أهلاً بكم أيها المتعلمون الصغار! سنتعلم اليوم عن هياكل التحكم في برمجة الحاسوب. هياكل التحكم بمثابة إشارات الطريق لبرنامج الحاسوب، فهي تُرشده إلى الطريق الصحيح والخطوات التالية. وكما تتبعون القواعد في المنزل أو المدرسة، يتبع الحاسوب هياكل التحكم عند تشغيل برنامج.
هيكل التحكم هو مجموعة من التعليمات التي تُرشد الحاسوب إلى كيفية الاختيار بين خطوات مختلفة عند تنفيذ برنامج. ويُقرر ما إذا كان ينبغي على الحاسوب الاستمرار بنفس الترتيب أو اتخاذ قرار بتنفيذ شيء مختلف.
تخيل أنك تتبع وصفة. توضح لك الوصفة كل خطوة: أولًا، اخلط الدقيق والماء؛ ثم أضف بيضة؛ ثم قلّب؛ وأخيرًا، اخبز الخليط. في الحاسوب، تعمل هياكل التحكم بطريقة مشابهة. فهي تساعد الحاسوب على معرفة التعليمات التالية والقرار الذي يجب اتخاذه عند وجود خيارات.
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من هياكل التحكم التي ستتعلمها اليوم. وهي:
تُملي هياكل التحكم المتسلسلة على الحاسوب اتباع التعليمات واحدة تلو الأخرى بترتيب ثابت. لا يتطلب التحكم المتسلسلة اتخاذ أي قرار، فكل خطوة تتم على التوالي، تمامًا كما هو الحال عند اتباع مجموعة بسيطة من التوجيهات.
على سبيل المثال، فكر في روتينك الصباحي اليومي:
يحدث كل نشاط تلو الآخر بترتيب واضح. في البرمجة، يُسمى هذا التنفيذ التسلسلي . يقرأ الحاسوب التعليمة الأولى، ثم الثانية، ثم الثالثة.
إذا فكرنا في برنامج وهمي بسيط لصنع شطيرة، فقد يبدو مثل هذا:
الخطوة 1: خذ شريحتين من الخبز.
الخطوة الثانية: وزعي الزبدة على شريحة واحدة.
الخطوة 3: ضع الجبن فوق الزبدة.
الخطوة الرابعة: ضع الشريحتين معًا. استمتع بشطيرتك!
تمامًا مثل الساندويتش الذي تصنعه، يقوم الكمبيوتر بتنفيذ التعليمات واحدة تلو الأخرى.
تُمكّن هياكل التحكم في الاختيار الحاسوب من اتخاذ القرارات. تعمل هذه الهياكل كطريقٍ مُفترق أو ككتاب "اختر مغامرتك بنفسك". ينظر الحاسوب إلى حالةٍ أو قاعدةٍ ما، ثم يُقرر المسار الذي سيتبعه.
على سبيل المثال، فكّر في اختيار ملابسك في الصباح. قد تقرر: "إذا كان الجو ممطرًا، فسأرتدي معطفًا واقيًا من المطر. وإذا كان الجو مشمسًا، فسأرتدي قميصًا". هذا القرار يساعدك على الاستعداد للطقس. في البرمجة، يستخدم الحاسوب عبارات if و else if و else لاتخاذ القرارات.
يبدو مثال بسيط يشبه الكود باللغة العادية على النحو التالي:
إذا كان الجو ممطرًا، اطبع "خذ معك مظلة".
وإلا ، اطبع "لا حاجة للمظلة".
هذا يعني: إذا كان الشرط (المطر) صحيحًا، فقم بالإجراء (استخدم مظلة). وإلا، فقم بالإجراء الآخر.
لنأخذ مثالاً آخر. تخيّل أنك تلعب لعبة، وهناك قاعدة تقول: "إذا أحرزت 10 نقاط، فأنت فائز!". هذه القاعدة أشبه بنظام تحكم في الاختيار. تتحقق اللعبة مما إذا كانت نقاطك تساوي 10. إذا كانت الإجابة بنعم، تُعلن فوزك. أما إذا لم تكن كذلك، فتستمر اللعبة.
تساعد هياكل الاختيار الحواسيب على التعامل مع القرارات التي لا تتضمن سوى عدد قليل من الإجابات المحتملة. فهي تُخبر الحاسوب: "افعل هذا إذا كان صحيحًا، وإذا لم يكن كذلك، فافعل شيئًا آخر".
تُملي هياكل التحكم بالتكرار على الحاسوب تنفيذ أمر ما مرارًا وتكرارًا. يُعرف هذا بالتكرار الحلقي أو تكرار الإجراءات. عند الحاجة إلى تكرار مهمة ما عدة مرات، يُستخدم التكرار.
