دالة متداخلة

عادةً ما تعمل الدالة المتداخلة كدالة مساعدة أو دالة تكرارية .

يمكن استخدام الدوال المتداخلة للتحكم غير المنظم في تدفق البرنامج ، وذلك باستخدام عبارة الإرجاع للتحكم غير المنظم العام. يتيح هذا التحكم الدقيق مقارنةً بالميزات المدمجة الأخرى في اللغة، فعلى سبيل المثال، يسمح بإنهاء حلقة for مبكرًا في حال عدم توفر متغير، أو إنهاء حلقة forbreak متداخلة مبكرًا في حال عدم توفر متغير متعدد المستويات أو استثناءات.break

في بعض لغات البرمجة، يُمكن إنشاء دالة متداخلة تصل إلى مجموعة من المعاملات من الدالة الخارجية، أي دالة مغلقة ، وتكون هذه الدالة هي القيمة المُعادة من الدالة الخارجية. وبالتالي، يُمكن إعادة دالة مُصممة لأداء مهمة مُحددة مع عدد قليل من المعاملات الإضافية أو بدونها، مما يُحسّن الأداء بشكل ملحوظ. ^{[ 2 ]}

مثال بسيط بلغة باسكال:

دالة E ( x : عدد حقيقي ) : عدد حقيقي ; دالة F ( y : عدد حقيقي ) : عدد حقيقي ; بداية F := x + y نهاية ; بداية E := F ( 3 ) + F ( 4 ) نهاية ;

الدالة Fمتداخلة داخل E. لاحظ أن Eمُعامل 's xمرئي أيضًا في F(لأنه Fجزء من E) بينما كل من xو yغير مرئيين خارج Eو Fعلى التوالي.

وبالمثل، في لغة البرمجة القياسية (Standard ML) :

fun e ( x : real ) = let fun f y = x + y in f 3 + f 4 end ;

في لغة هاسكل :

e :: Float -> Float e x = f 3 + f 4 حيث f y = x + y

في اللغة الإنجليزية :

هـ: الإجراء (س) يُرجع (عدد عشري)؛ أعلن x كعدد عشري؛ f: procedure(y) returns(float); أعلن y كعدد عشري؛ أعد x + y نهاية؛ أعد f(3.0) + f(4.0)؛ نهاية؛ 

في لغة بايثون :

def e ( x : float ) -> float : def f ( y : float ) -> float : return x + y return f ( 3.0 ) + f ( 4.0 )

في لغة GNU C ^{[ 3 ]} – التي توسع لغة C القياسية بوظائف متداخلة:

float e ( float x ) { float f ( float y ) { return x + y ; } return f ( 3.0f ) + f ( 4.0f ); }

فيما يلي تطبيق لخوارزمية الفرز السريع : ^{[ 4 ]}

دالة الفرز ( int * items , int size ) { دالة الفرز السريع ( int first , int last ) { دالة التبديل ( int p , int q ) { int tmp = items [ p ]; items [ p ] = items [ q ]; items [ q ] = tmp ; } دالة التقسيم () { int pivot = items [ first ]; int index = first ; swap ( index , last ); for ( int i = first ; i < last ; i ++ ) { if ( items [ i ] < pivot ) { swap ( index ++ , i ); } } swap ( index , last ); return index ; }إذا كان ( الأول < الأخير ) { int pivotIndex = partition (); quickSort ( first , pivotIndex - 1 ); quickSort ( pivotIndex + 1 , الأخير ); } } quickSort ( 0 , size - 1 ); }

فيما يلي تطبيق لخوارزمية الفرز السريع القائمة على تقسيم هوار باستخدام صيغة تعبير لامدا في لغة C++11، وهي تقنية بديلة تسمح أيضًا بإخفاء دالة داخل دالة أخرى:

