انواع فقط خواندنی: الگوهای اجباری تغییرناپذیری در برنامه نویسی مدرن

در چشم انداز همیشه در حال تحول توسعه نرم افزار، اطمینان از یکپارچگی داده ها و جلوگیری از تغییرات ناخواسته از اهمیت بالایی برخوردار است. تغییرناپذیری، این اصل که داده ها پس از ایجاد نباید تغییر کنند، یک راه حل قدرتمند برای این چالش ها ارائه می دهد. انواع فقط خواندنی، ویژگی ای که در بسیاری از زبان های برنامه نویسی مدرن موجود است، مکانیزمی برای اعمال تغییرناپذیری در زمان کامپایل فراهم می کند و منجر به کدنویسی قوی تر و قابل نگهداری تر می شود. این مقاله به مفهوم انواع فقط خواندنی می پردازد، الگوهای مختلف اجرای تغییرناپذیری را بررسی می کند و مثال های عملی در زبان های برنامه نویسی مختلف ارائه می دهد تا کاربردها و مزایای آنها را نشان دهد.

تغییرناپذیری چیست و چرا مهم است؟

تغییرناپذیری یک مفهوم اساسی در علوم کامپیوتر است، به ویژه در برنامه نویسی تابعی مرتبط است. یک شی تغییرناپذیر شیئی است که وضعیت آن پس از ایجاد قابل تغییر نیست. این بدان معناست که پس از مقداردهی اولیه یک شی تغییرناپذیر، مقادیر آن در طول عمر خود ثابت می مانند.

مزایای تغییرناپذیری متعدد است:

• کاهش پیچیدگی: ساختارهای داده تغییرناپذیر استدلال در مورد کد را ساده می کنند. از آنجایی که وضعیت یک شی نمی تواند به طور غیرمنتظره تغییر کند، درک و پیش بینی رفتار آن آسان تر می شود.
• ایمنی رشته: تغییرناپذیری نیاز به مکانیزم های پیچیده همگام سازی در محیط های چند رشته ای را از بین می برد. اشیاء تغییرناپذیر می توانند به طور ایمن بین رشته ها بدون خطر شرایط مسابقه یا خراب شدن داده ها به اشتراک گذاشته شوند.
• ذخیره سازی و یادداشت برداری: اشیاء تغییرناپذیر کاندیداهای عالی برای ذخیره سازی و یادداشت برداری هستند. از آنجایی که وضعیت آنها هرگز تغییر نمی کند، نتایج محاسبات مربوط به آنها می تواند به طور ایمن ذخیره و دوباره استفاده شود بدون خطر داده های قدیمی.
• اشکال زدایی و ممیزی: تغییرناپذیری اشکال زدایی را آسان تر می کند. وقتی خطایی رخ می دهد، می توانید مطمئن باشید که داده های درگیر به طور تصادفی در جای دیگری از برنامه تغییر نکرده اند. علاوه بر این، تغییرناپذیری ممیزی و ردیابی تغییرات داده را در طول زمان تسهیل می کند.
• تست ساده شده: تست کدی که از ساختارهای داده تغییرناپذیر استفاده می کند ساده تر است زیرا لازم نیست نگران عوارض جانبی جهش ها باشید. می توانید بر روی تأیید صحت محاسبات بدون نیاز به تنظیم وسایل تست پیچیده یا اشیاء ساختگی تمرکز کنید.

انواع فقط خواندنی: تضمین زمان کامپایل تغییرناپذیری

انواع فقط خواندنی راهی برای اعلام این است که یک متغیر یا ویژگی شی نباید پس از تخصیص اولیه آن تغییر کند. سپس کامپایلر این محدودیت را اعمال می کند و از تغییرات تصادفی یا مخرب جلوگیری می کند. این بررسی زمان کامپایل به تشخیص زودهنگام خطاها در فرآیند توسعه کمک می کند و خطر اشکالات زمان اجرا را کاهش می دهد.

زبان های برنامه نویسی مختلف سطوح مختلفی از پشتیبانی از انواع فقط خواندنی و تغییرناپذیری را ارائه می دهند. برخی از زبان ها مانند Haskell و Elm ذاتاً تغییرناپذیر هستند، در حالی که برخی دیگر مانند Java و JavaScript مکانیسم هایی برای اعمال تغییرناپذیری از طریق اصلاح کننده های فقط خواندنی و کتابخانه ها ارائه می دهند.

