برنامه نویسی ماژولار چیست؟روشی برای مدیریت پروژه‌های پیچیده نرم‌افزاری

برنامه‌نویسی ماژولار یک تکنیک است که فرآیند توسعه نرم‌افزارهای پیچیده را با تقسیم آن به بخش‌های کوچک‌تر و قابل مدیریت‌تر به نام ماژول ساده‌تر می‌کند. هر ماژول یک وظیفه مشخص را انجام می‌دهد و می‌تواند به صورت مستقل مورد استفاده قرار گیرد یا همراه با ماژول‌های دیگر برای ساخت سیستم‌های بزرگ‌تر ترکیب شود. این روش مزایای متعددی از جمله نگهداری آسان‌تر کد، به‌روزرسانی ساده‌تر و قابلیت استفاده مجدد از کد در پروژه‌های مختلف را ارائه می‌دهد. در اینجا یک مرور کلی آورده شده است:

برنامه‌نویسی ماژولار، کد را به بخش‌های مجزا با وظایف مشخص سازماندهی می‌کند.
اصول کلیدی شامل انسجام بالا درون ماژول‌ها و ارتباط ضعیف بین آنها است.
مزایا شامل به‌روزرسانی آسان‌تر، قابلیت استفاده مجدد از کد و کار تیمی مؤثرتر است.
چالش‌ها ممکن است شامل افزایش حجم و پیچیدگی کد برای پروژه‌های کوچک‌تر باشد.

در چشم‌انداز کنونی توسعه نرم‌افزار، برنامه‌نویسی ماژولار به دلیل کارآمدی و انعطاف‌پذیری خود، به‌طور فزاینده‌ای مورد توجه قرار گرفته و زمینه را برای کدنویسی مقیاس‌پذیر و قابل نگهداری‌تر فراهم می‌کند.
 در قسمت دوره های سایت باگتو در دوره آشنایی با میکروسرویس به صورت رایگان آموزش میکروسرویس رو در اختیار شما کاربران عزیزم قرارداده ایم که با مشاهده این دوره درک مناسبی از این دوره و برنامه نویسی ماژولار بدست خواهید آورد.

برنامه‌نویسی ماژولار چیست؟

برنامه‌نویسی ماژولار یک روش برای ایجاد نرم‌افزار است که در آن برنامه به قطعات کوچک و مستقل به نام ماژول ها تقسیم می‌شود. هر ماژول  مانند یک برنامه کوچک است که بخشی از کار بزرگتر را انجام می‌دهد.

نکات کلیدی در مورد برنامه‌نویسی ماژولار

ابسترکشن (Abstraction)

ماژول ها بر انجام یک کار خاص تمرکز دارند و نحوه انجام آن را از بخش‌های دیگر برنامه پنهان می‌کنند.
این به این معنی است که شما می‌توانید از یک ماژول استفاده کنید بدون اینکه نیاز داشته باشید جزئیات چگونگی عملکرد آن را بدانید.

انکپسولاسیون (Encapsulation)

ماژول ها همه چیزهایی که برای انجام کار خود نیاز دارند، مانند داده‌ها و فرآیندها، در خود جمع می‌کنند.
این باعث می‌شود که برنامه‌ها مرتب و تحت کنترل باشند.

پنهان‌سازی اطلاعات (Information Hiding)

ماژول ها فقط بخش‌های ضروری را به دنیای بیرون نشان می‌دهند و جزئیات داخلی خود را پنهان می‌کنند.
این به جلوگیری از وابستگی سایر بخش‌های برنامه به نحوه انجام کار ماژول  کمک می‌کند، که می‌تواند تغییر کند.
برنامه‌نویسی ماژولار از اواخر دهه ۱۹۶۰ برای مدیریت سیستم‌های نرم‌افزاری پیچیده‌تر و در حال رشد شروع شد. این روش یک راه هوشمندانه برای سازماندهی برنامه‌ها است که ساخت، تست، رفع اشکال و استفاده مجدد از آن‌ها را آسان‌تر می‌کند. امروزه، برنامه‌نویسی ماژولار بخش اساسی از طراحی و ساخت نرم‌افزار است.