تخيل أنك تحسب عدد التفاحات في سلة. قد تعد: ١، ٢، ٣، ٤، ٥، وهكذا. تبدأ برقم واحد وتستمر بالعد حتى تصل إلى النهاية. هذا يشبه استخدام الحاسوب للحلقات.
هناك نوعان شائعان من الحلقات في البرمجة:
تُستخدم حلقة "for" لمعرفة عدد المرات التي تريد تكرار أمر ما. على سبيل المثال، إذا أردت غناء نفس السطر من أغنية خمس مرات، يمكنك استخدام حلقة "for":
بالنسبة لـ (عد من 1 إلى 5) قم بغناء السطر: "عيد ميلاد سعيد!"
سيظهر الكمبيوتر عبارة "عيد ميلاد سعيد!" خمس مرات لأنه يكرر الخطوة خمس مرات.
تُستخدم حلقة while عندما يُفترض بالحاسوب أن يُكرر عملية ما طالما تحقق الشرط. على سبيل المثال، إذا كنت تُنفخ بالونًا، فقد تُواصل النفخ حتى يصبح كبيرًا بما يكفي. قد تكون القاعدة: "ما دام البالون صغيرًا، استمر في نفخ الهواء فيه".
هذا يشبه قول: بينما (البالون صغير)، استمر بالنفخ. عندما يصبح البالون كبيرًا بما يكفي، أوقف الحلقة.
إليك مثال بسيط آخر باستخدام فكرة الحلقة: تخيّل أنك تحب التصفيق بيديك. قررت أن تصفق بيديك حتى تصفق 10 مرات. يمكنك أن تقول: كرّر "صفّق" 10 مرات. في أحد البرامج، سيحسب الحاسوب كل تصفيق ويتوقف عند الوصول إلى 10 تصفيقات.
هياكل التحكم بالغة الأهمية في البرمجة. فهي تساعد على تنظيم مهام البرنامج لضمان عمله بشكل صحيح. بدونها، لن يتمكن الحاسوب من اتخاذ القرارات أو تكرار الإجراءات.
وفيما يلي بعض الأسباب التي تجعل هياكل الرقابة مهمة:
دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة من الحياة اليومية التي تعكس هياكل التحكم في البرمجة.
مثال على التحكم المتسلسل:
تخيل أنك تستعد للمدرسة. أولًا، تستيقظ. ثم تغسل وجهك. بعد ذلك، ترتدي ملابسك. وأخيرًا، تتناول فطورك. هذه سلسلة من الإجراءات التي تنفذها واحدة تلو الأخرى. في برمجة الحاسوب، يُستخدم التحكم التسلسلي عند اتباع كل تعليمة دون شروط.
مثال على التحكم في الاختيار:
فكّر في القرار الذي تتخذه عند اختيار ملابسك. إذا كان الجو باردًا، ترتدي سترة دافئة. إذا كان الجو حارًا، ترتدي قميصًا. عملية اتخاذ القرار هذه تشبه استخدام الحاسوب لعبارة "إذا". يتحقق الحاسوب من حالة الطقس (الحالة)، ثم يختار الملابس المناسبة (الإجراء).
مثال على التحكم بالتكرار:
تخيّل نفسك تقوم بمهمة، كترتيب ألعابك مثلاً. قد يكون لديك العديد من الألعاب التي عليك التقاطها. بدلاً من التفكير في كل لعبة على حدة، كرّر نفس العملية: التقط لعبة، وضعها في صندوق الألعاب، ثم انتقل إلى اللعبة التالية حتى تُلتقط جميعها. هذا تكرارٌ مستمر، تماماً مثل حلقة البرمجة.
أحيانًا، يمكن وضع هياكل التحكم داخل بعضها البعض. يُسمى هذا هيكل التحكم المتداخل . يحدث هذا عندما يكون قرار أو حلقة داخل قرار أو حلقة أخرى. تخيّل لعبةً تتخذ فيها خيارات على عدة خطوات. على سبيل المثال، قد تقرر أولًا الاتجاه يسارًا أو يمينًا. إذا اخترت اليسار، فقد تواجه خيارًا آخر: "هل تتسلق التل أم تدور حوله؟" كل خيار هو قرار صغير، وهو متداخل واحدًا تلو الآخر.
في البرمجة، يُمكّن التعشيش الحاسوب من التعامل مع مهام أكثر تعقيدًا. حتى لعبة أو تطبيق بسيط قد يحتوي على عدة طبقات من القرارات والحلقات. عندما تعمل هذه الطبقات معًا، يستطيع البرنامج اتخاذ قرارات أذكى وإنجاز مهام أكثر إثارة.
