کلاس در برنامه‌نویسی

کلاس‌ها و اشیا از مفاهیم بنیادی در ساختمان داده و الگوریتم‌ها هستند. یادگیری مفهوم کلاس در زبان‌های برنامه‌نویسی شی‌گرا مانند جاوا، پایتون، سی‌شارپ، روبی و دیگر زبان‌ها پایه و اساس آموزش شی‌گرایی است. این مقاله به بررسی مفهوم کلاس و مفاهیم مرتبط در شی‌گرایی، شامل شی، صفت، متد، سازنده و دیگر موارد می‌پردازد. برای درک بهتر، مثال‌هایی به زبان‌های مختلف مانند جاوا، پایتون، و سی‌شارپ ارائه شده است. هدف این است که بتوان از این آموزش در هر زبانی استفاده کرد.

در برنامه‌نویسی شی‌گرا، کلاس یکی از مفاهیم اصلی است که به ما کمک می‌کند ساختارهای پیچیده و منعطفی برای مدیریت داده‌ها و رفتارها ایجاد کنیم. کلاس‌ها نقش کلیدی در سازماندهی و مدل‌سازی داده‌ها دارند و به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهند کدهای خود را نگهداری‌پذیر و قابل استفاده مجدد کنند. در این مقاله به مفهوم کلاس و نقش آن در برنامه‌نویسی شی‌گرا پرداخته‌ایم.

برای آموزش و یادگیری برنامه نویسی شی گرا مقاله شی‌گرایی چیست؟ را مطالعه نمایید. 

برنامه‌نویسی شی‌گرا چیست؟

برنامه‌نویسی شی‌گرا (Object-Oriented Programming یا OOP) یکی از مهم‌ترین پارادایم‌های برنامه‌نویسی است که در آن برنامه‌ها به کمک اشیاء (objects) ساخته و سازمان‌دهی می‌شوند. در این مدل، برنامه‌ها به جای مجموعه‌ای از دستورات پیوسته، به عنوان مجموعه‌ای از اشیاء مستقل که با هم تعامل دارند، شناخته می‌شوند. این اشیاء می‌توانند خصوصیات (attributes) و رفتارهایی (methods) داشته باشند که مرتبط با یک موجودیت خاص هستند.

هدف اصلی از برنامه‌نویسی شی‌گرا این است که بتوانیم به شکلی طبیعی‌تر و نزدیک به دنیای واقعی، برنامه‌ها را طراحی کنیم. به کمک OOP، کدها خواناتر، قابل نگهداری‌تر و مقیاس‌پذیرتر می‌شوند. سه ویژگی اصلی که این نوع برنامه‌نویسی را متمایز می‌کند عبارتند از:

کپسوله‌سازی (Encapsulation): در کپسوله‌سازی، داده‌ها و متدهای مرتبط با هم در یک کلاس جمع‌آوری می‌شوند. این کار موجب کاهش پیچیدگی و بهبود امنیت کد می‌شود. داده‌ها تنها از طریق متدهای تعیین‌شده دسترسی‌پذیر هستند.

وراثت (Inheritance): وراثت به شما این امکان را می‌دهد که کلاس‌های جدید را براساس کلاس‌های موجود تعریف کنید. این کار موجب کاهش تکرار کدها و افزایش قابلیت استفاده مجدد می‌شود.

چندریختی (Polymorphism): چندریختی به معنای امکان تعریف رفتارهای متفاوت برای یک متد واحد است. این قابلیت به برنامه‌ها انعطاف بیشتری می‌دهد و امکان می‌دهد که یک رابط یکسان برای انواع مختلف اشیاء به کار برده شود.

شی چیست؟

در برنامه‌نویسی شی‌گرا، شی نمونه‌ای از کلاس است. به زبان ساده، اشیا موجودیت‌های واقعی یا انتزاعی هستند که از کلاس‌ها ساخته می‌شوند و ویژگی‌ها و رفتارهای مشخصی دارند. برای مثال، اگر یک کلاس به نام «خودرو» تعریف کنیم، هر خودرو در دنیای واقعی می‌تواند به عنوان یک شی از این کلاس در نظر گرفته شود که ویژگی‌هایی مثل رنگ، مدل، و سرعت دارد. هر شی از کلاس داده‌های خاص خود را دارد که از ویژگی‌های کلاس به ارث می‌برد و می‌تواند رفتارهای خاص خود را داشته باشد.

در برنامه‌نویسی شیءگرا، مفاهیم کلاس و شیء (Object) از مفاهیم اساسی هستند که باید به خوبی درک شوند.