اصول اصلی برنامه‌نویسی ماژولار

ایده‌های اصلی پشت برنامه‌نویسی ماژولار عبارتند از:

همبستگی بالا (High Cohesion)

همه چیز داخل یک ماژول به‌طور نزدیک به هم مرتبط است و به سوی یک هدف مشترک حرکت می‌کند.

اتصال ضعیف (Loose Coupling)

ماژول‌ها تنها از طریق لایه‌های بیرونی خود با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، بنابراین نیازی به دانستن جزئیات یکدیگر ندارند تا با هم کار کنند.

ابسترکشن (Abstraction)

ماژول‌ها عملکرد داخلی خود را پنهان می‌کنند و تنها بخش‌های مورد نیاز برای استفاده از آن‌ها را نشان می‌دهند.

خودکفایی (Self-containment)

ماژول‌ها تمام آنچه برای عملکرد خود نیاز دارند را درون خود دارند و وابستگی به بخش‌های خارجی را کاهش می‌دهند.
پیروی از این اصول باعث می‌شود که ماژول‌ها راحت‌تر مدیریت، تست، رفع اشکال، گسترش و استفاده مجدد شوند. تغییرات در یک ماژول به سایر ماژول‌ها آسیبی نمی‌زند و ردیابی مشکلات راحت‌تر می‌شود.

مقایسه برنامه‌نویسی ماژولار و برنامه‌نویسی سنتی

برنامه‌نویسی ماژولار و برنامه‌نویسی سنتی رویکردهای متفاوتی در ساخت نرم‌افزار دارند. در اینجا نحوه مقایسه آن‌ها آمده است:

به‌طور خلاصه، برنامه‌نویسی ماژولار عملکردها و داده‌های مرتبط را به بخش‌های جداگانه تقسیم می‌کند که مدیریت آن‌ها آسان‌تر است. این کار باعث می‌شود که ساخت، درک، اصلاح و بهبود نرم‌افزار، به‌ویژه زمانی که نرم‌افزار بزرگ و پیچیده می‌شود، ساده‌تر باشد.

آناتومی یک ماژول

اجزای یک ماژول  مانند یک جعبه کوچک است که سه بخش اصلی دارد:

واسطه (Interface)

این قسمت از ماژول است که با دنیای بیرونی ارتباط برقرار می‌کند. مانند فهرستی از دستورات است که سایر بخش‌های برنامه می‌توانند از آن استفاده کنند.

پیاده‌سازی (Implementation)

این همان "سس مخفی" درون ماژول است. تمام کدها و مراحل لازم برای کارکرد ماژول در این بخش قرار دارند، ولی این قسمت به‌طور مستقیم برای همه قابل مشاهده نیست.

ساختارهای داده (Data Structures)

این‌ها مانند دفترچه‌های شخصی ماژول هستند. اطلاعاتی که ماژول برای انجام کارهای خود نیاز دارد در اینجا ذخیره می‌شود. نگه‌داشتن این اطلاعات داخل ماژول کمک می‌کند تا همه‌چیز مرتب و منظم باشد.
این بخش‌ها با هم کار می‌کنند تا ماژول بتواند کار خود را به‌خوبی انجام دهد، بدون اینکه نحوه انجام آن برای همه آشکار باشد. واسطه مانند یک در است که به سایر بخش‌های برنامه اجازه می‌دهد تا آنچه را که نیاز دارند استفاده کنند، بدون اینکه همه چیز داخل ماژول را ببینند.

انواع ماژول‌ها

ماژول‌ها می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند:

ماژول‌های کنترل برنامه (Program control modules)

این‌ها مدیران برنامه هستند. آن‌ها نحوه شروع و پایان برنامه، مدیریت خطاها، تعامل با کاربران و اطمینان از هماهنگی صحیح سایر ماژول‌ها را مدیریت می‌کنند.

