مارتن أودرْسكي وسكالا: التحول نحو البرمجة الدالية والشيئية على JVM

الفكرة الجوهرية في سكالا بسيطة: احتفظ بنموذج البرمجة الموجهة للكائنات الذي جعل جافا قابلة للاستخدام على نطاق واسع (كلاسات، واجهات، تغليف)، وأضف أدوات البرمجة الدالية التي تجعل الكود أسهل للاختبار والفهم (دوال من الدرجة الأولى، افتراضات بعدم القابلية للتغيير، نمذجة بيانات على طراز جبري).

بدلًا من إجبار الفرق على اختيار جانب—OO صارم أو FP صارم—تسمح سكالا باستخدام كلاهما:

• كائنات لتنظيم البرامج والتكامل مع مكتبات JVM
• دوال وقيم غير قابلة للتغيير لتقليل الحالة المخفية والسلوك المفاجئ
• نظام أنواع يمكنه تشفير النوايا والتقاط الأخطاء مبكرًا

لماذا يهم هذا لمهندسي JVM اليومي

أهمية سكالا أنها أثبتت أن هذه الأفكار تعمل في بيئة الإنتاج على JVM، وليس فقط في الأوساط الأكاديمية. أثرت على كيفية بناء خدمات الخلفية (معالجة أخطاء أكثر صراحة، تدفقات بيانات غير قابلة للتغيير)، على تصميم المكتبات (واجهات توجه الاستخدام الصحيح)، وعلى تطور أطر معالجة البيانات (جذور Spark في سكالا مثال معروف).

وبنفس القدر من الأهمية، أجبرت سكالا على محادثات عملية لا تزال تشكل الفرق الحديثة: ما مدى التعقيد المقبول؟ متى يحسن نظام الأنواع القوي الوضوح، ومتى يجعل الكود أصعب قراءة؟ تلك المقايضات أصبحت الآن مركزية في تصميم اللغات والواجهات عبر JVM.

ما ستغطيه هذه المقالة

سنبدأ ببيئة JVM التي دخلت فيها سكالا، ثم نفكك التوتر بين FP وOO الذي واجهته. سننظر بعد ذلك في الميزات اليومية التي جعلت سكالا تبدو كـ "أفضل ما في العالمين" (traits, case classes, pattern matching)، قوة نظام الأنواع (وتكاليفه)، وتصميم الإمبليستس ونمط type class.

أخيرًا سنناقش التزامن، التوافق مع جافا، البصمة الحقيقية لسكالا في الصناعة، ما ضبطته سكالا 3، والدروس الدائمة التي يمكن لمصممي اللغات ومؤلفي المكتبات تطبيقها—سواء شحنوا سكالا، جافا، كوتلن، أو أي شيء آخر على JVM.

سياق JVM الذي دخلت فيه سكالا

عندما ظهرت سكالا في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كان JVM في الأساس "بيئة تشغيل جافا". جافا هيمنت على برمجيات المؤسسات لأسباب وجيهة: منصة مستقرة، دعم بائع قوي، ونظام بيئي هائل من المكتبات والأدوات.

لكن الفرق أيضًا شعرت بألم حقيقي عند بناء أنظمة كبيرة مع أدوات تجريد محدودة—لا سيما حول النماذج المليئة بالبُرنَة (boilerplate)، التعامل العُرضي مع null، وبدائيات التزامن السهلة الخطأ.

بيئة تشغيل ذات قيود حقيقية

تصميم لغة جديدة لـ JVM لم يكن مثل البدء من الصفر. كان على سكالا أن تتلاءم مع:

• بايتكود JVM: يجب أن تُترجم الميزات إلى ملفات class يفهمها JVM.
• توقعات الأداء: المستخدمون المؤسسيون توقعوا سلوك وقت تشغيل متوقع واستهلاك مُعقول للذاكرة.
• التكامل مع جافا: اللغة بحاجة لاستدعاء مكتبات جافا بسلاسة—وأن تكون قابلة للاستدعاء من جافا—لأن إعادة كتابة العالم لم تكن خيارًا.
• وقائع الأدوات: أدوات البناء، دعم IDE، المصححات، وأنابيب النشر كانت مُوجَّهة حول عادات جافا.