کلاس (Class)

کلاس یک الگو یا قالب کلی برای ساخت اشیاء است. کلاس شبیه یک نقشه‌کشی یا طرح است که مشخص می‌کند یک شیء چگونه باید ساخته شود و چه ویژگی‌ها و رفتارهایی داشته باشد. به‌عبارت دیگر، کلاس تعریف می‌کند که اشیاء چه خصوصیات (ویژگی‌ها) و چه توابعی (رفتارها) دارند. برای مثال:

public class Car
{
    public string Color { get; set; }
    public string Model { get; set; }

    public void Drive()
    {
        Console.WriteLine("Car is driving");
    }
}

در اینجا کلاس Car تعریف شده که دارای دو ویژگی (رنگ و مدل) و یک رفتار (متد Drive) است.

Car myCar = new Car();
myCar.Color = "Red";
myCar.Model = "Toyota";
myCar.Drive();

در اینجا، myCar یک شیء از کلاس Car است. می‌توانیم ویژگی‌های آن مانند رنگ و مدل را تنظیم کنیم و متد Drive را اجرا کنیم.

تفاوت اصلی کلاس و شیء

• کلاس به‌عنوان یک طرح کلی یا الگو عمل می‌کند که تعریف می‌کند چگونه اشیاء باید ساخته شوند.
• شیء یک نمونه واقعی از کلاس است که می‌تواند در حافظه کامپیوتر وجود داشته باشد و خصوصیات و رفتارهای تعریف شده در کلاس را پیاده‌سازی کند.

به بیان دیگر، کلاس شبیه به یک نقشه ساختمان است و شیء شبیه به ساختمانی است که از روی آن نقشه ساخته شده است.

اجزای یک کلاس در برنامه‌نویسی شی‌گرا

1. ویژگی‌ها (Properties)

به ویژگی‌ها یا فیلدها (Fields) نیز گفته می‌شود که داده‌ها و اطلاعات مربوط به یک شی را در بر می‌گیرند. ویژگی‌ها حالت‌های مختلفی از شی را نمایش می‌دهند و معمولا به صورت متغیرهایی در کلاس تعریف می‌شوند.

مثال:

public class Car
{
    public string Color; // ویژگی رنگ
    public int Speed;    // ویژگی سرعت
}

2. سازنده‌ها (Constructors)

سازنده‌ها متدهای ویژه‌ای هستند که هنگام ایجاد یک شیء جدید از یک کلاس فراخوانی می‌شوند. وظیفه آن‌ها معمولاً مقداردهی اولیه به ویژگی‌های کلاس است.

مثال:

public class Car
{
    public string Color;
    public int Speed;

    // سازنده
    public Car(string color, int speed)
    {
        Color = color;
        Speed = speed;
    }
}

3. متدها (Methods)

متدها وظایف یا عملیات‌هایی را تعریف می‌کنند که یک شیء می‌تواند انجام دهد. این متدها رفتارهای کلاس را نمایش می‌دهند.

مثال:

public void Drive()
{
    Console.WriteLine("Car is driving");
}

4. خصیصه‌ها (Access Modifiers)

این‌ها تعیین می‌کنند که کدام قسمت‌ها از برنامه به اعضای کلاس دسترسی دارند. خصیصه‌هایی مانند public, private, protected, و internal برای مدیریت دسترسی به اجزای مختلف کلاس به کار می‌روند.

مثال:

private int _speed; // این ویژگی فقط از داخل کلاس قابل دسترسی است.

5. خواص (Properties)

خواص راهی برای دسترسی به ویژگی‌ها به صورت کنترل‌شده ارائه می‌دهند. به جای دسترسی مستقیم به فیلدها، خواص می‌توانند برای دریافت و تنظیم مقادیر استفاده شوند.

مثال:

private int _speed;

public int Speed
{
    get { return _speed; }
    set
    {
        if (value >= 0)
        {
            _speed = value;
        }
    }
}

6. رویدادها (Events)

رویدادها به شما اجازه می‌دهند که یک کلاس وقوع یک عمل خاص را به دیگر قسمت‌های برنامه اعلام کند. این قابلیت در طراحی‌های مبتنی بر معماری ناشر-مشترک (Publisher-Subscriber) بسیار کاربرد دارد.

مثال:

public event EventHandler CarStarted;

public void Start()
{
    CarStarted?.Invoke(this, EventArgs.Empty);
}

7. روش‌های ایستا (Static Methods)

متدهای ایستا بدون نیاز به نمونه‌ای از کلاس قابل فراخوانی هستند. این متدها معمولاً به عنوان توابع کمکی یا عملیاتی که به حالت (State) خاصی وابسته نیستند، استفاده می‌شوند.

مثال:

public static void ShowInfo()
{
    Console.WriteLine("This is a car class");
}

8. فیلدهای ایستا (Static Fields)

ویژگی‌های ایستا نیز می‌توانند تعریف شوند تا بین تمامی اشیای آن کلاس مشترک باشند.

