نموذج البرمجة

يُعدّ نموذج البرمجة طريقةً عالية المستوى نسبيًا لتصور وهيكلة تنفيذ برنامج حاسوبي . ويمكن تصنيف لغة البرمجة على أنها تدعم نموذجًا واحدًا أو عدة نماذج. ^{[ 1 ]}

تُصنّف النماذج البرمجية وتُوصَف وفقًا لأبعاد برمجية مختلفة. تتناول بعض النماذج آثار نموذج التنفيذ ، مثل السماح بالآثار الجانبية ، أو ما إذا كان تسلسل العمليات مُحدَّدًا بواسطة نموذج التنفيذ. بينما تتناول نماذج أخرى طريقة تنظيم الشيفرة، مثل تجميعها في وحدات تشمل الحالة والسلوك. أما نماذج أخرى فتتناول بناء الجملة والقواعد .

تتضمن بعض نماذج البرمجة الشائعة (الموضحة في علاقة هرمية ): ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

• الأمرية – يتحكم الكود بشكل مباشر في تدفق التنفيذ وتغيير الحالة، وهي عبارات صريحة تُغير حالة البرنامج.
  • إجرائي - منظم كإجراءات تستدعي بعضها البعض
  • البرمجة كائنية التوجه – منظمة على شكل كائنات تحتوي على بنية بيانات وسلوك مرتبط بها، وتستخدم هياكل بيانات تتكون من حقول بيانات وأساليب بالإضافة إلى تفاعلاتها (كائنات) لتصميم البرامج
    • البرمجة القائمة على الأصناف - البرمجة الكائنية التوجه التي يتم فيها تحقيق أنواع البيانات المجردة والوراثة من خلال تعريف أصناف الكائنات، بدلاً من الكائنات نفسها
    • النموذج القائم على الكائنات - نموذج يكون فيه للكائن بنية لتغليف الحالة والسلوك، ولكن بدون وراثة أو أنواع فرعية
    • البرمجة القائمة على النماذج الأولية – البرمجة الكائنية التوجه التي تتجنب استخدام الفئات وتنفذ الوراثة من خلال استنساخ النسخ.
    • البيانات والسياق والتفاعل - نموذج يركز على النماذج الذهنية وسلوك وقت التشغيل لشبكات الكائنات، التي تُمنح مسؤولياتها ديناميكيًا بناءً على الأدوار التي تؤديها في التفاعلات مع الكائنات الأخرى
• الكود التصريحي – يُعلن عن خصائص النتيجة المرجوة، لكنه لا يُحدد كيفية حسابها، ويصف ما يجب أن تُجريه العملية الحسابية، دون تحديد تغييرات الحالة التفصيلية.
  • الدالة – ​​يتم تحديد النتيجة المرجوة كقيمة لسلسلة من تقييمات الدالة، وتستخدم تقييم الدوال الرياضية وتتجنب الحالة والبيانات القابلة للتغيير
  • المنطق – يتم الإعلان عن النتيجة المرجوة كإجابة على سؤال حول نظام من الحقائق والقواعد، ويستخدم المنطق الرياضي الصريح للبرمجة
  • التفاعلي – يتم الإعلان عن النتيجة المرجوة باستخدام تدفقات البيانات وانتشار التغيير
• البرمجة المتزامنة – تحتوي على بنيات لغوية للتزامن، وقد تشمل هذه البنيات تعدد الخيوط، ودعم الحوسبة الموزعة، وتمرير الرسائل، والموارد المشتركة (بما في ذلك الذاكرة المشتركة)، أو المستقبلات.
  • برمجة الممثلين – الحوسبة المتزامنة مع ممثلين يتخذون قرارات محلية استجابةً للبيئة (قادرين على السلوك الأناني أو التنافسي)
• البرمجة المقيدة – يتم التعبير عن العلاقات بين المتغيرات كقيود (أو شبكات قيود)، مما يوجه الحلول المسموح بها (يستخدم إرضاء القيود أو خوارزمية سيمبلكس ).
• برمجة تدفق البيانات – إعادة حساب الصيغ إجبارياً عند تغيير قيم البيانات (مثل جداول البيانات )
• البرمجة الموزعة – تدعم أجهزة كمبيوتر متعددة مستقلة تتواصل عبر شبكات الكمبيوتر
• البرمجة العامة – تستخدم خوارزميات مكتوبة بأنواع يتم تحديدها لاحقًا، ثم يتم إنشاء مثيلات لها حسب الحاجة لأنواع محددة يتم توفيرها كمعاملات.
• البرمجة الوصفية – كتابة برامج تكتب أو تعالج برامج أخرى (أو نفسها) كبيانات لها، أو تقوم بجزء من العمل في وقت الترجمة الذي كان سيتم تنفيذه في وقت التشغيل
  • البرمجة الوصفية باستخدام القوالب – أساليب البرمجة الوصفية التي يستخدم فيها المترجم قوالب لإنشاء شفرة مصدرية مؤقتة، والتي يقوم المترجم بدمجها مع بقية الشفرة المصدرية ثم يقوم بتجميعها.
  • البرمجة الانعكاسية – أساليب البرمجة الفوقية التي يقوم فيها البرنامج بتعديل نفسه أو توسيعه
• برمجة خطوط الأنابيب – تغيير بسيط في بناء الجملة لإضافة بناء جملة إلى استدعاءات الدوال المتداخلة في لغة مصممة أصلاً بدون أي بناء جملة
• البرمجة القائمة على القواعد - شبكة من القواعد العامة التي تشكل قاعدة معرفية ويمكن استخدامها لأنظمة الخبراء واستنتاج المشكلات وحلها
• البرمجة المرئية – معالجة عناصر البرنامج بشكل رسومي بدلاً من تحديدها نصياً (مثل Simulink )؛ وتسمى أيضاً البرمجة التخطيطية

