الدرس الثالث : المتغيرات والعوامل والأخطاء البرمجية في لغة جافا

كلمات مفتاحية

يشرح هذا المقال طريقة كتابة تعليمات تحوي متغيرات تخزن فيها قيمًا مختلفة، كالأرقام والكلمات، وتحوي أيضًا عوامل حسابية (operators)، وهي رموز تمثل عمليات حسابية. 
ثم يُعرّج على فكرة التركيب (أي استخدام مزايا اللغة التي تعرفنا عليها سابقاً مع بعضها)، كما يتحدث عن ثلاثة أنواع من الأخطاء البرمجية ونذكر فيه المزيد من النصائح عن تنقيح البرامج من الأخطاء.



التصريح عن المتغيرات
أحد أقوى المزايا لأي لغة برمجة هي القدرة على تعريف ومعالجة المتغيرات (variables). المتغير هو منطقة ذات اسم تخزّن قيمة (value). قد تكون القيم أرقامًا، أو نصوصًا، أو صورًا، أو مقاطع صوتية، وغيرها من أنواع البيانات. عليك أولًا التصريح عن متغير ثم تخزين القيم فيه.
String message;
هذا النوع من التعليمات يدعى تصريح (declaration)، لأنها تصرح أن نوع المتغير المدعو message هو String. لكل متغير نوع (type) يحدد نوع القيم التي يمكنه تخزينها. مثلًا، النوع int يخزن الأعداد الصحيحة، والنوع String يخزن السلاسل المحرفية.
بعض الأنواع تبدأ بحرف كبير وبعضها الآخر يبدأ بحرف صغير. سنعرف معنى هذا التمييز لاحقًا، لكن الآن عليك الانتباه لكتابتها بشكل صحيح. ليس هناك نوع Int ولا string.
لإنشاء متغير من النوع الصحيح، التعليمة هي:
int x;
حيث x هو اسم كيفي اخترناه للمتغير. بشكل عام، عليك اختيار أسماء المتغيرات بحيث تدل على دور المتغير في البرنامج. مثلًا، عندما ترى التصريحات التالية عن المتغيرات:
String firstName; 
String lastName; 
int hour, minute;

هذا المثال يصرح عن متغيرين من نوع String ومتغيرين من نوع int. عندما يتكون اسم المتغير من كلمتين أو أكثر، مثل المتغير firstName، جرت العادة على جعل الحرف الأول من كل كلمة حرفًا كبيرًا عدا الكلمة الأولى. أسماء المتغيرات حساسة لحالة الأحرف، ولذلك فالمتغير firstName مختلف عن المتغير firstName أو FirstName.
يوضح هذا المثال أيضًا صيغة التصريح عن عدة متغيرات من نفس النوع في سطر واحد: كلًا من hour و minute هو عدد صحيح (متغير من النوع int). لاحظ أن كل تعليمة تصريح تنتهي بفاصلة منقوطة.
يمكنك تسمية متغيراتك كما تشاء. لكن هناك حوالي 50 كلمة محجوزة، تدعى الكلمات المفتاحية (keywords)، ولا يسمح لك باستخدامها كأسماء لمتغيراتك. هذه الكلمات تشمل public، وclass، وstatic، وvoid، وint، التي يستخدمها المترجم لتحليل بنية البرنامج.



هناك قائمة كاملة بالكلمات المفتاحية موجودة، لكن لا حاجة لحفظها. معظم المحررات المستخدمة في البرمجة توفر ميزة "تلوين الشفرة" (syntax highlighting)، التي تجعل الأجزاء المختلفة من البرنامج تظهر بألوان مختلفة.
الإسناد
بعد أن صرحنا عن بعض المتغيرات، سنستخدمها لتخزين بعض القيم فيها. يمكننا عمل ذلك باستخدام تعليمة الإسناد (assignment).
message = "Hello!"; // give message the value "Hello!" 

hour = 11; // assign the value 11 to hour 

minute = 59; // set minute to 59
يبين هذا المثال ثلاث تعليمات إسناد، والتعليقات تظهر ثلاثة أساليب يستخدمها الناس أحيانًا عندما يقرؤون تعليمات الإسناد. قد تكون المفردات مربكة هنا، لكن الفكرة واضحة :