لماذا اعتماد لغة على JVM صعب

حتى إن بدت اللغة أفضل على الورق، تتردد المؤسسات. يجب على لغة JVM جديدة تبرير تكاليف التدريب، تحديات التوظيف، وخطر أدوات أضعف أو آثار أقدام مكدسة مربكة. كما يجب عليها إثبات أنها لن تحجز الفرق داخل نظام بيئي ضيق.

"تغيير هندسة JVM" عمليًا

تأثير سكالا لم يقتصر على الصياغة فقط. شجعت الابتكار "المبني حول المكتبات" (مجموعات أكثر تعبيرًا وأنماط دالية)، دفعت أدوات البناء وتدفقات التبعيات قُدمًا (إصدارات سكالا، البناء عبر الإصدارات، مكونات المترجم)، وطَبَّعَت تصاميم واجهات تفضل عدم القابلية للتغيير، قابلية التركيب، ونمذجة أكثر أمانًا—وكل ذلك مع البقاء داخل راحة عمليات JVM.

FP مقابل OO: التوتر الأساسي الذي واجهته سكالا

خلقت سكالا لوقف جدال مألوف كان يعيق التقدم: هل تعتمد فريق JVM على التصميم الموجه للكائنات، أم تعتمد أفكارًا دالية تقلل الأخطاء وتحسن إعادة الاستخدام؟

إجابة سكالا لم تكن "اختر واحدًا"، ولم تكن "اخلط كل شيء في كل مكان". الاقتراح كان أكثر عملية: دعم كلا الأسلوبين بأدوات متسقة وذات مرتبة أولى، وترك المهندسين يستخدمون كل منهما حيث يناسب.

أساسيات OO: تنظيم السلوك حول الكائنات

في OO الكلاسيكي، تُنمذج النظام عبر كلاسات تجمع البيانات والسلوك. تُخفي التفاصيل عبر التغليف (الحفاظ على الحالة خاصة وكشف الطرق)، وتعيد استخدام الكود عبر الواجهات (أو الأنواع التجريدية) التي تحدد ما يمكن أن يفعله الكيان.

تتفوق OO عندما يكون لديك كيانات طويلة العمر مع مسؤوليات واضحة وحدود مستقرة—فكر في Order, User, أو PaymentProcessor.

أساسيات FP: تنظيم الحساب حول القيم

تدفعك FP نحو عدم القابلية للتغيير (القيم لا تتغير بعد إنشائها)، الدوال ذات الرتبة العليا (دوال تأخذ أو تُرجع دوالًا)، والنقاء (مخرجات الدالة تعتمد فقط على مُدخلاتها دون آثار جانبية مخفية).

FP تتفوق عند تحويل البيانات، بناء خطوط أنابيب، أو الحاجة إلى سلوك متوقع تحت التزامن.

أين يظهر التوتر

على JVM، يظهر الاحتكاك عادةً حول:

• الحالة: OO غالبًا ما يستخدم حقول قابلة للتغيير؛ FP يفضل القيم غير القابلة للتغيير.
• الوراثة مقابل التركيب: الوراثة يمكن أن تُقفل تصميمك داخل تسلسل مراتب؛ FP يفضل التركيب.
• الآثار الجانبية: طرق OO كثيرًا ما تقوم بإدخال/إخراج أو تحديث حالة مشتركة؛ FP يحاول عزل الآثار لتبسيط الاستدلال.

هدف سكالا: خيار براغماتي، أدوات متسقة

هدف سكالا كان جعل تقنيات FP تبدو أصلية دون التخلي عن OO. يمكنك متابعة نمذجة المجالات بكلاسات وواجهات، لكن يتم تشجيعك على الافتراض بعدم القابلية للتغيير والتركيب الدالي.

عمليًا، يمكن للفرق كتابة كود OO واضح حيثما يكون مناسبًا، ثم التحول إلى أنماط FP لمعالجة البيانات، التزامن، وقابلية الاختبار—دون مغادرة منظومة JVM.

Traits، Case Classes، وأدوات "أفضل ما في العالمين"

سمعة سكالا كـ "أفضل ما في العالمين" ليست مجرد فلسفة—بل مجموعة أدوات يومية تتيح للفرق مزج التصميم الموجه للكائنات مع تدفقات عمل دالية دون طقوس مستمرة.