تنبثق نماذج البرمجة من أبحاث علوم الحاسوب التي تتناول الممارسات الحالية لتطوير البرمجيات . وتتيح هذه النتائج وصف ومقارنة ممارسات البرمجة واللغات المستخدمة في كتابة البرامج. وللمقارنة، تتناول مجالات بحثية أخرى عمليات هندسة البرمجيات وتصف منهجيات متنوعة لوصفها ومقارنتها.

يمكن وصف لغة البرمجة من حيث نماذجها. تدعم بعض اللغات نموذجًا واحدًا فقط، مثل Smalltalk التي تدعم البرمجة الكائنية، و Haskell التي تدعم البرمجة الوظيفية. بينما تدعم معظم اللغات نماذج متعددة. فعلى سبيل المثال، يمكن لبرنامج مكتوب بلغة C++ أو Object Pascal أو PHP أن يكون إجرائيًا بحتًا ، أو كائني التوجه بحتًا ، أو قد يجمع بين خصائص كلا النموذجين، أو غير ذلك.

عند استخدام لغة تدعم نماذج برمجية متعددة، يختار المطور عناصر النموذج التي سيستخدمها. لكن هذا الاختيار قد لا يتضمن النظر في النماذج بحد ذاتها. غالبًا ما يستخدم المطور خصائص اللغة كما هي متاحة، وبقدر معرفته بها. أما تصنيف الكود الناتج حسب النموذج، فهو في الغالب نشاط أكاديمي يُجرى بعد الانتهاء من كتابة الكود.

تتميز اللغات المصنفة ضمن نموذج البرمجة الإجرائية بسمتين رئيسيتين: فهي تحدد ترتيب تنفيذ العمليات، باستخدام بنيات تتحكم صراحةً في هذا الترتيب، كما أنها تسمح بالتأثيرات الجانبية، حيث يمكن تعديل الحالة في لحظة معينة، ضمن وحدة برمجية واحدة، ثم قراءتها لاحقًا في لحظة أخرى ضمن وحدة برمجية مختلفة. ولا يكون التواصل بين وحدات البرمجة صريحًا.

على النقيض من ذلك، لا تُحدد اللغات في النموذج التصريحي ترتيب تنفيذ العمليات. بل تُوفر عددًا من العمليات المتاحة في النظام، بالإضافة إلى الشروط التي تسمح بتنفيذ كل منها. ^{[ 7 ]} يتتبع تطبيق نموذج تنفيذ اللغة العمليات المتاحة للتنفيذ ويختار ترتيبها بشكل مستقل. للمزيد، انظر مقارنة لغات البرمجة متعددة النماذج .

في البرمجة كائنية التوجه ، يُنظَّم الكود في كائنات تحتوي على حالة يملكها الكود الخاص بالكائن ويتحكم بها (عادةً). ومعظم لغات البرمجة كائنية التوجه هي أيضاً لغات إجرائية.