  • عندما تصرح عن متغير، أنت تنشئ منطقة تخزينية لها اسم.
  • عندما تطبق تعليمة الإسناد على متغير، فأنت تغير القيمة التي يحويها.
كقاعدة عامة، يجب أن يكون نوع المتغير من نفس نوع القيمة التي تسندها إليه. مثلًا، لا يمكنك تخزين سلسلة محرفية في المتغير minute أو عددًا صحيحًا في message.
من ناحية أخرى، هذه القاعدة قد تكون مصدرًا للإرباك أحيانًا، بسبب وجود العديد من الطرق التي تسمح لك بتحويل القيم من نوع لآخر، وأحيانًا تحول Java الأشياء تلقائيًا. لكن الآن عليك فقط أن تتذكر القاعدة العامة بأن المتغيرات والقيم يجب أن تكون من نفس النوع، وسنتحدث عن الحالات الخاصة لاحقًا.
أحد مصادر الإرباك هو أن بعض السلاسل المحرفية تبدو مثل الأرقام، لكنها ليست كذلك. مثلًا، يمكن أن يخزن المتغير message السلسلة المحرفية "123"، المكونة من المحارف '1' و '2' و '3'، لكنها ليست مثل العدد الصحيح 123.
message = "123"; // legal 

message = 123; // not legal
يجب تهيئة المتغيرات (initialize)، أي إسناد قيمة لها أول مرة، قبل أن تستخدمها. يمكنك التصريح عن متغير ثم إسناد قيمة له لاحقًا، كما في المثال السابق. كما يمكنك أيضًا التصريح عن المتغير وتهيئته بسطر واحد:
String message = "Hello!"; 
int hour = 11; 
int minute = 59;
مخططات الحالة
قد تظن أن تعليمة a = b هي تعليمة مساواة لأن Java تستخدم الرمز = لعملية الإسناد. لكنها ليست مساواة!
المساواة عملية تبديلية، أما الإسناد فلا. على سبيل المثال، في الرياضيات إذا كان a = 7 إذًا 7 = a. لكن في Java ‏a = 7;‎ تعليمة إسناد مشروعة، لكن 7 = a‎ غير مشروعة. يجب أن يكون الطرف الأيسر من تعليمة الإسناد متغيرًا (اسمًا لموقع تخزيني).
في الرياضيات أيضًا، جملة المساواة صحيحة دائمًا. إذا كان a = b الآن، فإن a سيبقى مساويًا لـ b دائمًا. أما في Java، فتعليمة الإسناد قد تجعل قيمتي متغيرين متساويتان، لكن قد لا يستمران على هذه الحال.
int a = 5; 
int b = a; // a and b are now equal 

a = 3; // a and b are no longer equal
في السطر الثالث تغيرت قيمة a، لكن قيمة b لم تتغير، وبالتالي لم يبق المتغيران متساويان.
المتغيرات في البرنامج مع قيمها الحالية تشكل حالة البرنامج (state). يُظهِر الشكل 2.1 حالة البرنامج بعد تنفيذ هذه التعليمات.
تدعى هذه المخططات التي تظهر حالة البرنامج بمخططات الحالة (state diagrams). يُمثَّل كل متغير بصندوق يظهر اسم المتغير خارجه وقيمة المتغير داخله. أثناء تنفيذ البرنامج تتغير الحالة، لذلك عليك اعتبار مخططات الحالة كتمثيل لحظي لنقطة محددة في مسار التنفيذ.
طباعة المتغيرات
يمكنك عرض قيمة متغير باستخدام println أو print. في التعليمات التالية صرحنا عن متغير اسمه firstLine، وأسندنا له القيمة "!Hello, again"، وعرضنا تلك القيمة.
String firstLine = "Hello, again!"; 
System.out.println(firstLine);
عندما نتحدث عن عرض متغير فنحن نقصد قيمة المتغير عمومًا. أما لعرض اسمالمتغير، فعليك أن تضعه بين علامتي اقتباس. مثلًا:
System.out.print("The value of firstLine is "); 
System.out.println(firstLine);
خرج هذا البرنامج هو:
The value of firstLine is Hello, again!
بنية تعليمة عرض المتغير هي نفسها بغض النظر عن نوع المتغير. مثلًا:

int hour = 11; 
int minute = 59; 
System.out.print("The current time is "); 
System.out.print(hour); 
System.out.print(":"); 
System.out.print(minute); 
System.out.println(".");
خرج هذا البرنامج هو:

لوضع عدة قيم على نفس السطر، من الشائع استخدام عدة تعليمات print ثم تتبعها تعليمة println في النهاية. لكن لا تنسَ تعليمة println على العديد من الحواسيب، يتم تخزين خرج تعليمات print دون عرضه على الشاشة حتى استدعاء println؛ وعندها يظهر السطر كله دفعة واحدة. إذا أغفلت تعليمة println، فقد يعرض البرنامج الخرج المخزن في أوقات غير متوقعة أو ربما انتهى البرنامج دون طباعة أي شيء.



