الوراثة (البرمجة الكائنية التوجه)

في البرمجة كائنية التوجه ، تُعدّ الوراثة آليةً لإنشاء كائن أو فئة بناءً على كائن آخر ( وراثة قائمة على النموذج الأولي ) أو فئة أخرى ( وراثة قائمة على الفئات )، مع الحفاظ على نفس التنفيذ . كما تُعرَّف الوراثة بأنها اشتقاق فئات جديدة ( فئات فرعية ) من فئات موجودة، مثل الفئة الأصلية أو الفئة الأساسية ، ثم تشكيلها في تسلسل هرمي من الفئات. في معظم لغات البرمجة كائنية التوجه القائمة على الفئات، مثل C++ ، يكتسب الكائن المُنشأ من خلال الوراثة، والذي يُسمى "الكائن الابن"، جميع خصائص وسلوكيات "الكائن الأصل"، باستثناء: الدوال البانية ، والدوال الهدامة، والمعاملات المُحمَّلة بشكل زائد ، ودوال الصداقة الخاصة بالفئة الأساسية. تُمكّن الوراثة المبرمجين من إنشاء فئات مبنية على فئات موجودة، ^{[ 1 ]} وتحديد تنفيذ جديد مع الحفاظ على نفس السلوكيات ( تحقيق واجهة )، وإعادة استخدام التعليمات البرمجية، وتوسيع البرامج الأصلية بشكل مستقل عبر الفئات والواجهات العامة . تُؤدي علاقات الكائنات أو الفئات من خلال الوراثة إلى إنشاء رسم بياني موجه غير دوري .

يُطلق على الصنف الموروث اسم الصنف الفرعي للصنف الأب أو الصنف الأصل. يُستخدم مصطلح الوراثة بشكل عام في كلٍ من البرمجة القائمة على الأصناف والبرمجة القائمة على النماذج الأولية، ولكن في الاستخدام الدقيق، يُخصص المصطلح للبرمجة القائمة على الأصناف (حيث يرث صنف من آخر)، بينما تُسمى التقنية المقابلة في البرمجة القائمة على النماذج الأولية بالتفويض (حيث يُفوض كائن إلى آخر). يمكن تحديد أنماط الوراثة المُعدِّلة للأصناف مسبقًا وفقًا لمعلمات واجهة الشبكة البسيطة، بحيث يتم الحفاظ على التوافق بين اللغات. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Inheritance should not be confused with subtyping.^[4][5] In some languages, generally statically-typed class-based OO languages, like C++, C#, Java, and Scala, inheritance and subtyping agree, whereas in others they differ. In general, subtyping establishes an is-a relationship, whereas inheritance only reuses implementation and establishes a syntactic relationship, not necessarily a semantic relationship (inheritance does not ensure behavioral subtyping). To distinguish these concepts, subtyping is sometimes referred to as interface inheritance (without acknowledging that the specialization of type variables also induces a subtyping relation), whereas inheritance as defined here is known as implementation inheritance or code inheritance.^[6] Still, inheritance is a commonly used mechanism for establishing subtype relationships.^[7]

Inheritance is contrasted with object composition, where one object contains another object (or objects of one class contain objects of another class); see composition over inheritance. In contrast to subtyping’s is-a relationship, composition implements a has-a relationship.

Mathematically speaking, inheritance in any system of classes induces a strict partial order on the set of classes in that system.