على سبيل المثال، تخيّل برنامجًا يساعدك في التخطيط لنزهة. قد يسألك البرنامج أولًا: "هل الطقس جميل؟" إذا كانت الإجابة بنعم، يسألك البرنامج بعد ذلك: "هل لديك ما يكفي من الطعام؟" إذا أجبت بنعم مرة أخرى، سيقول: "رائع! حان وقت النزهة!". إذا كانت أي من الإجابات لا، سيقترح عليك خطة أخرى. هذا التداخل في عملية اتخاذ القرارات يساعد الحاسوب على فهم خياراتك بشكل أفضل.
عند تشغيل برنامج حاسوب، فإنه يتبع التعليمات التي أعطيتها بترتيب محدد. لنفترض أن برنامجًا بسيطًا يعرض تحية على شاشة الحاسوب. قد يقوم البرنامج بما يلي:
الخطوة 1: بدء البرنامج.
الخطوة 2: التحقق من الوقت من اليوم.
الخطوة 3: إذا كان الوقت في الصباح، أظهر "صباح الخير!"
الخطوة 4: إذا كان الوقت في فترة ما بعد الظهر، أظهر "مساء الخير!"
الخطوة 5: إذا كان الوقت في المساء، أظهر "مساء الخير!"
الخطوة 6: إنهاء البرنامج.
في هذا البرنامج، يوجد تسلسل واضح. كما يوجد قرار بشأن ما يُعرض على الشاشة. يستخدم الحاسوب آلية تحكم في الاختيار (جمل if-else ) لاتخاذ هذا القرار.
تخيّل الآن أنك تلعب لعبة كمبيوتر بسيطة، حيث يتعين عليك جمع العملات. قد يستخدم البرنامج حلقةً للتحقق في كل مرة تجمع فيها عملةً واحدة. سيحسب عملاتك أثناء جمعها. عند جمع جميع العملات، تنتهي اللعبة. الحلقة هنا هي هيكل التحكم التكراري الذي يكرر عملية العد.
لا تقتصر استخدامات هياكل التحكم على التمارين المدرسية أو البرامج الصغيرة، بل تُستخدم في العديد من التطبيقات العملية التي نراها يوميًا. إليك بعض الأمثلة الشيقة:
تُظهر هذه الأمثلة أن هياكل التحكم موجودة في كل مكان! فهي تساعد الأجهزة والبرامج الحديثة على العمل بسلاسة قدر الإمكان، مما يجعل حياتنا أسهل وأكثر متعة.
لنكتب مثالاً بسيطاً على شبه الكود. شبه الكود هو طريقة لتخطيط البرامج باستخدام كلمات بسيطة تشبه الكود.
مثال: صانع قرار بسيط للوجبات الخفيفة
تخيل أنك تريد أن تقرر ما إذا كنت ستتناول تفاحة أم موزة كوجبة خفيفة. يمكنك كتابة القواعد كالتالي:
إذا كنت جائعًا وتريد شيئًا حلوًا، فاختر التفاح.
وإلا إذا كنت جائعًا وتريد شيئًا طريًا، فاختر الموز.
وإلا اجلس وفكر فيما تريد.
يخبر هذا الكود الزائف الحاسوب: تحقق أولًا مما إذا كنت تريد شيئًا حلوًا. إذا كان ذلك صحيحًا، فاختر تفاحة. وإلا، فتحقق من شيء آخر، مثل الموز. إذا لم يتطابق أي من الخيارات، فخذ لحظة لاتخاذ قرار.
قد يكون من المفيد التفكير في هياكل التحكم كخريطة. تخيّل خريطة كنز بسيطة. تحتوي الخريطة على مسار مُعلّم بخطوات مُرتبة. عندما تصل إلى مفترق طرق، تُرشدك الخريطة إلى الطريق الصحيح بناءً على دليل من الكنز. أحيانًا، تُرشدك الخريطة إلى اتباع نفس المسار عدة مرات حتى تصل إلى الكنز. جميع هذه التعليمات تُساعدك في العثور على الطريق الصحيح.
وبالمثل، يستخدم الحاسوب خطواتٍ متسلسلةً لاتباع الخريطة، والاختيار لاختيار المسار الصحيح عند المفترقات، والتكرار لتكرار المهام حتى الوصول إلى الهدف. باستخدام هياكل التحكم، يمكننا توجيه الحاسوب بدقةٍ إلى كيفية الوصول إلى "كنزه" - النتيجة الصحيحة.
دعونا نراجع الأفكار المهمة التي تعلمناها اليوم:
