آموزش برنامه نویسی شی گرا در سی شارپ (#C)

برنامه نویسی شی گرا و این که به چه زبانی شی گرایی گفته می شود آشنا شویم. برنامه نویسی شی گرا، بر خلاف زبان های Procedural که همه چیز در آن بر اساس روال ها تعریف می شدند، مدل سازی نرم افزار بر اساس اشیاء انجام می شود.

• خصوصیات یا Properties: خصوصیات مجموعه ای از صفات هستند که یک شی را توصیف می کنند. برای مثال شی ای با نام انسان را در نظر بگیرید، این شی یکسری خصوصیات دارد مانند رنگ مو، قد، وزن، رنگ چشم و غیره. تمامی این پارامترها که به توصیف یک شی می پردازند تحت عنوان خصوصیت یا Property شناخته می شوند.
• رفتارها یا Behaviors: هر شی علاوه بر خصوصیات، شامل یکسری رفتارها می باشد، این رفتارها در حقیقت کاریست که یک شی می تواند انجام دهد. دوباره شی انسان را در نظر بگیرید، این شی می تواند نگاه کند، صحبت کند یا بشنود. رفتارها با خصوصیات تفاوت دارند و به کاری گفته می شوند که یک شی می تواند انجام دهد.

چهار مفهوم، ارکان اساسی و ستون های برنامه نویسی شی گرا می باشند :

Abstraction

زمانی که تصمیم داریم برنامه ای را به صورت شی گرا بنویسیم، باید شروع به تحلیل سیستم و شناسایی موجودیت های آن کنیم. در بالا مثالی را در مورد برنامه کتابخانه بررسی کردیم. شی عضو را در نظر بگیرید، شاید این عضو خصوصیت های بسیاری داشته باشد، مانند رنگ چشم، رنگ مو، قد، وزن، رنگ پوست اما آیا تمامی این خصوصیات در سیستم به کار می آید؟ در مورد رفتارهای یک شی نیز همین موضوع صدق می کند. مفهوم Abstraction به ما می گوید زمان بررسی یک موجودیت، تنها خصوصیات و رفتارهایی باید در تعریف موجودیت لحاظ شوند که مستقیماً در سیستم کاربرد دارند. در حقیقت Abstraction مانند فیلتری عمل می کنند که تنها خصوصیات و رفتارهای مورد استفاده در برنامه ای که قصد نوشتن آن را داریم از آن عبور می کنند.

Encapsulation

فرض کنید ماشین جدیدی خریداری کرده اید، پشت فرمان ماشین می نشینید و ماشین را استارت می زنید. استارت زدن ماشین خیلی ساده است، قرار دادن سوئیچ و چرخاندن آن و روشن شدن ماشین. اما آیا پروسه ای که داخل ماشین طی شده برای روشن شدن نیز همینقدر ساده است؟صد در صد، عملیات های بسیار دیگری اتفاق می افتد تا ماشین روشن شود. اما شما تنها سوئیچ را چرخانده و ماشین را روشن میکنید. در حقیقت پیچیدگی عملیات روشن شدن ماشین از راننده ماشین پنهان شده است. به این عملیات Encapsulation یا پنهان سازی پیچیدگی پیاده سازی عملیات های درون یک شی می گویند.

Inheritance

می توان گفت Inheritance یا وراثت اصلی ترین مفهوم در برنامه نویسی شی گرا است. زمانی که شما خوب این مفهوم را درک کنید 70 درصد از مفاهیم برنامه نویسی شی گرا را درک کرده اید. برای درک بهتر این مفهوم مثالی میزنیم. تمامی انسان های متولد شده بر روی کره خاکی از یک پدر و مادر متولد شده اند.در حقیقت این پدر و مادر والدین انسان هستند. زمانی که انسانی متولد می شود یکسری خصوصیات و ویژگی ها را از والدین خود به ارث می برد، مانند رنگ چشم، رنگ پوست یا برخی ویژگی های رفتاری. در برنامه نویسی شی گرا به زبان سی شارپ نیز به همین صورت می باشد.زمانی که شما موجودیت را طراحی می کنید، می توانید برای آن یک کلاس Base یا والد در نظر بگیرید که شی فرزند تمامی خصوصیات و رفتارهای شی والد را به ارث خواهد برد. مهمترین ویژگی وراثت، استفاده مجدد از کدهای نوشته شده است که حجم کدهای نوشته شده را به صورت محسوسی کاهش می دهد. در بخش های بعدی در مورد این ویژگی به صورت کامل توضیح خواهیم داد.