في عام 1966، قدم توني هوار بعض الملاحظات حول السجلات، وتحديدًا فكرة الفئات الفرعية للسجلات، وهي أنواع سجلات ذات خصائص مشتركة ولكنها تتميز بعلامة متغيرة وحقول خاصة بتلك العلامة. ^{[ 8 ]} وتأثرًا بذلك، قدم أولي-يوهان دال وكريستين نيغارد في عام 1967 تصميمًا يسمح بتحديد كائنات تنتمي إلى فئات مختلفة ولكنها تشترك في خصائص مشتركة. جُمعت الخصائص المشتركة في فئة أساسية، ويمكن لكل فئة أساسية أن تحتوي بدورها على فئة أساسية أخرى. وبالتالي، كانت قيم الفئة الفرعية عبارة عن كائنات مركبة، تتكون من عدد من الأجزاء البادئة التي تنتمي إلى فئات أساسية مختلفة، بالإضافة إلى جزء رئيسي ينتمي إلى الفئة الفرعية. وقد جُمعت هذه الأجزاء معًا. ^{[ 9 ]} ويمكن الوصول إلى سمات الكائن المركب باستخدام تدوين النقطة. وقد اعتُمدت هذه الفكرة لأول مرة في لغة البرمجة سيمولا 67. ^{[ 10 ]} ثم انتشرت الفكرة إلى لغات أخرى مثل سمول توك ، وسي++ ، وجافا ، وبايثون ، وغيرها الكثير.

توجد أنواع مختلفة من الوراثة، تعتمد على النموذج ولغة محددة. ^{[ 11 ]}

الميراث الفردي

حيث ترث الفئات الفرعية خصائص فئة أصلية واحدة. تكتسب الفئة خصائص فئة أخرى.

الوراثة المتعددة

حيث يمكن أن يكون للفئة الواحدة أكثر من فئة أساسية واحدة وأن ترث الميزات من جميع الفئات الأصلية.

كان يُعتقد على نطاق واسع أن الوراثة المتعددة  صعبة التنفيذ بكفاءة. فعلى سبيل المثال، في ملخص للغة C++ في كتابه عن Objective C ، ادعى براد كوكس أن إضافة الوراثة المتعددة إلى C++ أمر مستحيل. ولذلك، بدت الوراثة المتعددة أكثر صعوبة. وبما أنني كنت قد فكرت في الوراثة المتعددة منذ عام 1982، ووجدت أسلوبًا بسيطًا وفعالًا لتنفيذها في عام 1984، لم أستطع مقاومة هذا التحدي. وأظن أن هذه هي الحالة الوحيدة التي أثرت فيها الموضة على تسلسل الأحداث. ^{[ 12 ]}

— بيارن ستروستروب

الوراثة متعددة المستويات

حيث يتم توريث فئة فرعية من فئة فرعية أخرى. ليس من غير المألوف أن يتم اشتقاق فئة من فئة مشتقة أخرى كما هو موضح في الشكل "الوراثة متعددة المستويات".

The class A serves as a base class for the derived classB, which in turn serves as a base class for the derived classC. The class B is known as intermediate base class because it provides a link for the inheritance between A and C. The chain ABC is known as inheritance path.

A derived class with multilevel inheritance is declared as follows:

// C++ language implementationclassA{...};// Base classclassB:publicA{...};// B derived from AclassC:publicB{...};// C derived from B

This process can be extended to any number of levels.

Hierarchical inheritance

This is where one class serves as a superclass (base class) for more than one sub class. For example, a parent class, A, can have two subclasses B and C. Both B and C's parent class is A, but B and C are two separate subclasses.

Hybrid inheritance

Hybrid inheritance is when a mix of two or more of the above types of inheritance occurs. An example of this is when a class A has a subclass B which has two subclasses, C and D. This is a mixture of both multilevel inheritance and hierarchal inheritance.

Subclasses, derived classes, heir classes, or child classes are modular derivative classes that inherit one or more language entities from one or more other classes (called superclass, base classes, or parent classes). The semantics of class inheritance vary from language to language, but commonly the subclass automatically inherits the instance variables and member functions of its superclasses.