// يمثل Iter قالب مُكرِّر وصول عشوائي < typename Iter > void sort ( Iter begin , Iter end ) { auto partition = [ & ]() -> Iter { // مخطط تقسيم هوار Iter & pivot = * begin ; Iter forwardCursor = begin ; Iter backwardCursor = end - 1 ; Iter partitionPositionFound = false ;auto locatePartitionPosition = [ & ]() -> void { while ( * forwardCursor < pivot ) { ++ forwardCursor ; } while ( pivot < * backwardCursor ) { -- backwardCursor ; } if ( forwardCursor >= backwardCursor ) { partitionPositionFound = true ; } else swap ( * forwardCursor , * backwardCursor ); } };// دالة مساعدة بسيطة auto moveOnAndTryAgain = [ & ]() -> void { ++ forwardCursor ; -- backwardCursor ; };// ملخص موجز لعملية التقسيم الفعلية while ( true ) { locatePartitionPosition (); if ( partitionPositionFound ) return backwardCursor + 1 ; else { moveOnAndTryAgain (); } } };// ملخص موجز لخوارزمية الفرز السريع إذا ( بداية < نهاية - 1 ) { تكرار موضع التقسيم = تقسيم (); فرز ( بداية ، موضع التقسيم ); فرز ( موضع التقسيم ، نهاية ); } }

في معظم لغات البرمجة الوظيفية ، مثل Scheme، تُعدّ الدوال المتداخلة طريقة شائعة لتنفيذ الخوارزميات التي تتضمن حلقات تكرارية. تُنشأ دالة داخلية بسيطة ( ذات نهاية ) تعمل كحلقة تكرارية رئيسية للخوارزمية، بينما تُنفّذ الدالة الخارجية إجراءات بدء التشغيل التي لا تحتاج إلى تنفيذها إلا مرة واحدة. في الحالات الأكثر تعقيدًا، يمكن إنشاء عدد من الدوال المتداخلة كدوال داخلية.

يتمثل أحد البدائل الشائعة في الاستفادة من تقنية الوحدات النمطية للغة. بعض الوظائف متاحة للاستخدام خارج الوحدة النمطية، وبعضها الآخر مرئي فقط داخل الوحدة النمطية.

في لغة C، يمكن تحقيق ذلك بتعريف الدوال والمتغيرات كـ static لإخفائها عن التعليمات البرمجية خارج الملف. ^{[ 10 ]} يتيح هذا إخفاء البيانات وتغليفها وتفكيكها، ولكن بمستوى دقة مختلف عن الدوال المتداخلة. لا تدعم هذه النمطية أكثر من مستوى واحد من التداخل.

في لغات البرمجة كائنية التوجه ، يوفر الصنف عادةً نطاقًا يمكن فيه إخفاء الدوال والحالة عن مستخدمي الصنف، مع إمكانية الوصول إليها داخل الصنف نفسه. تسمح بعض اللغات بتداخل الأصناف.

لتنفيذ إخفاء البيانات، يمكن للدوال تمرير البيانات المشتركة كمعاملات، لكن هذا يزيد من تعقيد استدعاءات الدوال. ^{[ 1 ]}

في لغة C، يتم تنفيذ ذلك عمومًا عن طريق تمرير مؤشر إلى بنية تحتوي على البيانات المشتركة. ^{[ 10 ]}

في لغة PHP وغيرها من اللغات، تُعدّ الدوال المجهولة (lambda) بديلاً. تُعرَّف هذه الدوال في عبارة برمجية بدلاً من تعريفها باستخدام صيغة الدوال المعتادة. ليس لها اسم، ولكن يمكن استدعاؤها عبر مرجع دالة . يمكن تعريف هذه الدوال داخل دالة أخرى، وكذلك في نطاقات أخرى. لاستخدام متغيرات محلية في الدالة المجهولة، استخدم الإغلاق (closure) .

توفر اللغات التالية ميزات مشابهة للوظائف المتداخلة:

• في لغة C++ ، تسمح الفئات بإخفاء البيانات وتغليفها بشكل مماثل؛ كما أن تعريف فئة داخل فئة أخرى يوفر بنية مماثلة (انظر كائن الدالة في C++ ).

• C++11 والإصدارات الأحدث – عبر تعبيرات لامدا (انظر مثال الفرز السريع أعلاه) ^{[ 11 ]}

• لغة إيفل – تمنع صراحةً تداخل الإجراءات للحفاظ على بساطة اللغة؛ لكنها تسمح باستخدام متغير خاص، Result ، للدلالة على نتيجة دالة (تُرجع قيمة).