الگوهای اجباری تغییرناپذیری در زبان ها

بیایید بررسی کنیم که چگونه انواع فقط خواندنی و الگوهای تغییرناپذیری در چندین زبان برنامه نویسی محبوب پیاده سازی می شوند.

1. TypeScript

TypeScript چندین راه برای اعمال تغییرناپذیری ارائه می دهد:

• اصلاح کننده readonly: اصلاح کننده readonly می تواند برای جلوگیری از اصلاح آنها پس از مقداردهی اولیه، روی ویژگی های یک شی یا کلاس اعمال شود.

interface Point {
 readonly x: number;
 readonly y: number;
}

const p: Point = { x: 10, y: 20 };
// p.x = 30; // Error: Cannot assign to 'x' because it is a read-only property.

• نوع ابزار Readonly: نوع ابزار Readonly<T> می تواند برای فقط خواندنی کردن تمام ویژگی های یک شی استفاده شود.

interface Person {
 name: string;
 age: number;
}

const person: Readonly<Person> = { name: "Alice", age: 30 };
// person.age = 31; // Error: Cannot assign to 'age' because it is a read-only property.

• نوع ReadonlyArray: نوع ReadonlyArray<T> تضمین می کند که یک آرایه قابل تغییر نیست. متدهایی مانند push، pop و splice در ReadonlyArray در دسترس نیستند.

const numbers: ReadonlyArray<number> = [1, 2, 3];
// numbers.push(4); // Error: Property 'push' does not exist on type 'readonly number[]'.

مثال: کلاس داده تغییرناپذیر

class ImmutablePoint {
 private readonly _x: number;
 private readonly _y: number;

 constructor(x: number, y: number) {
 this._x = x;
 this._y = y;
 }

 get x(): number {
 return this._x;
 }

 get y(): number {
 return this._y;
 }

 withX(newX: number): ImmutablePoint {
 return new ImmutablePoint(newX, this._y);
 }

 withY(newY: number): ImmutablePoint {
 return new ImmutablePoint(this._x, newY);
 }
}

const point = new ImmutablePoint(5, 10);
const newPoint = point.withX(15); // Creates a new instance with the updated value
console.log(point.x); // Output: 5
console.log(newPoint.x); // Output: 15

2. C#

C# چندین مکانیزم برای اعمال تغییرناپذیری ارائه می دهد، از جمله کلمه کلیدی readonly و ساختارهای داده تغییرناپذیر.

• کلمه کلیدی readonly: کلمه کلیدی readonly می تواند برای اعلام فیلدهایی استفاده شود که فقط می توانند در طول اعلان یا در سازنده مقداردهی شوند.

public class Person {
 private readonly string _name;
 private readonly DateTime _birthDate;

 public Person(string name, DateTime birthDate) {
 this._name = name;
 this._birthDate = birthDate;
 }

 public string Name { get { return _name; } }
 public DateTime BirthDate { get { return _birthDate; } }
}

// Example Usage
var person = new Person("Bob", new DateTime(1990, 1, 1));
// person._name = "Charlie"; // Error: Cannot assign to a readonly field

• ساختارهای داده تغییرناپذیر: C# مجموعه های تغییرناپذیر را در فضای نام System.Collections.Immutable ارائه می دهد. این مجموعه ها برای عملیات همزمان، ایمن برای رشته ها و کارآمد طراحی شده اند.

using System.Collections.Immutable;

ImmutableList<int> numbers = ImmutableList.Create(1, 2, 3);
ImmutableList<int> newNumbers = numbers.Add(4);

Console.WriteLine(numbers.Count); // Output: 3
Console.WriteLine(newNumbers.Count); // Output: 4

• Records: معرفی شده در C# 9، records روشی مختصر برای ایجاد انواع داده تغییرناپذیر هستند. Records انواع مبتنی بر مقدار با برابری داخلی و تغییرناپذیری هستند.

public record Point(int X, int Y);

Point p1 = new Point(10, 20);
Point p2 = p1 with { X = 30 }; // Creates a new record with X updated

Console.WriteLine(p1); // Output: Point { X = 10, Y = 20 }
Console.WriteLine(p2); // Output: Point { X = 30, Y = 20 }

3. Java

Java انواع فقط خواندنی داخلی مانند TypeScript یا C# ندارد، اما تغییرناپذیری را می توان از طریق طراحی دقیق و استفاده از فیلدهای نهایی به دست آورد.