ثلاث ميزات شكلت مظهر كود سكالا في الممارسة: traits، case classes، و companion objects.

Traits: mixins بدلاً من أهرامات الوراثة

الـ traits هي إجابة سكالا العملية على "أريد سلوكًا قابلًا لإعادة الاستخدام دون شجرة وراثة هشة." يمكن للفئة أن تمتد من سوبركلاس واحد لكنها تمزج عدة traits، ما يجعل من الطبيعي نمذجة القدرات (التسجيل، التخزين المؤقت، التحقق) كقطع بناء صغيرة.

بالمصطلحات OO، تحافظ traits على تركيز أنواع المجال الأساسية مع السماح بتركيب السلوك. بالمصطلحات FP، غالبًا ما تحتوي traits على دوال مساعدة نقية أو واجهات صغيرة على طراز الجبر يمكن تنفيذها بطرق مختلفة.

Case classes: نماذج بيانات مريحة الاستخدام

تجعل case classes من السهل إنشاء أنواع "مركزة على البيانات"—سجلات مع افتراضات معقولة: معاملات المُنشِئ تصبح حقولًا، والمساواة تعمل كما يتوقع الناس (بالمقدار)، وتحصل على تمثيل مقروء للتصحيح.

تتزاوج أيضًا بسلاسة مع pattern matching، مما يدفع المطورين نحو معالجة أكثر أمانًا وصراحة لأشكال البيانات. بدلًا من تبعثر فحوصات null وinstanceof، تطابق على case class وتستخرج ما تحتاجه بالضبط.

Companion objects: واجهات نظيفة بنمط object + class

أجسام المرافق (companion objects) في سكالا (object بنفس اسم class) فكرة صغيرة ذات تأثير كبير على تصميم الواجهات. تعطيك مكانًا للمصانع، الثوابت، والأساليب المساعدة—دون خلق كلاسات "Utils" منفصلة أو إجبار كل شيء إلى أساليب ثابتة.

هذا يحافظ على إنشاء بنمط OO مرتب، بينما يمكن لوحدات المساعدة على طراز FP (مثل apply للإنشاء الخفيف) أن تعيش بجانب النوع الذي تدعمه.

معًا، تشجع هذه الميزات على قاعدة كود حيث تكون كائنات المجال واضحة ومغلفة، وأنواع البيانات مريحة وآمنة للتحويل، والواجهات متماسكة—سواء كنت تفكر في مصطلحات الكائنات أو الدوال.

Pattern Matching ونمذجة بيانات أكثر أمانًا

المطابقة النمطية في سكالا طريقة لكتابة منطق تفرع بناءً على شكل البيانات، وليس فقط على قيم منطقية أو سلاسل if/else. بدلًا من السؤال "هل العلم مضبوط؟" تسأل "أي نوع من الأشياء هذه؟"—ويقْرأ الكود كقائمة حالات مسماة.

المطابقة النمطية كتفرع قابل للقراءة عبر أشكال البيانات

بأبسط صورها، تحل المطابقة النمطية محل سلاسل الشرطيات بوصف "حالة بحالة":

sealed trait Result
case class Ok(value: Int) extends Result
case class Failed(reason: String) extends Result

def toMessage(r: Result): String = r match {
  case Ok(v)       => s"Success: $v"
  case Failed(msg) => s"Error: $msg"
}

يجعل هذا الأسلوب النية واضحة: عالج كل شكل ممكن من Result في مكان واحد.

أنواع البيانات الجبرية بلغة بسيطة: sealed traits

لا تُجبرك سكالا على وجود تسلسل وراثة واحد يناسب الجميع. مع sealed traits يمكنك تعريف مجموعة صغيرة ومغلقة من البدائل—غالبًا ما تُسمى نوع بيانات جبري (ADT).

"مغلقة" تعني أن كل البدائل المسموح بها يجب أن تُعرف معًا (عادة في نفس الملف)، بحيث يعرف المترجم القائمة الكاملة من الاحتمالات.