ماژول‌های وظیفه خاص (Specific task modules)

این‌ها متخصصان هستند. آن‌ها روی انجام یک کار خاص به‌خوبی تمرکز دارند، مانند کار با اعداد، مدیریت متن یا ارتباط با دستگاه‌ها.
برای مثال، در برنامه‌نویسی C ممکن است موارد زیر را ببینید:

stdio.h - برای نمایش و دریافت اطلاعات کمک می‌کند
string.h - کار با متن را آسان‌تر می‌کند
math.h - مسائل ریاضی را حل می‌کند
در JavaScript، ابزاری مانند TinyMCE وظایف را به بخش‌های کوچکتر تقسیم می‌کند که هرکدام بر جنبه‌ای از برنامه، مانند ظاهر برنامه، ویرایش محتوا یا بارگذاری فایل‌ها تمرکز دارند.

ماژول‌ها و APIها

ماژول‌ها می‌توانند با استفاده از ابزاری  به نام API با هم در ارتباط باشند. یک API مانند یک منو است که به شما می‌گوید می‌توانید از ماژول چه کارهایی بخواهید، ولی نحوه انجام آن‌ها را نشان نمی‌دهد.

این بسیار مفید است زیرا به این معنی است که ماژول می‌تواند قول دهد کارهای خاصی را انجام دهد بدون اینکه نگران تغییرات داخلی ماژول باشد که ممکن است باعث اختلال در سایر بخش‌ها شود. این شبیه به این است که بگویید: "می‌توانید به من اعتماد کنید تا این کار را انجام دهم، صرف‌نظر از اینکه پشت صحنه چه اتفاقی می‌افتد."

APIها باعث می‌شوند که به راحتی بتوانید بفهمید یک ماژول چه کارهایی می‌تواند انجام دهد تنها با نگاه کردن به 'منو'. این موضوع زمانی که در حال ساخت یا رفع اشکال نرم‌افزار هستید، کمک می‌کند تا مطمئن شوید همه‌چیز به خوبی با هم کار می‌کند بدون هیچ شگفتی.

پیاده‌سازی برنامه‌نویسی ماژولار

انتخاب ماژول مناسب

زمانی که یک برنامه را به بخش‌های کوچکتر تقسیم می‌کنید، مهم است که هر بخش یا ماژول تنها یک کار خاص را انجام دهد. به این اصل اصول مسئولیت واحد (Single Responsibility Principle) گفته می‌شود. در اینجا نحوه انجام درست آن بیان می کنیم:

• تمام چیزهایی که مربوط به کار اصلی ماژول است را درون آن نگه دارید.
  این کار باعث می‌شود تا بفهمید ماژول چه کاری انجام می‌دهد و در صورت نیاز به تغییرات، راحت‌تر بتوانید آن‌ها را اعمال کنید.
• اطمینان حاصل کنید که ماژول‌ها به یکدیگر وابستگی زیادی ندارند.
  آن‌ها باید از طریق راه‌های مشخص و تعریف‌شده با هم ارتباط برقرار کنند، نه اینکه در هم پیچیده شوند.
• تمام قطعات و اجزایی که ماژول برای انجام کار خود نیاز دارد را در داخل آن قرار دهید.
  این کار باعث می‌شود همه چیز مرتب و سازمان‌دهی‌شده باقی بماند.

نگه‌داشتن ماژول‌ها کوچک، متمرکز و مستقل، نرم‌افزار را برای مدیریت و تغییرات بعدی آسان‌تر می‌کند.

برنامه‌نویسی ماژولار در زبان‌های مختلف

زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف ابزارهای خاص خود را برای ماژولار کردن نرم‌افزار دارند:

زبان برنامه نویسی c

به شما این امکان را می‌دهد که از فایل‌های هدر (مانند فایل‌های .h) برای به اشتراک‌گذاری توابع و ساختارهای داده بین فایل‌ها استفاده کنید.