• کلمه کلیدی final: کلمه کلیدی final تضمین می کند که یک متغیر فقط می تواند یک بار مقداردهی شود. وقتی روی یک فیلد اعمال می شود، فیلد را پس از مقداردهی اولیه تغییرناپذیر می کند.

public class Circle {
 private final double radius;

 public Circle(double radius) {
 this.radius = radius;
 }

 public double getRadius() {
 return radius;
 }
}

// Example Usage
Circle circle = new Circle(5.0);
// circle.radius = 10.0; // Error: Cannot assign a value to final variable radius

• کپی دفاعی: هنگام کار با اشیاء قابل تغییر در یک کلاس تغییرناپذیر، کپی دفاعی بسیار مهم است. هنگام دریافت آنها به عنوان آرگومان های سازنده یا برگرداندن آنها از متدهای getter، از اشیاء قابل تغییر کپی ایجاد کنید.

import java.util.Date;

public final class Event {
 private final Date eventDate;

 public Event(Date date) {
 this.eventDate = new Date(date.getTime()); // Defensive copy
 }

 public Date getEventDate() {
 return new Date(eventDate.getTime()); // Defensive copy
 }
}

//Example Usage
Date originalDate = new Date();
Event event = new Event(originalDate);
Date retrievedDate = event.getEventDate();
retrievedDate.setTime(0); //Modifying the retrieved date

System.out.println("Original Date: " + originalDate); //Original Date will not be affected
System.out.println("Retrieved Date: " + retrievedDate);

• مجموعه های تغییرناپذیر: چارچوب مجموعه های جاوا متدهایی را برای ایجاد نماهای تغییرناپذیر از مجموعه ها با استفاده از Collections.unmodifiableList، Collections.unmodifiableSet و Collections.unmodifiableMap ارائه می دهد.

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class ImmutableListExample {
 public static void main(String[] args) {
 List<String> originalList = new ArrayList<>();
 originalList.add("apple");
 originalList.add("banana");

 List<String> immutableList = Collections.unmodifiableList(originalList);

 // immutableList.add("orange"); // Throws UnsupportedOperationException
 }
}

4. Kotlin

Kotlin چندین راه برای اعمال تغییرناپذیری ارائه می دهد و در نحوه طراحی ساختارهای داده خود انعطاف پذیری ارائه می دهد.

• کلمه کلیدی val: مشابه final جاوا، val یک ویژگی فقط خواندنی را اعلام می کند. پس از تخصیص، مقدار آن قابل تغییر نیست.

data class Configuration(val host: String, val port: Int)

fun main() {
 val config = Configuration("localhost", 8080)
 // config.port = 9000 // Compilation error: val cannot be reassigned
 println("Host: ${config.host}, Port: ${config.port}")
}

• متد copy() برای کلاس های داده: کلاس های داده در Kotlin به طور خودکار یک متد copy() ارائه می دهند که به شما امکان می دهد نمونه های جدیدی با ویژگی های اصلاح شده ایجاد کنید و در عین حال تغییرناپذیری را حفظ کنید.

data class Person(val name: String, val age: Int)

fun main() {
 val person1 = Person("Alice", 30)
 val person2 = person1.copy(age = 31) // Creates a new instance with age updated

 println("Person 1: ${person1}")
 println("Person 2: ${person2}")
}

• مجموعه های تغییرناپذیر: Kotlin رابط های مجموعه تغییرناپذیر مانند List، Set و Map را ارائه می دهد. می توانید مجموعه های تغییرناپذیر را با استفاده از توابع کارخانه ای مانند listOf، setOf و mapOf ایجاد کنید. برای مجموعه های قابل تغییر، از mutableListOf، mutableSetOf و mutableMapOf استفاده کنید، اما توجه داشته باشید که اینها پس از ایجاد، تغییرناپذیری را اعمال نمی کنند.