Polymorphism

در فرهنگ لغت این واژه به معنای چند ریختی ترجمه شده است. اما در برنامه نویسی شی گرا چطور؟ خیلی از افراد با این مفهوم مشکل دارند و درک صحیحی از آن پیدا نمی کنند. مفهوم Polymorphism رابطه مستقیمی با Inheritance دارد. یعنی شما ابتدا نیاز دارید مفهوم وراثت را خوب درک کرده و سپس به یادگیری Polymorphism بپردازید. باز هم برای درک مفهوم Polymorphism یک مثال از دنیای واقعی میزنیم. در کره خاکی ما انسان های مختلفی در کشور های مختلف و شهر های مختلف با گویش های مختلف زندگی می کنند. اما تمامی این ها انسان هستند. در اینجا انسان را به عنوان یک شی والد و انسان چینی، انسان ایرانی و انسان آمریکایی را به عنوان اشیاء فرزند که از شی انسان مشتق شده اند یا والد آنها کلاس انسان می باشد را در نظر بگیرید.کلاس انسان رفتاری را تعریف می کند به نام صحبت کردن. اما اشیاء فرزند آن، به یک صورت صحبت نمی کنند، انسان ایرانی با زبان ایرانی، چینی با زبان چینی و آمریکایی با زبان آمریکایی صحبت می کند. در حقیقت رفتاری که در شی والد تعریف شده، در شی های فرزند مجدد تعریف می شود یا رفتار آن تغییر می کند.این کار مفهوم مستقیم Polymorphism می باشد. در زبان های برنامه نویسی شی گرا، Polymorphism به تغییر رفتار یک شی در اشیاء فرزند آن گفته می شود. در زبان سی شارپ این کار با کمک تعریف متدها به صورت virtual و override کردن آنها در کلاس های فرزند انجام می شود.همچنین Polymorphism با کمک Interface ها قابل پیاده سازی است.

مفهوم کلاس و شی :

زمانی که قصد نوشتن برنامه ای به صورت شی گرا را داریم، باید موجودیت های مورد استفاده را در برنامه مدل سازی کنیم. این موجودیت ها همان اشیاء هستند که در سیستم مورد استفاده قرار میگیرند. اما شیوه مدل سازی و استفاده از اشیاء چگونه خواهد بود؟ در اینجا باید با دو مفهوم آشنا شویم: 1. کلاس ها و 2. اشیاء.

کلاس : نمونه ای از یک شی که داخل برنامه طراحی می شود را کلاس می گویند. برای اینکه با مفهوم کلاس بیشتر آشنا شوید یک مثال از دنیای واقعی می زنیم. فرض کنید تصمیم به ساخت یک خانه دارید. اولین چیزی که به آن نیاز خواهید داشت نقشه خانه ایست که تصمیم دارید بسازید. نقشه یک طرح اولیه و مفهومی از ساختمان به شما می دهد و بعد از روی نقشه اقدام به ساخت خانه می کنید. نقشه شامل تمامی بخش های خانه است، اتاق پذیرایی، آشپزخانه، حمام، سرویس بهداشتی و سایر بخش ها. اما فقط یک نقشه در اختیار دارید. نمی توانید از اتاق پذیرایی داخل نقشه استفاده کنید. کلاس دقیقاً معادل نقشه ای است که شما برای ساختمان خود کشیده اید. کلاس یک نمونه اولیه از موجودیت ایست که باید اشیاء از روی آن ساخته شوند.

شی : باز هم به سراغ مثال قبلی می رویم. بعد از کشیدن نقشه ساختمان شما باید اقدام به ساخت خانه کنید.

بعد از اتمام عملیات ساخت، خانه شما قابل سکونت بوده و شما می توانید از آن استفاده کنید. همچنین از روی یک نقشه ساختمانی می توان چندین ساختمان ساخت. شی دقیقاً معادل همان مفهوم ساختمانی است که از روی نقشه ساخته شده است.شما بعد از اینکه کلاس را تعریف کردید، باید از روی کلاس شی بسازید تا بتوانید از آن استفاده کنید. در حقیقت کلاس به صورت مستقیم قابل استفاده نیست، مگر اینکه شامل اعضای static باشد که در بخش های بعدی با آنها آشنا خواهیم شد.