 به‌عنوان مثال، استفاده از <include stdio.h#>.
کلیدواژه‌های static و extern به مدیریت اینکه چه کسی می‌تواند به توابع یا متغیرهای خاص دسترسی داشته باشد، کمک می‌کنند.

زبان برنامه نویسی java

از کلیدواژه‌های public و private برای کنترل دسترسی به بخش‌های مختلف استفاده می‌کند.
پکیج‌ها (Packages) چیزهای مرتبط را کنار هم گروه‌بندی می‌کنند، که یافتن و استفاده از آن‌ها را آسان‌تر می‌کند.
اینترفیس‌ها (Interfaces) به شما این امکان را می‌دهند که مجموعه‌ای از عملیات‌هایی را که کلاس‌ها می‌توانند انجام دهند، تعریف کنید.

این ابزارها به مدیریت اینکه کدام بخش‌های برنامه شما می‌توانند چه کارهایی انجام دهند و از چه چیزی استفاده کنند، کمک می‌کنند و همه چیز را مرتب و تحت کنترل نگه می‌دارند.

الگوهای طراحی ماژولار

در اینجا چند الگوی طراحی آورده شده که به برنامه‌نویسی ماژولار کمک می‌کنند:

Facade (نمای بیرونی )

دیزاین پترن facade جز الگوهای Structural است و  در شرایطی از آن استفاده می کنیم که کدی پیچیده داشته باشیم که با چندین کلاس مختلف پیاده‌سازی شده استیا زمانی که یک کد قدیمی داریم که بازسازی کردن آن بسیار زمان‌بر می‌باشد که در چنین شرایطی با استفاده از دیزاین پترن facade یک کلاسی می‌سازیم که امکان ارجاع به تمامی کلاس‌های اپلیکیشن را داشته و در نهایت می‌توانیم متدهای مد نظر خود را از طریق تنها یک متد فراخوانی کنیم که این امر منجر به کاهش پیچیدگی ساختار سیستم می‌شود.یک نمای ساده برای تعاملات پیچیده‌تر بین ماژول‌ها ایجاد می‌کند.

Adapter (مبدل)

Adapter، یک الگوی طراحی ساختاری است که به یک سیستم اجازه می‌دهد تا با واسط‌های ناسازگار کار کند. اصلی‌ترین هدف این پترن تبدیل یک واسط (interface) به واسطی دیگر است تا کلاس‌ها بتوانند با همدیگر ارتباط برقرار کنند بدون آنکه نیاز به تغییر در کدهای آن‌ها باشد.

پترن Adapter به یک کلاس امکان می‌دهد تا واسط یک کلاس دیگر را پیاده‌سازی کند. با استفاده از این الگو، کلاس‌ها می‌توانند با واسط‌هایی که در حالت عادی نمی‌توانستند با آن‌ها کار کنند، همکاری کنند.

Bridge (پل)

ایده‌های بزرگ را از جزئیات پیچیده جدا نگه می‌دارد، بنابراین می‌توانید آن‌ها را به‌طور مستقل تغییر دهید.

استفاده از این الگوها می‌تواند کمک کند تا ارتباطات بین ماژول‌ها مرتب و آسان برای مدیریت باقی بماند.

مزایای برنامه‌نویسی ماژولار

برنامه‌نویسی ماژولار مزایای زیادی دارد:

نگهداری آسان‌تر

از آنجا که هر بخش کار خود را انجام می‌دهد، به‌روزرسانی، رفع اشکال یا افزودن ویژگی‌های جدید بر سایر بخش‌ها تأثیری نمی‌گذارد. توسعه‌دهندگان مختلف می‌توانند به‌طور همزمان روی بخش‌های مختلف کار کنند.

استفاده مجدد از بخش‌ها

می‌توانید ماژولی که ساخته‌اید را در پروژه‌های دیگر استفاده کنید. این کار زمان را صرفه‌جویی می‌کند زیرا نیازی نیست هر بار از صفر شروع کنید.