fun main() {
 val numbers: List<Int> = listOf(1, 2, 3)
 //numbers.add(4) // Compilation error:  add is not defined on List
 println(numbers)

 val mutableNumbers = mutableListOf(1,2,3) // can be modified after creation
 mutableNumbers.add(4)
 println(mutableNumbers)

 val readOnlyNumbers: List<Int> = mutableNumbers // but type is still mutable!
 // readOnlyNumbers.add(5) // compiler prevents this
 println(mutableNumbers) // original *is* affected though
}

مثال: ترکیب کلاس های داده و لیست های تغییرناپذیر

data class Order(val orderId: Int, val items: List<String>)

fun main() {
 val order1 = Order(1, listOf("Laptop", "Mouse"))
 val newItems = order1.items + "Keyboard" // Creates a new list
 val order2 = order1.copy(items = newItems)

 println("Order 1: ${order1}")
 println("Order 2: ${order2}")
}

5. Scala

Scala تغییرناپذیری را به عنوان یک اصل اصلی ترویج می کند. این زبان مجموعه های تغییرناپذیر داخلی را ارائه می دهد و استفاده از val را برای اعلام متغیرهای تغییرناپذیر تشویق می کند.

• کلمه کلیدی val: در Scala، val یک متغیر تغییرناپذیر را اعلام می کند. پس از تخصیص، مقدار آن قابل تغییر نیست.

object ImmutableExample {
 def main(args: Array[String]): Unit = {
 val message = "Hello, Scala!"
 // message = "Goodbye, Scala!" // Error: reassignment to val
 println(message)
 }
}

• مجموعه های تغییرناپذیر: کتابخانه استاندارد Scala به طور پیش فرض مجموعه های تغییرناپذیر را ارائه می دهد. این مجموعه ها بسیار کارآمد و برای عملیات تغییرناپذیر بهینه شده اند.

object ImmutableListExample {
 def main(args: Array[String]): Unit = {
 val numbers = List(1, 2, 3)
 // numbers += 4 // Error: value += is not a member of List[Int]
 val newNumbers = numbers :+ 4 // Creates a new list with 4 appended

 println(s"Original list: $numbers")
 println(s"New list: $newNumbers")
 }
}

• کلاس های Case: کلاس های Case در Scala به طور پیش فرض تغییرناپذیر هستند. آنها اغلب برای نمایش ساختارهای داده با مجموعه ای ثابت از خواص استفاده می شوند.

case class Address(street: String, city: String, postalCode: String)

object CaseClassExample {
 def main(args: Array[String]): Unit = {
 val address1 = Address("123 Main St", "Anytown", "12345")
 val address2 = address1.copy(city = "New City") // Creates a new instance with city updated

 println(s"Address 1: $address1")
 println(s"Address 2: $address2")
 }
}

بهترین شیوه ها برای تغییرناپذیری

برای استفاده موثر از انواع فقط خواندنی و تغییرناپذیری، این بهترین شیوه ها را در نظر بگیرید:

• ساختارهای داده تغییرناپذیر را ترجیح دهید: در صورت امکان، ساختارهای داده تغییرناپذیر را به ساختارهای قابل تغییر ترجیح دهید. این خطر تغییرات تصادفی را کاهش می دهد و استدلال در مورد کد شما را ساده می کند.
• از اصلاح کننده های فقط خواندنی استفاده کنید: اصلاح کننده های فقط خواندنی را روی ویژگی های شی و متغیرهایی که نباید پس از مقداردهی اولیه تغییر کنند، اعمال کنید. این امر تضمین های زمان کامپایل تغییرناپذیری را فراهم می کند.
• کپی دفاعی: هنگام کار با اشیاء قابل تغییر در کلاس های تغییرناپذیر، همیشه کپی های دفاعی ایجاد کنید تا از تأثیرگذاری تغییرات خارجی بر وضعیت داخلی شی جلوگیری شود.
• کتابخانه ها را در نظر بگیرید: کتابخانه هایی را که ساختارهای داده تغییرناپذیر و ابزارهای برنامه نویسی تابعی را ارائه می دهند، بررسی کنید. این کتابخانه ها می توانند پیاده سازی الگوهای تغییرناپذیر را ساده کرده و قابلیت نگهداری کد را بهبود بخشند.
• تیم خود را آموزش دهید: اطمینان حاصل کنید که تیم شما اصول تغییرناپذیری و مزایای استفاده از انواع فقط خواندنی را درک می کند. این به آنها کمک می کند تا تصمیمات آگاهانه ای در مورد طراحی ساختار داده و پیاده سازی کد بگیرند.
• ویژگی های خاص زبان را درک کنید: هر زبان روش های کمی متفاوت برای بیان و اعمال تغییرناپذیری ارائه می دهد. ابزارهای ارائه شده توسط زبان هدف خود و محدودیت های آنها را به طور کامل درک کنید. به عنوان مثال، در جاوا یک فیلد final حاوی یک شی قابل تغییر، خود شی را تغییرناپذیر نمی کند، فقط مرجع را.

