الاقتران (برمجة الحاسوب).

في هندسة البرمجيات، الاقتران (coupling) هو درجة الاعتماد المتبادل بين موديولات البرمجيات، وهو مقياس لمدى ارتباط روتينين أو موديولين بشكل وثيق، وقوة العلاقات بين الموديولات. والاقتران ليس ثنائياً بل هو متعدد الأبعاد.

عادة ما يُقارن الاقتران بـ التماسك (cohesion). وغالباً ما يرتبط الاقتران المنخفض (Low coupling) بالتماسك العالي، والعكس صحيح. وغالباً ما يُنظر إلى الاقتران المنخفض على أنه علامة على نظام حاسوبي جيد الهيكلة وتصميم جيد، وعندما يجتمع مع التماسك العالي، فإنه يدعم الأهداف العامة المتمثلة في سهولة قراءة الكود وقابلية الصيانة.

تم ابتكار مقاييس جودة البرمجيات الخاصة بالاقتران والتماسك من قبل لاري كونستانتين في أواخر الستينيات كجزء من التصميم المهيكل، استناداً إلى خصائص ممارسات البرمجة "الجيدة" التي قللت من تكاليف الصيانة والتعديل. ونُشر التصميم المهيكل، بما في ذلك التماسك والاقتران، في مقال Stevens, Myers & Constantine (1974) وكتاب Yourdon & Constantine (1979)، وأصبح الأخيران لاحقاً من المصطلحات القياسية.

الاقتران والتماسك (cohesion) مصطلحان يظهران معاً بشكل متكرر جداً. يشير الاقتران إلى الاعتمادات المتبادلة بين الموديولات، بينما يصف التماسك مدى ارتباط الوظائف داخل موديول واحد. ويعني التماسك المنخفض أن موديولاً معيناً يؤدي مهاماً ليست مرتبطة ببعضها البعض كثيراً، وبالتالي يمكن أن يخلق مشاكل عندما يصبح الموديول كبيراً.

يمكن أن يكون الاقتران "منخفضاً" (يُسمى أيضاً "مرناً" وضعيفاً) أو "عالياً" (يُسمى أيضاً "وثيقاً" وقوياً). وتأتي بعض أنواع الاقتران، مرتبة من الأعلى إلى الأدنى اقتراناً، على النحو التالي:

يشير الموديول هنا إلى روتين فرعي من أي نوع، أي مجموعة من جملة برمجية واحدة أو أكثر لها اسم ويفضل أن يكون لها مجموعتها الخاصة من أسماء المتغيرات.

الاقتران بالمحتوى Content coupling (عالٍ)

يحدث الاقتران بالمحتوى عندما يستخدم موديول كود موديول آخر، مثل فرع (branch) برميجي. هذا ينتهك مبدأ إخفاء المعلومات (information hiding) – وهو مفهوم أساسي في تصميم البرمجيات.

الاقتران المشترك Common coupling

يحدث الاقتران المشترك عندما يكون لعدة موديولات إمكانية الوصول إلى نفس البيانات العامة (global data). ولكن يمكن أن يؤدي ذلك إلى انتشار غير منضبط للأخطاء وآثار جانبية غير متوقعة عند إجراء التغييرات.

الاقتران الخارجي External coupling

يحدث الاقتران الخارجي عندما يشترك موديولان في تنسيق بيانات مفروض خارجياً، أو بروتوكول اتصالات، أو واجهة جهاز. ويرتبط هذا أساساً بالاتصال بالأدوات والأجهزة الخارجية.

الاقتران بالتحكم Control coupling

الاقتران بالتحكم هو تحكم موديول واحد في تدفق موديول آخر، عن طريق تمرير معلومات إليه حول ما يجب القيام به (مثل تمرير علم يحدد الإجراء المطلوب).

الاقتران بالوسم Stamp coupling (اقتران هيكل البيانات)

يحدث الاقتران بالوسم عندما تشترك الموديولات في هيكل بيانات مركب وتستخدم أجزاءً منه فقط، وربما أجزاءً مختلفة (مثل تمرير سجل كامل إلى دالة تحتاج فقط إلى حقل واحد منه).

في هذه الحالة، قد يؤدي التعديل في حقل لا يحتاجه الموديول إلى تغيير طريقة قراءة الموديول للسجل. ولتوضيح مفهوم الاقتران بالوسم، ضع في اعتبارك سيناريو يتضمن مكون ملف المستخدم UserProfile. تم تصميم هذا المكون لإرجاع معلومات ملف تعريف المستخدم بأكملها استجابة لـ الطلبات، حتى عندما يطلب المستخدمون فقط خاصية (attribute) محددة. يمثل هذا السلوك اقتراناً بالوسم، والذي يمكن أن يؤدي إلى مشاكل كبيرة في عرض النطاق الترددي (bandwidth)، خاصة عند العمل على نطاق واسع. وعندما تتغير أي خاصية داخل مكون UserProfile، فقد يحتاج جميع المستهلكين الذين يتفاعلون معه إلى الخضوع لـ اختبار، حتى لو لم يستخدموا الخاصية المعدلة.

