw-Hill Education, 2018.

بهذا العرض التفصيلي تم تقديم شرح عميق لمفهوم الأصناف ودوالها، آلية عمل مصفوفة ArrayList، وأساسيات الواجهات في لغة جافا بطريقة علمية شاملة تلبي احتياجات المطورين والمتعلمين الراغبين في فهم أعمق لتقنيات جافا المتقدمة.