برنامه های کاربردی دنیای واقعی

تغییرناپذیری به ویژه در سناریوهای مختلف دنیای واقعی ارزشمند است:

• همزمانی: در برنامه های چند رشته ای، تغییرناپذیری نیاز به قفل ها و سایر ابتدایی های همگام سازی را از بین می برد، برنامه نویسی همزمان را ساده می کند و عملکرد را بهبود می بخشد. یک سیستم پردازش تراکنش های مالی را در نظر بگیرید. اشیاء تراکنش تغییرناپذیر را می توان به طور ایمن به طور همزمان بدون خطر خراب شدن داده ها پردازش کرد.
• منبع یابی رویداد: تغییرناپذیری سنگ بنای منبع یابی رویداد است، یک الگوی معماری که در آن وضعیت یک برنامه توسط دنباله ای از رویدادهای تغییرناپذیر تعیین می شود. هر رویداد نشان دهنده تغییری در وضعیت برنامه است و وضعیت فعلی را می توان با پخش مجدد رویدادها بازسازی کرد. به یک سیستم کنترل نسخه مانند Git فکر کنید. هر commit یک عکس فوری تغییرناپذیر از کد است و تاریخچه commit ها نشان دهنده تکامل کد در طول زمان است.
• تجزیه و تحلیل داده: در تجزیه و تحلیل داده و یادگیری ماشین، تغییرناپذیری تضمین می کند که داده ها در طول خط لوله تجزیه و تحلیل ثابت باقی می مانند. این امر از انحراف نتایج ناشی از تغییرات ناخواسته جلوگیری می کند. به عنوان مثال، در شبیه سازی های علمی، ساختارهای داده تغییرناپذیر تضمین می کنند که نتایج شبیه سازی قابل تکرار هستند و تحت تأثیر تغییرات تصادفی داده ها قرار نمی گیرند.
• توسعه وب: چارچوب هایی مانند React و Redux به شدت به تغییرناپذیری برای مدیریت وضعیت متکی هستند و عملکرد را بهبود می بخشند و استدلال در مورد تغییرات وضعیت برنامه را آسان تر می کنند.
• فناوری بلاک چین: بلاک چین ها ذاتاً تغییرناپذیر هستند. پس از نوشتن داده ها در یک بلوک، قابل تغییر نیست. این امر بلاک چین ها را برای برنامه هایی که در آنها یکپارچگی و امنیت داده ها از اهمیت بالایی برخوردار است، مانند ارزهای دیجیتال و سیستم های مدیریت زنجیره تامین ایده آل می کند.

نتیجه

انواع فقط خواندنی و تغییرناپذیری ابزارهای قدرتمندی برای ساخت نرم افزارهای ایمن تر، قابل نگهداری تر و قوی تر هستند. با پذیرش اصول تغییرناپذیری و استفاده از اصلاح کننده های فقط خواندنی، توسعه دهندگان می توانند پیچیدگی را کاهش دهند، ایمنی رشته را بهبود بخشند و اشکال زدایی را ساده کنند. از آنجایی که زبان های برنامه نویسی به تکامل خود ادامه می دهند، می توانیم انتظار داشته باشیم که مکانیزم های پیچیده تری برای اعمال تغییرناپذیری ببینیم و آن را به بخش جدایی ناپذیرتری از توسعه نرم افزار مدرن تبدیل کنیم.

با درک و به کارگیری مفاهیم و الگوهای مورد بحث در این مقاله، می توانید از مزایای تغییرناپذیری استفاده کنید و برنامه های کاربردی مقیاس پذیر و قابل اعتماد تری ایجاد کنید.