الگوهای طراحی شی گرا (مقدمه)

با توجه به این که امروزه نرم افزارها بخش مهمی از زندگی بشر رو تشکیل داده اند و بسیاری از کارهای روز مره و محاسبات توسط نرم افزارها انجام می‌شود، طراحی و توسعه نرم افزار یکی از کارهای مهم در جوامع کنونی است. به دلیل پویایی بیش از حد نرم افزار و تغییرات بسیار سریع تکنولوژی‌ها و نیازمندی‌های کاربران نرم افزار باید به گونه ای باشد که بتوان به آسانی آن را فهمید و تغییر داد. یکی از راه حل ها برای حل مشکلات گفته شده، الگوهای طراحی شی گرا (Object Oriented Design Pattern) می باشد.
در آموزش های گفته شده از کد های Java استفاده خواهد شد و مثال های پیاده شده را در github قرار خواهم داد. برای درک کامل مطالبی که در این سری ارائه می شود لازم است که خوانندگان به مفاهیم شی گرایی و همچنین زبان مدل سازی uml آشنا باشند.
لازم به ذکر است مطالب ارائه شده از چند سایت ( itpro.ir, tutorialspoint.com, ... ) جمع آوری گردیده و بعد از بررسی و پیاده سازی مثال ها جهت استفاده شما عزیزان در وبلاگ قرار داده ام.
مقدمه
برای شروع مقدمه ای از شی گرایی و نمودار های uml می گم تا در مطالب بعدی به الگوها می پردازم.ما در یک دنیای شی گرا زندگی می کنیم به گونه ای که خود شما یک شی هستید. شما با اشیا دیگر که ممکن است انسان، حیوان، و یا هرچیز دیگری ارتباط برقرار می کنید. همه اشیا دارای خصوصیاتی هستند. خود شما نیز دارای خصوصیاتی هستید مانند قد، وزن، رنگ مو و...  همچنین رفتار هایی از همه‌ی اشیا سر می زند یا بر روی اشیا رفتارهایی صورت می گیرد. خود شما نیز دارای رفتارهایی مثل غذا خوردن و راه رفتن اجرا می کنید.اشیا در برنامه نویسی هم ساختارهایی هستند که دارای خصوصیات و رفتارهایی می باشند. که خصوصیات برای نگهداری داده های مربوط به شی مورد نظر مورد استفاده قرار می گیرندو و رفتار ها بر روی خصوصیات خود شی و یا خصوصیات اشیا دیگر عملی انجام می دهند. خصوصیات در برنامه نویسی شی گرا به نام های property ,field شناخته می شوند و رفتارها با نام های method ,function شناخته می شوند.
همه‌ی اشیا از مفهومی به نام کلاس ساخته می شوند که هر کلاس مشخص می کند که اشیائی که از آن کلاس ساخته می شوند باید چه خصوصیات و رفتارهایی داشته باشند. به طور مثال شما یک شی از کلاس انسان ساخته شده اید و خصوصیات و رفتارهایی را که انسان باید داشته باشد را دارید. اما خود کلاس یک مفهوم انتزاعی(abstract) است یعنی همانطور که انسان یک مفهوم است و وجود خارجی ندارد خود کلاس نیز وجود ندارد و برای درک آن باید شیئی که از آن ساخته شده را دید.یکی از مفاهیمی که در برنامه نویسی شی گرا به آن برمی خوریم مفهوم کپسوله سازی(Encapsulation) است. همانطور که گفته شد همه‌ی اشیا دارای خصوصیات و رفتارهایی هستند که برخی بر همه آشکار است و برخی دیگر از دید دیگران مخفی هستند. به این مفهوم کپسوله سازی می گویند که یکی از مفاهیم بسیار مهم شی گرایی می باشد و باعث می شود اطلاعاتی برای دیگر اشیا آشکار شود که مورد نیاز آنها است و باقی اطلاعات از دید کاربران مخفی است.
همینطور با استفاده از کپسوله سازی می توان بر چگونگی استفاده از خصوصیات اشیا نیز نظارت داشت.از مفاهیم دیگر در برنامه نویسی شی گرا وراثت(inheritance) می باشد که به توضیح آن می پردازیم. اگر شما خود را به عنوان یک شی در نظر بگیرید که از کلاس انسان ساخته شده باشید. این نکته بدیهی است که انسان یک موجود زنده است، زیرا خواص و رفتارهای موجودات زنده را دارد مانند تنفس و تغذیه و رشد و ترمیم. در مفاهیم شی گرایی می گوییم کلاس انسان کلاس موجودات زنده را به ارث می برد یا کلاس انسان از کلاس موجودات زنده مشتق می شود. در برنامه نویسی شی گرا نیز وراثت به این شکل است و کلاس‌ها مانند دنیای واقعی به شکل سلسله مراتبی ساخته می شوند که یک کلاس می تواند از کلاس دیگر مشتق شود و خصوصیات و متدهای کلاس پدر را داشته باشد.