مدیریت ساده‌تر

تقسیم یک برنامه بزرگ به بخش‌های کوچکتر باعث می‌شود که برنامه کمتر دلهره‌آور باشد. فهمیدن آنچه که در حال اتفاق است آسان‌تر می‌شود که در هنگام ساخت یا رفع اشکال بسیار کمک‌کننده است.

همکاری بهتر

تیم‌ها می‌توانند به‌طور همزمان روی بخش‌های مختلف کار کنند. این به شما کمک می‌کند که پروژه‌های بزرگ را سریع‌تر تمام کنید.

پروژه‌های مرتب‌تر

قرار دادن بخش‌های مرتبط در ماژول‌ها باعث می‌شود که پروژه‌تان سازمان‌دهی‌شده‌تر باشد. این روش برای زمانی که با حجم زیادی از کد سروکار دارید، بسیار مفید است.

برنامه‌نویسی ماژولار در مقایسه با  برنامه‌نویسی غیرماژولار

چالش‌ها و معایب برنامه‌نویسی ماژولار

اما برنامه‌نویسی ماژولار کامل نیست. در اینجا برخی از معایب آن آمده است:

ممکن است کد بیشتری نیاز باشد

تقسیم چیزها به ماژول‌ها ممکن است در نهایت باعث تولید کد بیشتر شود که ممکن است سرعت برنامه را کاهش دهد. شما باید روی نگه داشتن کد به صورت بهینه کار کنید.

ممکن است پیچیده شود

برای پروژه‌های کوچک، داشتن تعداد زیادی ماژول ممکن است باعث پیچیدگی بیش از حد شود. به‌روزرسانی‌های ساده ممکن است دشوارتر شوند.

مسائل امنیتی باید مد نظر قرار گیرد

اگر دقت نکنید که چه کسی به چه چیزی دسترسی دارد، داشتن رابط‌های باز برای ماژول‌ها ممکن است خطرناک باشد. باید اطمینان حاصل کنید که همه چیز امن است.
گاهی اوقات قرار دادن همه چیز در یک بلوک بزرگ (کد یکپارچه یا Monolithic) ممکن است بهتر باشد، به‌ویژه برای پروژه‌های کوچک و ساده. این می‌تواند مدیریت آسان‌تری داشته باشد، کوچکتر باشد و امنیت بیشتری داشته باشد. اما برای پروژه‌های بزرگ با بخش‌های متعدد و تیم‌های بزرگ، معمولاً استفاده از برنامه‌نویسی ماژولار منطقی‌تر است.

برنامه‌نویسی ماژولار در صنعت

نام‌های بزرگی به برنامه‌نویسی ماژولار روی آورده‌اند. در اینجا چند مثال آورده شده است:

TinyMCE فرآیند ویرایش را به بیش از ۳۰ ماژول خاص تقسیم کرده است که برای انجام وظایف مختلف طراحی شده‌اند. این کار باعث می‌شود تنظیم نسخه‌های مختلف ویرایشگرشان سریع‌تر انجام شود.
آمازون Polly، سرویس متن مکالمه خود را با ماژول‌هایی طراحی کرد تا بتوانید نحوه صحبت کردن آن را به راحتی تغییر دهید.
Spotify از ایده مشابهی برای تیم‌های خود استفاده می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به طور مستقل روی بخش‌های کوچک از اپلیکیشن کار کنند. این کار به آن‌ها کمک می‌کند که تغییرات را سریع‌تر اعمال کنند.
استفاده از ماژول‌ها به این شرکت‌ها کمک می‌کند تا ویژگی‌ها را در محصولات مختلف به اشتراک بگذارند و بدون گیر کردن در جزئیات، رشد کنند.