In C++, the general form of defining a derived class is:^[13]

classSubClass:visibilitySuperClass{// subclass members};

تشير النقطتان الرأسيتان إلى أن الفئة الفرعية ترث من الفئة الأصلية. مُعدِّل الرؤية اختياري، وإذا وُجد، فقد يكون خاصًا أو عامًا . الرؤية الافتراضية (في حال عدم وجود مُعدِّل) هي خاصة . تُحدد الرؤية ما إذا كانت خصائص الفئة الأساسية مُشتقة بشكل خاص أو عام .

لاحظ أنه في بعض اللغات الأخرى مثل جافا وسي شارب، لا يوجد مُعدِّل رؤية للوراثة:

// بدون مُعدِّل رؤية // مُكافئ لـ public SuperClass في لغة C++ class SubClass extends SuperClass { // أعضاء الفئة الفرعية }

تدعم بعض اللغات أيضًا وراثة بنيات أخرى. على سبيل المثال، في لغة إيفل ، تُورَث العقود التي تُحدد مواصفات فئة ما إلى الفئات الوريثة. تُنشئ الفئة الأصلية واجهة مشتركة ووظائف أساسية، يمكن للفئات الفرعية المتخصصة وراثتها وتعديلها واستكمالها. يُعتبر البرنامج الذي ترثه الفئة الفرعية مُعاد استخدامه فيها. قد يُشير مرجع إلى مثيل فئة ما في الواقع إلى إحدى فئاتها الفرعية. من المستحيل التنبؤ بالفئة الفعلية للكائن المُشار إليه في وقت الترجمة . تُستخدم واجهة موحدة لاستدعاء الدوال الأعضاء لكائنات من عدد من الفئات المختلفة. يمكن للفئات الفرعية استبدال دوال الفئة الأصلية بدوال جديدة تمامًا يجب أن تشترك في نفس توقيع الدالة .

يوضح الجدول التالي المتغيرات والوظائف التي يتم توريثها اعتمادًا على مستوى الرؤية المحدد عند اشتقاق الفئة، باستخدام المصطلحات التي وضعتها لغة C++. ^{[ 14 ]}

تُستخدم الوراثة لربط فئتين أو أكثر ببعضهما البعض.

تجاوز

تسمح العديد من لغات البرمجة كائنية التوجه للفئة أو الكائن باستبدال تنفيذ جانبٍ ما - عادةً سلوك - ورثه. تُسمى هذه العملية "التجاوز" . يُثير التجاوز تعقيدًا: أي نسخة من السلوك تستخدمها نسخة من الفئة الموروثة - النسخة الخاصة بها، أم النسخة من الفئة الأصلية (الأساسية)؟ تختلف الإجابة بين لغات البرمجة، وتوفر بعض اللغات إمكانية الإشارة إلى عدم تجاوز سلوك معين، وأن يتصرف كما هو مُعرّف في الفئة الأساسية. على سبيل المثال، في لغة C#، لا يمكن تجاوز الطريقة أو الخاصية الأساسية في فئة فرعية إلا إذا كانت مُعلّمة بالمُعدِّل virtual أو abstract أو override، بينما في لغات برمجة مثل Java، يمكن استدعاء طرق مختلفة لتجاوز طرق أخرى. ^{[ 15 ]} يُعد إخفاء الكود الموروث بديلاً عن التجاوز .

استيراد java.util.List ؛ استيراد java.util.stream.Collectors ؛ استيراد java.util.stream.IntStream ؛فئة مجردة SumComputer { عدد صحيح خاص a ؛ عدد صحيح خاص b ؛دالة عامة SumComputer ( عدد صحيح a ، عدد صحيح b ) { this.a = a ; this.b = b ; }​// طريقة مجردة يتم تنفيذها بواسطة الفئات الفرعية public abstract int transform ( int x );public List <Integer> inputs ( ) { return IntStream.rangeClosed ( a , b ) .boxed.collect ( Collectors.toList ( ) ) ; }​​​​​public int compute () { return inputs (). stream () . mapToInt ( this :: transform ) . sum (); } }class SquareSumComputer extends SumComputer { public SquareSumComputer ( int a , int b ) { super ( a , b ); }@Override public int transform ( int x ) { return x * x ; } }class CubeSumComputer extends SumComputer { public CubeSumComputer ( int a , int b ) { super ( a , b ); }@Override public int transform ( int x ) { return x * x * x ; } }