العوامل الحسابية
العوامل (operators) هي رموز تمثل حسابات بسيطة. مثلًا، عامل الجمع هو +، وعامل لطرح -، والضرب *، والقسمة /.
يحول البرنامج التالي الوقت إلى دقائق:
int hour = 11; 
int minute = 59; 
System.out.print("Number of minutes since midnight: "); 
System.out.println(hour * 60 + minute);
في هذا المثال، لدينا التعبير (expression) التالي: hour * 60 + minute، الذي يمثل قيمة وحيدة بعد الحساب. عند تنفيذ البرنامج، يستبدل كل متغير بقيمته الحالية، ثم تطبق العوامل عليها. تدعى القيم التي تعمل العوامل عليها بالمعاملات (operands).
نتيجة المثال السابق هي:
Number of minutes since midnight: 719

التعابير هي تراكيب تتألف بشكل عام من أرقام، ومتغيرات، وعوامل. عند ترجمة وتنفيذ التعابير ستنتج لدينا قيمة وحيدة.
مثلًا، التعبير 1 + 1 قيمته 2. وفي التعبير hour - 1 تستبدل Java المتغير بقيمته، وبذلك ينتج ‎11 - 1، الذي قيمته 1. أما في التعبير hour * 60 + minute فيستبدل المتغيران بقيمتيهما، وهذا يعطي ‎11 * 60 + 59. تنفذ عملية الضرب أولًا، معطية التعبير ‎660 + 59. بعد ذلك تجرى عملية الجمع التي تنتج 719.
عمليات الجمع والطرح والضرب كلها تعمل كما تتوقع منها تمامًا، لكن عملية القسمة قد تفاجئك. مثلًا، نحاول في التعليمتين التاليتين حساب الجزء الذي مضى من الساعة:
System.out.print("Fraction of the hour that has passed: "); 
System.out.println(minute / 60);
الخرج هو:
Fraction of the hour that has passed: 0
هذه النتيجة تحير الناس عادة. قيمة minute هي 59، وناتج قسمة 59 على 60 هو 0.98333، وليس 0. المشكلة هي أن Java تنفذ عملية "القسمة الصحيحة" عندما يكون المعاملين عددين صحيحين. عملية القسمة الصحيحة تقرب الناتج دومًا إلى العدد الصحيح السابق، حتى في الحالات التي يكون العدد الصحيح التالي أقرب مثل حالتنا هذه. يمكننا كحل بديل حساب النسبة المئوية بدلًا من العدد العشري:

System.out.print("Percent of the hour that has passed: "); 
System.out.println(minute * 100 / 60);
الخرج الجديد هو:

Percent of the hour that has passed: 98

لقد قربت النتيجة للأسفل هنا أيضًا، لكن النتيجة الآن صحيحة تقريبًا على الأقل.
النقطة العائمة
هناك حل مناسب أكثر وهو استخدام أعداد النقطة العائمة (floating-point)، التي تمثل الأعداد العشرية كما تمثل الأعداد الصحيحة أيضًا. في Java، يستخدم النوع double (اختصارًا لعبارة double-precision) افتراضيًا لأعداد النقطة العائمة. يمكنك إنشاء المتغيرات من نوع double وإسناد القيم لها باستخدام نفس الصيغ التي استخدمناها للأنواع الأخرى:
double pi; 
pi = 3.14159;

تنفذ Java عملية "قسمة النقطة العائمة" (floating-point division) إذا كان أحد المعاملات أو كلاهما من النوع double. وهكذا يمكننا حل المشكلة التي واجهتنا في القسم السابق:
double minute = 59.0; 
System.out.print("Fraction of the hour that has passed: "); 
System.out.println(minute / 60.0);
الخرج هو:

Fraction of the hour that has passed: 0.9833333333333333
ورغم فائدة أعداد النقطة العائمة، إلا أنها قد تسبب الإرباك. مثلًا، Java تفرّق بين القيمة الصحيحة 1 وبين القيمة العشرية 1.0، حتى لو بدا أنهما نفس العدد، فهما يختلفان بالنوع، وعلى وجه الدقة، لا يسمح لك بتنفيذ عمليات إسناد بين النوعين. مثلًا، ما يلي ليس مسموحًا لأن المتغير على الطرف الأيسر من النوع int أما القيمة المسندة له على الطرف الأيمن هي double:
int x = 1.1; // compiler error
من السهل نسيان هذه القاعدة لأن هناك حالات عديدة تحول فيها Java أحد الأنواع إلى النوع الآخر تلقائيًا. مثلًا:
double y = 1; // legal, but bad style
من المفترض ألا تكون التعليمة السابقة مشروعة، لكن Java تسمح بها عن طريق التحويل القيمة الصحيحة 1 إلى القيمة العشرية 1.0 تلقائيًا. هذا التساهل مريح، لكنه يسبب المشاكل للمبتدئين غالبًا. مثلًا:
double y = 1 / 3; // common mistake
قد تتوقع أن يعطى المتغير y القيمة 0.333333، وهي قيمة عشرية مشروعة، لكنه في الواقع سيعطى القيمة 0.0. السبب هو أن العبارة على اليمين هي نسبة بين عددين صحيحين، لذلك تجري Java عملية قسمة صحيحة، والتي تنتج القيمة الصحيحة 0. ثم يتم تحويلها إلى قيمة عشرية، الناتج هو 0.0. إحدى الطرق لحل هذه المشكلة (بعد أن تكتشف أن هذه هي المشكلة) هو جعل الطرف الأيمن عبارة عشرية. التعليمة التالية ستعطي y القيمة 0.333333، كما هو متوقع.
double y = 1.0 / 3.0;
عليك دائمًا إسناد قيم عشرية لمتغيرات النقطة العائمة في كتابتك. لن يجبرك المترجم على ذلك، لكنك لا تعرف أبدًا متى تظهر لك غلطة بسيطة وتعود عليك وبالًا.
أخطاء التقريب
معظم أرقام النقطة العائمة صحيحة تقريبيًا. يمكن تمثيل بعض الأرقام بدقة، مثل القيم الصحيحة ذات الأحجام المعقولة. أما الكسور الدورية، مثل 1/3، أو الأرقام غير النسبية، مثل π، فلا يمكن تمثيلها بدقة. الفرق بين العدد الذي نريد والعدد الذي نحصل عليه يدعى خطأ التقريب (rounding error). مثلًا، يجب أن تكون التعليمتان التاليتان متكافئتين:
System.out.println(0.1 * 10); 
System.out.println(0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1);
لكن الخرج سيكون كما يلي على معظم الحواسيب:
1.0 
0.9999999999999999
المشكلة هي أن 0.1، وهو عدد عشري منته في الأساس 10، هو كسر دوري في الأساس 2، ولذلك يكون تمثيله في النقطة العائمة تقريبي حتمًا. وعندما نجمع الأعداد التقريبية معًا تتراكم أخطاء التقريب. الحساب بالنقطة العائمة له مزايا تفوق عيوبه في العديد من التطبيقات، كالرسوميات الحاسوبية، والتشفير، والتحليل الإحصائي، وإظهار (rendering) الوسائط المتعددة. لكن إذا أردت دقة مطلقة، عليك استخدام الأعداد الصحيحة بدلًا منها. خذ على سبيل المثال حساب بنك فيه رصيد قيمته 123.45$:

double balance = 123.45; // potential rounding error
في هذا المثال، ستصبح الأرصدة غير دقيقة مع الوقت واستخدام المتغير في العمليات الحسابية كالسحب والإيداع. ستكون النتيجة سخط العملاء أو دعاوى قضائية. يمكنك تفادي المشكلة بتمثيل الرصيد كعدد صحيح:
int balance = 12345; // total number of cents
هذا الحل صحيح طالما أن عدد السنتات لا يتجاوز أكبر قيمة صحيحة يمكن تخزينها، وهي حوالي 2 مليار.
العمليات على السلاسل المحرفية
بشكل عام، لا يمكنك تطبيق العمليات الرياضية على السلاسل المحرفية، حتى لو كانت السلاسل المحرفية تبدو وكأنها أرقام. التعابير التالية غير مشروعة:

"Hello" - 1 
"World" / 123 
"Hello" * "World"
العامل + يعمل مع السلاسل المحرفية، لكنه قد لا ينتج ما تتوقعه. يجري عامل + عملية ربط السلاسل (concatenation) أي دمج المعاملين بوصلهما معًا.
وهكذا فإن "Hello" + "World" ستعطي السلسلة  "Hello World". أو إذا كان لديك متغير اسمه name من النوع String، فسوف يدمج التعبير "Hello" + "Name" قيمة name مع كلمة الترحيب. بما أن عملية الجمع معرفة للأرقام والسلاسل المحرفية أيضًا، فإن Java تجري عمليات تحويل تلقائية قد لا تتوقعها:
System.out.println(1 + 2 + "Hello"); 
// the output is 3Hello

System.out.println("Hello" + 1 + 2); 
// the output is Hello12
تنفذ Java هذه العمليات من اليسار إلى اليمين. في السطر الأول، 1 + 2 يساوي 3، و 3 + "Hello" يساوي "3Hello".
أما في السطر الثاني، Hello" + 1" يساوي "Hello1"، و Hello1" + 2" يعطي "Hello12".
ترتيب الحساب
عندما يظهر أكثر من عامل في تعبير حسابي فسوف تنفذ حسب ترتيب العمليات (order of operation). بشكل عام، تنفذ Java العمليات حسب ترتيب ورودها من اليسار إلى اليمين (كما رأينا في القسم السابق). لكن Java تتبع قواعد الرياضيات في العمليات الحسابية:

  • عمليتي الضرب والقسمة لهما ”أولوية“ (precedence) على الجمع والطرح. لذا فإن 3 * 2 + 1 سيعطي 7، وليس 9، كما أن 2 / 4 + 2 تعطي 4، وليس 3.
  • إذا كان للعوامل نفس الأولوية فسوف تنفذ بالترتيب من اليسار إلى اليمين. ففي التعبير الحسابي minute * 100 / 60، يتم تنفيذ عملية الضرب أولًا، وإذا كانت قيمة minute هي 59 فسوف ينتج لدينا 60 / 5900، والذي بدوره يعطي 98. لو أن تنفيذ العملية الحسابية جرى من اليمين لليسار، ستكون النتيجة 1 * 59 والذي هو 59، وهو جواب خاطئ.
  • في أي وقت ترغب فيه بتجاوز قواعد الأولوية (أو أنك لم تكن واثقًا من تلك القواعد) يمكنك استعمال الأقواس. يتم تنفيذ العمليات ضمن الأقواس أولًا، لهذا فإن 3 * (2 + 1) يعطي 9. يمكنك استعمال الأقواس أيضًا لجعل العبارات الحسابية أسهل للقراءة، كما في 60 / (minute * 100)، مع أنها لا تغير النتيجة. لا تجهد نفسك في حفظ ترتيب تنفيذ العمليات، خصوصًا مع العوامل الأخرى. إذا لم يكن ترتيب التنفيذ واضحًا عند النظر إلى التعبير، فاستخدم الأقواس لجعله واضحًا.

التركيب

في الأجزاء السابقة كنا نتعرف على مكونات لغة البرمجة: المتغيرات، والتعابير، والتعليمات بشكل مستقل، دون أن نناقش طريقة استخدامها معاً. أحد أهم ميزات لغات البرمجة هي قدرتها على تركيب (compose) الأجزاء الصغيرة مع بعضها. مثلاً، نحن نعرف كيف نضرب الأرقام ونعرف كيف نعرض القيم. يمكننا دمج هاتين العمليتين في تعليمة واحدة:

System.out.println(17 * 3);
يمكن استخدام أي تعبير حسابي داخل تعليمات الطباعة. لقد شاهدنا مثالاً على هذا من قبل:

System.out.println(hour * 60 + minute);
يمكنك أيضاً وضع تعابير حسابية متنوعة على الطرف الأيمن لعملية الإسناد:
int percentage; 
percentage = (minute * 100) / 60;
لكن الطرف الأيسر لا بد أن يكون اسم متغير، وليس تعبيراً. ذلك لأن الطرف الأيسر يدل على موقع تخزين النتيجة، والتعابير لا تمثل مواقع تخزينية.

hour = minute + 1; // correct 
minute + 1 = hour; // compiler error
قد لا تبهرك القدرة على تركيب العمليات الآن، لكننا سنرى لاحقاً أمثلة تسمح لنا بكتابة حسابات معقدة بشكل مرتب وأنيق. 
لكن لا تبالغ كثيراً، فالتعابير الكبيرة المعقدة قد تصعب قراءتها وتنقيحها من الأخطاء.



تعبيراتتعبيرات