الأمان عبر المطابقة الشاملة (بتوقعات واقعية)

عند المطابقة على تسلسل مغلق، يمكن لسكالا تحذيرك إذا أغفلت حالة. هذه فائدة عملية كبيرة: عند إضافة case class Timeout(...) extends Result لاحقًا، يمكن للمترجم أن يُشير إلى كل المطابقات التي تحتاج الآن للتحديث.

هذا لا يُلغي الأخطاء—قد يظل المنطق خاطئًا—لكنّه يقلل فئة شائعة من أخطاء "الحالة غير المعالجة".

تصميم واجهات أفضل: أخطاء، حالات، أوامر

المطابقة النمطية مع ADTs المغلقة تشجع على واجهات تُنمذج الواقع صراحةً:

• الأخطاء: أعد Ok/Failed بدلاً من null أو استثناءات غامضة.
• الحالات: مثل Loading/Ready/Empty/Crashed تمثل كبيانات، لا كأعلام مبعثرة.
• الأوامر/الأحداث: نمذج الأفعال المسموح بها (Create, Update, Delete) حتى تكون المعالجات مكتملة طبيعياً.

النتيجة هي كود أسهل قراءة، أصعب سوء استخدامه، وأكثر وُدًّا لإعادة البناء بمرور الزمن.

استدلال الأنواع والأنواع المتقدمة: قوة ومقايضات

نظام أنواع سكالا سبب رئيسي في شعور اللغة بالأناقة وبتحدٍ في آنٍ واحد. يقدم ميزات تجعل الواجهات معبرة وقابلة لإعادة الاستخدام، مع إبقاء الكود اليومي قابلاً للقراءة—على الأقل عند استخدام القوة بحكمة.

استدلال الأنواع: قَلّة البُرنَة وتركيز أكبر

يُمكن للمترجم غالبًا استنتاج الأنواع التي لم تكتبها. بدلًا من تكرار نفسك، تسمّي النية وتمضي.

val ids = List(1, 2, 3)          // inferred: List[Int]
val nameById = Map(1 -> "A")     // inferred: Map[Int, String]

def inc(x: Int) = x + 1          // inferred return type: Int

هذا يقلل الضجيج في قواعد الكود المليئة بالتحويلات (شائعة في خطوط أنابيب على طراز FP). كما يجعل التركيب خفيفًا: يمكنك ربط خطوات بدون تعليق كل قيمة متوسطة.

###泛 الزيت: Generic و variance: مجموعات قابلة لإعادة الاستخدام وواجهات أكثر أمانًا

تميل مجموعات سكالا ومكتباتها إلى الاعتماد بشكل كبير على النوعيات العامة (مثال List[A], Option[A]). تُصف إشارات التفاوت (+A, -A) كيف يتصرف التوريث الفرعي لمعاملات النوع.

نموذج ذهني مفيد:

• متماثل (+A): "حاوية من Cats يمكن استخدامها حيثما يتوقع حاوية من Animals." (جيد للبُنى غير القابلة للتغيير والمقروءة مثل List).
• منافٍ (-A): شائع في "المستهلكين"، مثل مدخلات الدوال.

التفاوت سبب في أن تصميم مكتبات سكالا يمكن أن يكون مرنًا وآمنًا: يساعدك على كتابة واجهات قابلة لإعادة الاستخدام دون تحويل كل شيء إلى Any.

المقايضة: القوة مقابل رسائل الخطأ

الأنواع المتقدمة—أنواع عليا، أنواع معتمدة على المسار، تجريدات مدفوعة بالإمبليستس—تُمكّن مكتبات معبرة للغاية. الجانب السلبي هو أن المترجم يصبح لديه عمل أكثر، وعندما يفشل، قد تكون الرسائل مخيفة.

قد ترى أخطاء تذكر أنواعًا مستنتجة لم تكتبها أبدًا، أو سلاسل طويلة من القيود. ربما يكون الكود صحيحًا "بالمعنى"، لكن ليس بالشكل الدقيق الذي يحتاجه المترجم.

إرشادات الفريق: متى تكون صريحًا

قاعدة عملية: دع الاستدلال يتعامل مع التفاصيل المحلية، لكن أضف تعليقات نوعية عند الحدود الهامة.