الوراثة مشابهة للتصنيف الفرعي ولكنها تختلف عنه . ^{[ 4 ]} يُمكّن التصنيف الفرعي من استبدال نوع معين بنوع آخر أو تجريد آخر، ويُقال إنه يُنشئ علاقة "هو نوع" بين النوع الفرعي وتجريد موجود، إما ضمنيًا أو صراحةً، اعتمادًا على دعم اللغة. يمكن التعبير عن هذه العلاقة صراحةً عبر الوراثة في اللغات التي تدعم الوراثة كآلية للتصنيف الفرعي. على سبيل المثال، يُنشئ كود C++ التالي علاقة وراثة صريحة بين الفئتين B و A ، حيث B هي فئة فرعية ونوع فرعي من A ، ويمكن استخدامها كـ A أينما تم تحديد B (عبر مرجع أو مؤشر أو الكائن نفسه).

class A { public : void methodOfA () const { // ... } };class B : public A { public : void methodOfB () const { // ... } };void functionOnA ( const A & a ) { a . methodOfA (); }int main () { B b ; functionOnA ( b ); // يمكن استبدال b بـ A. }

في لغات البرمجة التي لا تدعم الوراثة كآلية للتصنيف الفرعي ، تكون العلاقة بين الفئة الأساسية والفئة المشتقة علاقة بين التطبيقات فقط (آلية لإعادة استخدام الكود)، مقارنةً بالعلاقة بين الأنواع . ولا تستلزم الوراثة، حتى في لغات البرمجة التي تدعمها كآلية للتصنيف الفرعي، بالضرورة تصنيفًا فرعيًا سلوكيًا . فمن الممكن تمامًا اشتقاق فئة يتصرف كائنها بشكل غير صحيح عند استخدامه في سياق يُتوقع فيه استخدام الفئة الأصلية؛ انظر مبدأ استبدال ليسكوف . ^{[ 18 ]} (قارن بين الدلالة الضمنية والدلالة الصريحة ). في بعض لغات البرمجة الكائنية التوجه، تتداخل مفاهيم إعادة استخدام الكود والتصنيف الفرعي لأن الطريقة الوحيدة لتعريف نوع فرعي هي تعريف فئة جديدة ترث تطبيق فئة أخرى.

لطالما كان مفهوم وراثة التنفيذ مثيرًا للجدل بين المبرمجين ونظريي البرمجة الكائنية التوجه منذ تسعينيات القرن الماضي على الأقل. ومن بين المنتقدين مؤلفو كتاب " أنماط التصميم" ، الذين يدعون إلى وراثة الواجهات، ويفضلون التركيب على الوراثة . فعلى سبيل المثال، تم اقتراح نمط المُزخرف (كما ذُكر سابقًا ) للتغلب على الطبيعة الثابتة للوراثة بين الأصناف. وكحلٍّ أكثر جوهرية للمشكلة نفسها، تُقدّم البرمجة الموجهة بالأدوار علاقةً مميزة، تُسمى "يلعبها" ، تجمع بين خصائص الوراثة والتركيب في مفهوم جديد.