مثال:

public static int NumberOfCars;

مثال ساده برای درک مفهوم کلاس در برنامه‌نویسی

فرض کنید می‌خواهیم یک کلاس به نام «خودرو» ایجاد کنیم. این کلاس ویژگی‌هایی مانند رنگ، مدل و سرعت دارد. همچنین متدی به نام «حرکت» تعریف می‌کنیم که نشان دهد خودرو در حال حرکت است. وقتی یک شی از این کلاس می‌سازیم، مثلاً یک خودروی قرمز با مدل خاص، آن شی مشخصات منحصربه‌فرد خود را دارد و می‌تواند از متدهای کلاس استفاده کند.

class Car
{
    public string Color;
    public string Model;
    public int Speed;

    public void Move()
    {
        Console.WriteLine("The car is moving");
    }
}

در این مثال، کلاس «Car» تعریف شده است که دارای ویژگی‌هایی مثل رنگ، مدل، و سرعت است و متدی برای حرکت خودرو دارد. این کلاس به عنوان یک الگو عمل می‌کند تا بتوانیم چندین خودرو با ویژگی‌های مختلف بسازیم.

مفهوم کلاس در جاوا

در جاوا، کلاس‌ها عناصر کلیدی برای ایجاد اشیا هستند. کلاس‌ها با کلمه کلیدی class تعریف می‌شوند و می‌توانند ویژگی‌ها و متدهای مختلفی داشته باشند.

public class Car {
    String color;
    String model;
    int speed;

    void move() {
        System.out.println("The car is moving");
    }
}

اشیا در جاوا توسط سازنده‌ها ساخته می‌شوند و می‌توانند از ویژگی‌ها و متدهای کلاس استفاده کنند. این ساختار به ما کمک می‌کند که داده‌ها را بهتر سازماندهی کنیم و به راحتی توسعه دهیم.

تعامل اشیا و کلاس‌ها در جاوا

در جاوا، اشیا می‌توانند با استفاده از متدهای کلاس با یکدیگر تعامل داشته باشند. این تعامل ساختار منظم و قابل فهمی را ایجاد می‌کند که نگهداری و توسعه برنامه را ساده‌تر می‌سازد. مثلاً می‌توانیم چند شی از کلاس «Car» بسازیم که هر کدام ویژگی‌های متفاوتی دارند و هر شی از متدهای خود استفاده کند.

مفهوم کلاس در پایتون

در پایتون نیز کلاس‌ها با استفاده از کلمه کلیدی class تعریف می‌شوند. این ساختار شبیه دیگر زبان‌های برنامه‌نویسی شی‌گراست.

class Car:
    def __init__(self, color, model, speed):
        self.color = color
        self.model = model
        self.speed = speed

    def move(self):
        print("The car is moving")

در پایتون، از سازنده __init__ برای مقداردهی اولیه ویژگی‌های کلاس استفاده می‌شود. هر ویژگی و متد با استفاده از کلمه کلیدی self تعریف می‌شود که به شی اشاره دارد و باعث می‌شود هر شی ویژگی‌ها و متدهای خاص خود را داشته باشد.

مفهوم کلاس در سی‌شارپ

در سی‌شارپ (C#)، کلاس‌ها با کلمه کلیدی class تعریف می‌شوند و می‌توانند شامل ویژگی‌ها و متدهای مختلف باشند. سی‌شارپ به دلیل انطباق بالا با برنامه‌نویسی شی‌گرا، به راحتی امکان تعریف کلاس‌های پیچیده را فراهم می‌کند.

public class Car
{
    public string Color { get; set; }
    public string Model { get; set; }
    public int Speed { get; set; }

    public void Move()
    {
        Console.WriteLine("The car is moving");
    }
}

در این مثال، کلاس «Car» دارای ویژگی‌های قابل تنظیم و متدی برای حرکت خودرو است. این ویژگی‌ها با کلمات کلیدی get و set تعریف شده‌اند که به ما امکان می‌دهند مقادیر آن‌ها را به سادگی بخوانیم یا تغییر دهیم.
 ما در مقاله جداگانه به موضوع مفهوم کلاس در سی شارپ پرداخته ایم که توصیه می  کنیم برای یادگیری بیشتر حتما آن را مطالعه نمایید.

 همچنین در دوره مقدماتی آموزش #c در فصل دوم به بررسی مفهوم کلاس در سی شارپ بصورت کامل پرداخته شده است 

جمع‌بندی

کلاس‌ها در برنامه‌نویسی شی‌گرا به ما امکان می‌دهند که ساختارهایی منظم و قابل استفاده مجدد ایجاد کنیم. با استفاده از کلاس‌ها، می‌توانیم اشیا را تعریف کرده و رفتارهای مختلفی را به آن‌ها اضافه کنیم. این رویکرد باعث می‌شود برنامه‌هایمان ساده‌تر مدیریت و توسعه یابند. تفاوت اصلی کلاس و شی این است که کلاس یک الگو برای ساخت اشیا است و شی نمونه‌ای واقعی از آن الگو. با این الگو می‌توان کدهای ماژولار، امن و بهینه نوشت.