استخدم أنواعًا صريحة لـ:

• الطرق العامة في الوحدات المشتركة
• القيم التي تحدد شكل نماذج البيانات أو عقود البروتوكول
• التعابير "المعقدة" (جينريك عميق، عدة إمبليستس، مطابقات نمطية مركبة)

هذا يحافظ على الكود مقروءًا للبشر، يسرع استكشاف أخطاء المترجم، ويحوّل الأنواع إلى توثيق—دون التخلي عن قدرة سكالا على إزالة البُرنَة حيث لا تضيف وضوحًا.

Implicits و Type Classes: واجهات معبرة على JVM

كانت الإمبليستس في سكالا إجابة جريئة على ألم شائع في JVM: كيف تضيف سلوكًا "تكفيه الحاجة" لأنواع موجودة—خصوصًا أنواع جافا—دون الوراثة، أو التغليف المتكرر، أو منادات أدوات فوضوية.

الإمبليستس كـ "قدرات" وطرق امتداد

على مستوى عملي، تسمح الإمبليستس للمترجم بتزويد وسيطة لم تُمرَّر صراحة، طالما يوجد قيمة مناسبة في النطاق. مقترنةً بتحويلات ضمنية (لاحقًا أنماط طرق الامتداد الأكثر صراحة)، هذا وفّر طريقة نظيفة لـ "إلحاق" طرق جديدة بأنواع لا تتحكم بها.

هكذا تحصل على واجهات انسيابية: بدلًا من Syntax.toJson(user) يمكنك كتابة user.toJson، حيث تُؤمَّن toJson بواسطة فئة ضمنية مستوردة أو تحويل.

Type classes على JVM

الأهم أن الإمبليستس جعلت type classes مريحة. type class طريقة للقول: "هذا النوع يدعم هذا السلوك" دون تعديل النوع نفسه. يمكن للمكتبات تعريف تجريدات مثل Show[A], Encoder[A], أو Monoid[A]، ثم توفير حالات عبر الإمبليستس.

تظل نداءات الاستدعاء بسيطة: تكتب كودًا عامًا، والمترجم يختار التنفيذ الصحيح بناءً على ما هو في النطاق.

المقايضة: عمل على بعد

الجانب السلبي للراحة نفسها: السلوك يمكن أن يتغير عندما تضيف أو تزيل استيرادًا. هذا "العمل على بعد" قد يجعل الكود مفاجئًا، يخلق أخطاء ضمنية غامضة، أو يختار حالة لم تكن تتوقعها بهدوء.

تحسين سكالا 3 (given/using)

سكالا 3 تحتفظ بالقوة لكن توضح النموذج باستخدام given وusing. النية—"هذه القيمة تُقدم ضمنيًا"—أكثر وضوحًا في الصياغة، مما يجعل الكود أسهل قراءة وتعليمًا ومراجعة مع الحفاظ على تصميمات مدفوعة بنمط type-class.

التزامن: جعل الكود المتوازي أسهل في الفهم

التزامن هو المكان حيث يصبح مزيج سكالا "FP + OO" ميزة عملية. أصعب جزء في الكود المتوازي ليس تشغيل خيوط—إنما فهم ما يمكن أن يتغير، متى، ومن قد يراه.

تدفع سكالا الفرق نحو أنماط تقلل تلك المفاجآت.

عدم القابلية للتغيير: قطع متحركة أقل

تقلل القيم غير القابلة للتغيير من حالات السباق: جزآن من البرنامج يحدثان نفس البيانات في نفس الوقت فتحصل على نتائج يصعب إعادة إنتاجها.

تفضيل سكالا للقيم غير القابلة للتغيير (غالبًا مع case classes) يشجع على قاعدة بسيطة: بدلًا من تغيير كائن، أنشئ واحدًا جديدًا. قد يبدو ذلك "مُبذِّرًا" في البداية، لكنه غالبًا ما يعود بفائدة في عدد أخطاء أقل وتصحيح أسهل—خصوصًا تحت التحميل.

Futures وتركیب لائق async

جعلت سكالا Future أداة مألوفة على JVM. الفكرة ليست "callbacks في كل مكان"، بل التركيب: يمكنك بدء عمل متوازي ثم دمج النتائج بطريقة مقروءة.