یکی از مفاهیم دیگر در شی گرایی چندریختی(polymorphism) می باشد که به این معنی است که همه‌ی کلاس‌های مشتق شده از یک کلاس خاص می توانند یک رفتار خاص را به گونه ای که مورد نظر خودشان است پیاده سازی کنند. برای مثال تصور کنید در کلاس حیوانات پستانداری، که در خشکی زندگی می کنند عمل راه رفتن وجود دارد ولی حیوانی مانند ببر بر روی پنجه راه می رود و حیوانی مانند اسب بر روی سم راه می رود. هر دو کلاس اسب و ببر عمل راه رفتن را انجام می دهند ولی این متد را هر کدام به شکل گوناگون پیاده سازی کرده اند. مفهومی که در شی گرایی به وفور از آن استفاده می شود مفهوم انتزاع(abstraction) است. تلویزیون خانه خود را در نظر بگیرید. این دستگاه دارای یک کنترل از راه دور است که با استفاده از آن می توان اعمالی را برروی تلویزیون مثل روشن و خاموش کردن انجام داد ولی لازم نیست که کاربران درباره ی چگونگی ارتباط کنترل از راه دور با دستگاه و نحوه پردازش امواج توسط کنترل اطلاعی داشته باشد و فقط باید روش کارکردن با آن را بلد باشد. دربرنامه نویسی نیز کلاس‌ها و اشیا بسیاری هستند که ما باید فقط روش کارکردن با آنها را بلد باشیم و نیازی نیست که بدانیم چگونه طراحی شده و از چه الگوریتم هایی بهره گرفته اند و فقط می توانیم از خصوصیات و ویژگی های مرتبط آنها اطلاع داشته باشیم.
اینترفیس(Interface): در زبان هایی مثل C#, Java اینترفیس ها بیان کننده ی قوانینی هستند که اگر کلاسی بخواهد از اینترفیس مورد نظر استفاده کند مجبور است که همه‌ی قوانین را اجرا کند. این قوانین شامل خصوصیات کلاس و نوع آن و همچنین شامل متدها و نوع برگشتی و تعداد آرگومان های آن است. نکته ای که وجود دارد این است که اینترفیس هیچ کدام از این متدها رو پیاده سازی نمی کند و خصوصیات را مقدار دهی نمی کند و فقط مشخص می کند که کلاس‌های مشتق شده باید این ویژگی‌ها را حتما داشته باشند. اینترفیس ها در داخل الگوهای طراحی بسیار کاربرد دارد که در مقالات بعدی بیشتر آشنا خواهیم شد. قسمت های گفته شده تنها یک معرفی ساده و خیلی کوتاه از مفاهیم شی گرایی می باشد که لازم بود برای وارد شدن به مبحث الگوهای طراحی گفته شوند. در ادامه به معرفی چند نمودار UML می پردازیم که در شرح الگوهای طراحی از آنها بسیار استفاده خواهیم نمود.
نمودار کلاس (class diagram)؛ این نمودار همه‌ی کلاس‌ها و خصوصیات و متدهای آنها و همچنین ارتباط بین کلاس‌ها و نوع این ارتباط ها را نشان می دهد.

مهمترین عنصر در این نمودار عنصر کلاس است که به شکل مستطیل است که دارای سه قسمت می باشد: در بالای این شکل اسم کلاس آورده شده است و در قسمت Attributes خصوصیات کلاس و در قسمت Operations متدهای کلاس آورده می شود. ارتباط بین کلاس‌ها با خطوطی مشخص می شوند که هر کدام دارای مفهوم خاصی می باشد. یکی از ارتباط های مهم، ارتباط وراثت می باشد که به این شکل نشان داده می شود.

در شکل بالا کلاس‌های Teacherو Student از کلاس Person ارث بری می کنند. توجه داشته باشید که کلاس‌ها می توانند از یک اینترفیس نیز ارث بری داشته باشند. اینترفیس‌ها به شکل زیر در نمودار کلاس نشان داده می شوند.

قسمت های گفته شده پیش نیاز هایی برای ورود به مباحث الگوهای طراحی شی گرا بود. در بیان این مطالب سعی شده بود که به شکل ساده و ملموس گفته شود. دوستان توجه داشته باشند که این مطالب فقط یک مقدمه بودند و به صورت اجمالی و مختصر گفته شده اند. به امید خدا مطالبی را در تکمیل مباحث گفته شده خواهیم آورد.