بحسب ألين هولوب ، تكمن المشكلة الرئيسية في وراثة التنفيذ في أنها تُدخل ترابطًا غير ضروري على شكل "مشكلة الفئة الأساسية الهشة" : ^{[ 6 ]} إذ يمكن أن تُسبب التعديلات على تنفيذ الفئة الأساسية تغييرات سلوكية غير مقصودة في الفئات الفرعية. ويُجنّب استخدام الواجهات هذه المشكلة لأنه لا تتم مشاركة أي تنفيذ، بل واجهة برمجة التطبيقات فقط. ^{[ 19 ]} وبعبارة أخرى، "تُخلّ الوراثة بمبدأ التغليف ". ^{[ 20 ]} وتبرز هذه المشكلة بوضوح في الأنظمة المفتوحة الموجهة للكائنات، مثل الأطر البرمجية ، حيث يُتوقع من كود العميل أن يرث من الفئات التي يوفرها النظام، ثم يُستبدل بها في خوارزمياته. ^{[ 6 ]}

يُقال إن جيمس جوسلينج ، مخترع لغة جافا، قد عارض وراثة التنفيذ، مصرحًا بأنه لن يُدرجها لو أعاد تصميم جافا. ^{[ 19 ]} ظهرت تصميمات لغات تفصل الوراثة عن التوريث الفرعي (وراثة الواجهات) في وقت مبكر من عام 1990؛ ^{[ 21 ]} ومن الأمثلة الحديثة على ذلك لغة البرمجة جو .

قد يؤدي استخدام الوراثة المعقدة، أو الوراثة ضمن تصميم غير ناضج بما فيه الكفاية، إلى مشكلة التذبذب . عندما كانت الوراثة تُستخدم كنهج أساسي لهيكلة البرامج في أواخر التسعينيات، كان المطورون يميلون إلى تقسيم الشيفرة إلى طبقات وراثية أكثر مع ازدياد وظائف النظام. إذا جمع فريق التطوير بين طبقات وراثية متعددة ومبدأ المسؤولية الواحدة، ينتج عن ذلك العديد من الطبقات البرمجية الرقيقة جدًا، حيث تتكون العديد منها من سطر أو سطرين فقط من الشيفرة الفعلية. كثرة الطبقات تجعل عملية تصحيح الأخطاء تحديًا كبيرًا، إذ يصعب تحديد الطبقة التي تحتاج إلى تصحيح.

من المشاكل الأخرى المتعلقة بالوراثة ضرورة تعريف الفئات الفرعية في الكود، مما يعني عدم قدرة مستخدمي البرنامج على إضافة فئات فرعية جديدة أثناء التشغيل. بينما تسمح أنماط تصميم أخرى (مثل نظام الكيان-المكون-الكيان ) لمستخدمي البرنامج بتعريف اختلافات الكيان أثناء التشغيل.

• مشكلة الدائرة والقطع الناقص – مشكلة في البرمجة كائنية التوجه 
• الاستدلال القابل للدحض – الاستدلال الذي يكون مقنعًا من الناحية العقلانية، وإن لم يكن صحيحًا من الناحية الاستنتاجية. 
• الواجهة (الحوسبة) - الحدود المشتركة بين عناصر نظام الحوسبة 
• تجاوز الأساليب – ميزة لغوية في البرمجة الكائنية التوجه 
• Mixin – فئة تُستخدم لحقن الطرق 
• تعدد الأشكال (علوم الحاسوب) - استخدام واجهة أو رمز واحد فيما يتعلق بأنواع متعددة مختلفة 
• البروتوكول – تجريد لفئة صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه 
• البرمجة الموجهة نحو الأدوار – نموذج برمجي قائم على الفهم المفاهيمي للكائنات 
• السمة (برمجة الحاسوب) - مجموعة من الأساليب التي توسع وظائف فئة معينة 
• الوراثة الافتراضية – تقنية في لغة C++ 

• ماير، برتراند (1997). "24. الاستخدام الأمثل للوراثة" (ملف PDF) . بناء البرمجيات الموجهة للكائنات (  الطبعة الثانية). برنتيس هول. الصفحات 809-870 . ISBN  978-0136291558.
• ساموخين، فاديم (2017). "توريث التنفيذ شرٌّ" . هاكر نون . ميديوم.
• الوراثة الفردية في جافا
• الوراثة الهجينة في جافا