ارزش کار با ماژول‌ها برای توسعه‌دهندگان

برای توسعه‌دهندگان، آشنایی با نحوه کار با ماژول‌ها می‌تواند به طور قابل توجهی به پیشرفت حرفه‌ای شما کمک کند:

به شما این امکان را می‌دهد که از بخش‌هایی که دیگران ساخته‌اند استفاده کنید، به جای اینکه هر بار از صفر شروع کنید و زمان خود را صرفه‌جویی کنید.
درک نحوه طراحی با ماژول‌ها باعث می‌شود که شما در ساخت سیستم‌هایی که قوی هستند و می‌توانند رشد کنند، مهارت پیدا کنید.
شرکت‌ها به دنبال توسعه‌دهندگانی هستند که بتوانند به خوبی با سیستم‌های ماژولار کار کنند.
یادگیری برنامه‌نویسی ماژولار همچنین مهارت‌های مهمی مانند نگه‌داشتن بخش‌های مختلف یک برنامه مستقل، سازمان‌دهی‌شده و خصوصی را به شما می‌آموزد. تسلط بر این مهارت‌ها شما را به یک توسعه‌دهنده بهتر تبدیل می‌کند.

دلایل مزایای برنامه‌نویسی ماژولار:

به‌روزرسانی‌های آسان‌تر

زمانی که نیاز به تغییر چیزی دارید، معمولاً فقط باید با یک ماژول کار کنید. این یعنی احتمال اشتباه در تغییر بخش‌های دیگر کمتر است.

استفاده دوباره از بخش‌ها

می‌توانید ماژولی که قبلاً ساخته‌اید را در پروژه‌های دیگر استفاده کنید و این کار وقت و تلاش شما را صرفه‌جویی می‌کند.

کار تیمی

از آنجا که ماژول‌ها به طور مستقل عمل می‌کنند، افراد یا تیم‌های مختلف می‌توانند روی ماژول‌های خودشان کار کنند بدون اینکه مزاحم یکدیگر شوند.

اضافه کردن ویژگی‌های جدید

زمانی که بخواهید ویژگی جدیدی اضافه کنید، اغلب می‌توانید فقط یک ماژول جدید را به پروژه خود اضافه کنید.

با پیچیده‌تر شدن نرم‌افزارها، داشتن یک کتابخانه از ماژول‌هایی که می‌توان از آن‌ها انتخاب و استفاده کرد، به توسعه‌دهندگان کمک می‌کند تا کارها را سریع‌تر بسازند.

احتمالاً ابزارهای جدیدی خواهیم دید که کار با ماژول‌ها را آسان‌تر می‌کنند، مانند:

ابزارهایی که نحوه اتصال ماژول‌ها را نمایش می‌دهند
این کار به ما کمک می‌کند تا بفهمیم تغییر یک ماژول چگونه ممکن است بر دیگران تأثیر بگذارد.

روش‌هایی برای تعویض ماژول‌ها بدون شروع از ابتدا
این به این معنی است که می‌توانید بخش‌هایی از نرم‌افزار خود را بدون نیاز به بازنویسی کل آن به‌روزرسانی یا جایگزین کنید.

جایگاهی برای پیدا کردن و به اشتراک‌گذاری ماژول‌ها
تصور کنید یک کتابخانه که در آن می‌توانید ماژول‌هایی برای کارهای مختلف پیدا کنید و ماژول‌های خود را به اشتراک بگذارید.

آینده ساخت نرم‌افزار احتمالاً بر ترکیب هوشمندانه این ماژول‌ها متمرکز خواهد بود، به جای شروع از صفر. این رویکرد ماژولار برای مدیریت پروژه‌های نرم‌افزاری پیچیده حیاتی است.

نتیجه‌گیری
برنامه‌نویسی ماژولار روشی هوشمند برای مدیریت پروژه‌های نرم‌افزاری پیچیده است. این شبیه به تقسیم یک پروژه بزرگ به بخش‌های کوچکتر و قابل مدیریت است. هر بخش یا ماژول، تمرکز خود را بر انجام یک کار خاص و به‌خوبی انجام دادن آن قرار می‌دهد و به طور مستقل عمل می‌کند. این رویکرد به تیم‌ها اجازه می‌دهد که همزمان روی بخش‌های مختلف کار کنند، به‌روزرسانی‌ها را ساده‌تر می‌کند و به شما این امکان را می‌دهد که بخش‌ها را در پروژه‌های دیگر دوباره استفاده کنید.