في البرمجة كائنية التوجه، تُعامل البرامج كمجموعة من الكائنات المتفاعلة. أما في البرمجة الوظيفية ، فتُعامل البرامج كسلسلة من عمليات تقييم الدوال عديمة الحالة. وعند برمجة الحواسيب أو الأنظمة ذات المعالجات المتعددة، في البرمجة الموجهة نحو العمليات ، تُعامل البرامج كمجموعات من العمليات المتزامنة التي تعمل على هياكل بيانات مشتركة منطقية .

تُعرف العديد من نماذج البرمجة بالتقنيات التي تحظرها بقدر ما تُعرف بالتقنيات التي تدعمها . على سبيل المثال، تمنع البرمجة الوظيفية البحتة التأثيرات الجانبية ، بينما تمنع البرمجة الهيكلية استخدام عبارة goto . لهذا السبب جزئيًا، غالبًا ما يُنظر إلى النماذج الجديدة على أنها عقائدية أو جامدة للغاية من قِبل أولئك الذين اعتادوا على النماذج القديمة. ^{[ 8 ]} ومع ذلك، فإن تجنب بعض التقنيات قد يُسهّل فهم سلوك البرنامج، وإثبات النظريات المتعلقة بصحته.

يمكن أيضًا مقارنة نماذج البرمجة بنماذج التنفيذ ، مما يسمح باستدعاء نموذج التنفيذ باستخدام واجهة برمجة التطبيقات فقط. كما يمكن تصنيف نماذج البرمجة إلى نماذج بناءً على خصائص نموذج التنفيذ.

في الحوسبة المتوازية ، يشيع استخدام نموذج برمجي بدلاً من لغة برمجة. والسبب هو تسرب تفاصيل الأجهزة المتوازية إلى التجريدات المستخدمة في برمجة هذه الأجهزة. هذا يُجبر المبرمج على ربط أنماط الخوارزمية بأنماط نموذج التنفيذ (التي أُضيفت نتيجة لتسرب تفاصيل الأجهزة إلى التجريد). ونتيجةً لذلك، لا توجد لغة برمجة متوازية واحدة تُناسب جميع مسائل الحوسبة. لذا، يُعد استخدام لغة تسلسلية أساسية وإضافة استدعاءات واجهة برمجة التطبيقات (API) إلى نماذج التنفيذ المتوازية عبر نموذج برمجي أكثر ملاءمة. يمكن تصنيف نماذج البرمجة المتوازية هذه وفقًا للتجريدات التي تعكس خصائص الأجهزة، مثل الذاكرة المشتركة ، والذاكرة الموزعة مع تمرير الرسائل ، ومفاهيم المكان المرئي في الكود، وما إلى ذلك. يمكن اعتبار هذه النماذج أنماطًا من نماذج البرمجة التي تنطبق فقط على اللغات ونماذج البرمجة المتوازية.

ينتقد بعض الباحثين في لغات البرمجة مفهوم النماذج البرمجية كتصنيف للغات البرمجة، مثل هاربر ^{[ 9 ]} وكريشنامورثي ^{[ 10 ]} . ويجادلون بأن العديد من لغات البرمجة لا يمكن تصنيفها بدقة ضمن نموذج برمجي واحد، بل تتضمن سمات من عدة نماذج. انظر: مقارنة لغات البرمجة متعددة النماذج .

تطورت مناهج برمجة مختلفة عبر الزمن. وقد وُصفت تصنيفات كل منهج إما عند تطويره لأول مرة، أو غالبًا بعد فترة من الزمن، بأثر رجعي. ومن أوائل المناهج التي تم تحديدها بوعي على هذا النحو البرمجة الهيكلية ، التي دُعي إليها منذ منتصف الستينيات. ويعود مفهوم نموذج البرمجة، على هذا النحو، إلى عام 1978 على الأقل، في محاضرة جائزة تورينج التي ألقاها روبرت دبليو فلويد بعنوان "نماذج البرمجة" ، والتي استشهدت بمفهوم النموذج كما استخدمه توماس كون في كتابه "بنية الثورات العلمية " (1962). ^{[ 11 ]} لم تكن لغات البرمجة المبكرة تحتوي على نماذج برمجة محددة بوضوح، وفي بعض الأحيان كانت البرامج تستخدم عبارات "goto" بكثرة، مما أدى إلى ظهور شيفرة معقدة يصعب فهمها وصيانتها. وقد أدى ذلك إلى تطوير نماذج البرمجة الهيكلية التي منعت استخدام عبارات "goto"، واقتصرت على استخدام بنيات البرمجة الهيكلية. ^{[ 12 ]}

• تصنيف نماذج البرمجة الرئيسية
• كيف تتطور نماذج البرمجة ويتم اعتمادها؟