مع map, flatMap, وcomprehensions من نوع for يمكن كتابة كود غير متزامن بأسلوب يشبه منطقًا خطويًا عاديًا. هذا يسهل فهم التبعيات وقرار مكان التعامل مع الأخطاء.

تفكير بنمط الممثلين (actors) دون الانزلاق في فخ الإطار

شاعت سكالا أيضًا أفكار النمط المُمثل: عزل الحالة داخل مكوّن، التواصل عبر رسائل، وتجنب مشاركة الكائنات عبر الخيوط. لا تحتاج للالتزام بأي إطار محدد للاستفادة من هذا التفكير—تمرير الرسائل بطبيعته يحدد ما يمكن تغييره ومن يملك الحق في تغييره.

نتائج هندسية شائعة

الفرق التي تتبنّى هذه الأنماط غالبًا ما ترى ملكية أوضح للحالة، افتراضات افتراضية أكثر أمانًا للتوازParallel، ومراجعات كود تركز أكثر على تدفق البيانات بدلاً من سلوك التأمين الخفي.

التوافق مع جافا: البراغماتية فوق الطهارة

نجاح سكالا على JVM لا ينفصل عن رهان بسيط: لا يجب أن تضطر لإعادة كتابة العالم لاستخدام لغة أفضل.

"التوافق الجيد" ليس مجرد إمكانية استدعاء عبر الحدود—إنما توافق ممل متوقع: أداء متوقع، أدوات مألوفة، وإمكانية مزج سكالا وجافا في نفس المنتج دون هجرة بطولية.

كيف يبدو "التوافق الجيد"

من سكالا يمكنك استدعاء مكتبات جافا مباشرة، تنفيذ واجهات جافا، توسيع كلاسات جافا، وشحن بايتكود JVM عادي يعمل في أي مكان تعمل فيه جافا.

من جافا يمكنك استدعاء كود سكالا أيضًا—لكن "الجيد" عادةً يعني فتح نقاط دخول صديقة لجافا: طرق بسيطة، جينات عامة قليلة التعقيد، وتواقيع ثنائية مستقرة.

تصميم واجهات سكالا صديقة لجافا

شجعت سكالا مؤلفي المكتبات على الحفاظ على "سطح" عملي: توفير مُنشئات/مصانع مباشرة، تجنب متطلبات ضمنية مفاجئة لطرق العمل الأساسية، وكشف أنواع تفهمها جافا.

نمط شائع هو تقديم واجهة سكالا أولًا مع واجهة جافا صغيرة (مثال: X.apply(...) في سكالا وX.create(...) لجافا). بهذا تبقى سكالا معبرة دون معاقبة مستدعيي جافا.

الحواف الحادة التي لا تزال تظهر للفرق

يظهر احتكاك التوافق في بعض الأماكن المتكررة:

• قابلية الفراغ (Nullability): واجهات جافا كثيرًا ما تُعيد null، بينما سكالا تفضل Option. قرِّر أين تُحوَّل الحدود.
• المجموعات: التحويل بين مجموعات جافا وسكالا يمكن أن يكون مزعجًا وغالبًا مكلفًا إذا تكرر.
• الاستثناءات المفحوصة: سكالا لا تفرضها، مما قد يخفي أوضاع فشل كانت جافا تتوقعها.

نصيحة عملية لقاعدة كود مختلطة

اجعل الحدود صريحة: حوّل null إلى Option عند الحافة، ركّز تحويلات المجموعات، ووثق سلوك الاستثناءات. إذا كنت تدخل سكالا في منتج قائم، ابدأ بوحدات طرفية (أدوات، تحويلات بيانات) ثم تقدم للداخل. وعند الشك، فضّل الوضوح على العبقرية—التوافق هو المكان الذي يدفع فيه "البساطة" عائدها يوميًا.

عادةً ما تُستخدم الإمبليستس مع عادة عملية: إبقاؤها قابلة للاكتشاف (أسماء ووثائق جيدة)، محلية (استيراد صريح)، وغير مُفاجئة.

الترحيل عادةً ما يكون أقل عن إعادة كتابة المنطق و أكثر عن ضبط أدوات البناء، الإضافات، وحالات الحافة خاصةً في الكود الذي يستخدم الماكروز أو سلاسل ضمنية معقدة.