• لغة C# ولغة Visual Basic – عبر تعابير لامدا

• جافا – منذ جافا 8، عبر تعابير لامدا ^{[ 12 ]} ، وفي الإصدارات الأقدم، عبر فئة مجهولة تحتوي على طريقة واحدة

توجد عدة طرق لتنفيذ الإجراءات المتداخلة في لغة ذات نطاق معجمي، ولكن الطريقة الكلاسيكية هي كما يلي:

يُمكن الوصول إلى أي كائن غير محلي ، X، عبر روابط الوصول في إطارات التنشيط على مكدس الجهاز. يُساعد المُستدعي، C، الإجراء المُستدعى، P، عن طريق إنشاء رابط مباشر إلى أحدث تنشيط للتغليف المعجمي المباشر لـ P، (P)، قبل الاستدعاء نفسه. وبذلك، يُمكن لـ P العثور بسرعة على التنشيط الصحيح لكائن X مُعين من خلال تتبع عدد ثابت (عمق P - عمق X) من الروابط (عادةً ما يكون عددًا صغيرًا).

يقوم المتصل بإنشاء هذا الرابط المباشر عن طريق (نفسه) اتباع C.depth – P.depth + 1 روابط أقدم، وصولاً إلى أحدث تفعيل لـ (P)، ثم الربط مؤقتًا عبر هذه الروابط برابط مباشر إلى هذا التفعيل؛ يختفي الرابط لاحقًا مع P، حيث يمكن استخدام الروابط الأقدم الموجودة أسفله مرة أخرى.

لاحظ أن P مرئية لـ C، وبالتالي يمكن استدعاؤها بواسطة C إذا كان (P) = C / (C) / ((C)) / إلخ.

هذه الطريقة الأصلية أسرع مما قد يبدو، ولكنها مع ذلك غالباً ما يتم تحسينها في المترجمات الحديثة العملية (باستخدام شاشات العرض أو تقنيات مماثلة).

هناك طريقة أخرى لتنفيذ الدوال المتداخلة تستخدمها بعض المترجمات وهي تحويل الدوال المتداخلة ("رفع") إلى دوال غير متداخلة (حيث تحل المعلمات الإضافية المخفية محل روابط الوصول) باستخدام عملية تُعرف باسم رفع لامدا خلال مرحلة وسيطة في عملية الترجمة.

لكي تُمرَّر الدوال المحلية ذات المتغيرات غير المحلية ذات النطاق المعجمي كنتائج، يجب على كود وقت تشغيل اللغة أن يمرر ضمنيًا بيئة (بيانات) الدالة التي تراها داخل دالتها المُغلِّفة، بحيث يمكن الوصول إليها حتى بعد انتهاء التنشيط الحالي للدالة المُغلِّفة. ^{[ 14 ]} هذا يعني أنه يجب تخزين البيئة في منطقة ذاكرة منفصلة عن (الأجزاء المُستعادة لاحقًا من) مكدس التنفيذ المُرتَّب زمنيًا، مما يستلزم بدوره نوعًا من تخصيص الذاكرة الديناميكي الحر . لذلك، لا تسمح العديد من لغات Algol القديمة (أو لهجاتها) بتمرير الدوال المحلية التي تصل إلى المتغيرات غير المحلية كقيم مُعادة، أو أنها لا تسمح بتمرير الدوال كقيم مُعادة على الإطلاق، على الرغم من أن تمرير هذه الدوال كوسائط قد يظل ممكنًا.

يؤدي تطبيق GCC للدوال المتداخلة في لغة C إلى فقدان مكدسات عدم التنفيذ (مكدسات NX). لذلك، غالبًا ما لا تسمح البرامج المصممة باستخدام دورة حياة التطوير الآمنة ( SEP ) باستخدام دوال GCC المتداخلة. ^{[ 15 ]} افتراضيًا، يُصدر GCC إشعارًا موجزًا ​​عندما يتطلب ملف كائن مُنشأ مكدسًا تنفيذيًا. للحصول على تحذير واضح عند تجميع كود C، استخدم الخيار المناسب.‑Wtrampolines

تكمن المشكلة في أن GCC يستخدم "الترامبولين" (كود قابل للتنفيذ على المكدس) للانتقال إلى الدوال المتداخلة. ^{[ 16 ]} يمتلك مشروع GCC طريقة بديلة يمكنها توفير الدوال المتداخلة عبر واصفات غير قابلة للتنفيذ، إلا أنها تُستخدم حاليًا فقط في مُصرّف لغة Ada الخاص بـ GCC .