برای مثال، کلاس یا اعضای یک کلاس را تعریف می کنیم، می توانیم مشخص کنیم که این کلاس از کدام قسمت های پروژه قابل دسترس باشد. سطوح دسترسی زیر در زبان سی شارپ تعریف شده اند:

1. private: این سطح دسترسی مشخص می کند که قطعه کد تعریف شده تنها داخل خود پروژه یا Scope مربوطه قابل دسترس باشند. برای مثال کلاسی که به صورت private تعریف شده باشد، تنها داخل همان پروژه قابل دسترس بوده و از سایر پروژه هایی که در solution تعریف شده قابل دسترس نخواهد بود، یا اعضای کلاسی که به صورت private تعریف شده اند، تنها در Scope همان کلاس که بین علامت های {} می باشد قابل دسترس خواهند بود.
2. public: کدهایی که با این سطح دسترسی مشخص شده باشند، در تمامی قسمت های پروژه و سایر پروژه ها قابل دسترس خواهند بود.
3. internal: سطوح دسترسی internal، تنها داخل همان پروژه قابل دسترس بوده و سایر پروژه ها به آنها دسترسی نخواهند داشت. این سطح دسترسی برای اعضای کلاس ها کاربرد زیادی دارد.
4. protected: این سطح دسترسی زمانی که از مفهوم inheritance استفاده کنیم کاربرد دارد. در قسمت وراثت این سطح دسترسی را به تفصیل مورد بررسی قرار خواهیم داد.
5. internal protected: همانند قسمت protected، این دسترسی نیز در قسمت وراثت توضیح داده خواهد شد که تلفیقی از دسترسی های internal و protected می باشد.

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace CSharpOOP
{
    class Person
    {
    }
}

قسمت using مربوط به استفاده کلاس هایی است که در namespace های دیگر تعریف شده اند. namespace ها برای دسته بندی کدهای پروژه مورد استفاده قرار میگیرند، در حقیقت شما می توانید از لحاظ کاربردی کدهای خود را در زبان سی شارپ بوسیله namespace تقسیم بندی کنید.

برای مثال، در کد بالا، کلاس Person، در namespace یا فضای نام CSharpOOP تعریف شده است. زمانی که پروژه ای ایجاد می کنید، فضای نام پیش فرض بر اساس نام پروژه ایجاد شده و تمام کدهای شما داخل این فضای نام تعریف خواهند شد.

همچنین کلیه کلاس هایی که به صورت پیش فرض در دات نت تعریف شده اند، در فضای نام System قرار دارند. در حقیقت System فضای نام پایه برای کلیه کلاس های موجود در دات نت می باشد. همچنین می توان برای هر فضای نام یک فضای نام زیر مجموعه تعریف کرد که این جداسازی بوسیله کاراکتر . انجام می شود. برای مثال، برای فضای نام CSharpOOP می خواهیم یک فضای نام زیر مجموعه با نام DataTools تعریف کنیم :

namespace CSharpOOP.DataTools
{
}

به کد کلاس Person برگردیم. در ادامه کد، فضای نام CSharpOOP مشخص شده که داخل آن کلاس Person تعریف شده است. اگر دقت کنید، این کلاس access-modifier ندارد. کدهایی که برای آنها access-modifier مشخص نشده باشد، به صورت پیش فرض private در نظر گرفته می شوند.

بعد از تعریف کلاس بوسیله {} محدوده کلاس مشخص شده است که کدهای مربوط به کلاس داخل آن نوشته می شوند.خوب تا اینجا، ما با شیوه تعریف یک کلاس ساده آشنا شدیم. در مرحله بعد، باید از روی این کلاس یک شی بسازیم. ساختار کلی تعریف شی به صورت زیر است :

{class-name} {object-name} = new {class-name}();

در قسمت class-name، نام کلاس را مشخص می کنیم، برای مثال Person و در قسمت object-name، نام شی مورد نظر را مشخص می کنیم. در حقیقت object-name یک متغیر است که به شی ما اشاره می کند. بعد از علامت انتساب یا = باید عملیات ساخت شی را انجام دهیم.

بوسیله کلمه کلیدی new می گوییم که تصمیم به ساخت یک شی جدید داریم و در مقال آن نام کلاسی که می خواهیم از روی آن شی بسازیم را می نویسیم. دقت کنید که بعد از نوشتن نام کلاس در مقال کلمه کلیدی new باید () حتماً نوشته شود، در غیر اینصورت با پیغام خطا مواجه خواهید شد. با توضیحات بالا، می توان گفت عملیات ساخت شی در دو مرحله انجام می شود:

1. تعریف متغیری که شی داخل آن نگهداری می شود (دستورات قبل از عملیات انتساب).
2. ساخت شی و قرار دادن آن داخل متغیر مربوطه (دستورات بعد از عملیات انتساب).

حال از روی کلاس Person یک شی ایجاد می کنیم. کد متد Main در فایل Program.cs را به صورت زیر تغییر دهید:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace CSharpOOP
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Person person = new Person();
        }
    }
}

بوسیله کد بالا، عملیات ساخت شی انجام شد. همانطور که قبلا گفتیم، ما می توانیم چندین شی با نام های متفاوت از روی یک کلاس ایجاد کنیم :

Person person1 = new Person();
Person person2 = new Person();
Person person3 = new Person();