الاقتران بالبيانات Data coupling

يحدث الاقتران بالبيانات عندما تشترك الموديولات في البيانات من خلال المعاملات، على سبيل المثال. وتكون كل معلومة عبارة عن عنصر أساسي بسيط، وهذه هي البيانات الوحيدة المشتركة (مثل تمرير عدد صحيح إلى دالة تحسب الجذر التربيعي).

اقتران الفئات الفرعية Subclass coupling

يصف العلاقة بين الفئة الابن والفئة الأب. يرتبط الابن بالأب، ولكن الأب غير مرتبط بالابن.

الاقتران الزمني Temporal coupling

يحدث عندما يتم دمج إجراءين معاً في موديول واحد لمجرد أنهما يحدثان في نفس الوقت بالصدفة.

في الأعمال الحديثة، تم التحقيق في مفاهيم اقتران مختلفة أخرى واستخدامها كمؤشرات لمبادئ تقسيم الموديولات المختلفة المستخدمة في الممارسة العملية.

الهدف من تعريف وقياس هذا النوع من الاقتران هو توفير تقييم لوقت تشغيل نظام البرمجيات. وقد قيل إن مقاييس الاقتران الساكنة تفقد الدقة عند التعامل مع استخدام مكثف للربط الديناميكي أو الوراثة. وفي محاولة لحل هذه المشكلة، تم أخذ قياسات الاقتران الديناميكي في الاعتبار.

يأخذ هذا النوع من مقاييس الاقتران في الاعتبار التشابه المفاهيمي بين الكيانات البرمجية باستخدام التعليقات والمعرفات والاعتماد على تقنيات مثل الفهرسة الدلالية الكامنة (LSI).

يستغل تحليل الاقتران المنطقي (أو الاقتران التطوري أو اقتران التغيير) تاريخ إصدارات نظام البرمجيات للعثور على أنماط التغيير بين الموديولات أو الفئات: على سبيل المثال، الكيانات التي يُرجح تغييرها معاً أو سلاسل التغييرات (تغيير في الفئة A يتبعه دائماً تغيير في الفئة B).

وفقاً لغريغور هوب، فإن الاقتران متعدد الأبعاد:

• الاعتماد على التكنولوجيا
• الاعتماد على الموقع
• الاعتماد على الهيكلية (Topology)
• الاعتماد على نوع وتنسيق البيانات
• الاعتماد الدلالي
• الاعتماد على المحادثة
• الاعتماد على الترتيب
• الاعتماد الزمني

تميل الأنظمة ذات الاقتران الوثيق إلى إظهار الخصائص التطويرية التالية، والتي غالباً ما يُنظر إليها على أنها عيوب:

1. يؤدي التغيير في موديول واحد عادةً إلى فرض تأثير تموجي ripple effect للتغييرات في موديولات أخرى.
2. قد يتطلب تجميع الموديولات مزيداً من الجهد و/أو الوقت بسبب زيادة الاعتماد المتبادل بين الموديولات.
3. قد يكون من الأصعب إعادة استخدام موديول معين و/أو اختباره لأن الموديولات المعتمد عليها يجب تضمينها.

سواء كان الاقتران مرناً أو وثيقاً، فإن أداء النظام غالباً ما ينخفض بسبب إنشاء الرسائل والمعاملات، وإرسالها، وترجمتها (مثل marshaling) وتفسير الرسائل (والتي قد تكون مرجعاً لسلسلة نصية أو مصفوفة أو هيكل بيانات)، والتي تتطلب حملاً إضافياً أقل من إنشاء رسالة معقدة مثل رسالة SOAP. وتتطلب الرسائل الأطول المزيد من وحدة المعالجة المركزية (CPU) والذاكرة لإنتاجها. ولتحسين أداء وقت التشغيل، يجب تقليل طول الرسالة وزيادة معنى الرسالة إلى أقصى حد.

حمل إرسال الرسائل والأداء

نظراً لأنه يجب إرسال الرسالة بالكامل للاحتفاظ بمعناها الكامل، يجب تحسين إرسال الرسالة. وتتطلب الرسائل الأطول المزيد من المعالج والذاكرة لإرسالها واستقبالها. وأيضاً، عند الضرورة، يجب على المستلمين إعادة تجميع الرسالة إلى حالتها الأصلية لاستلامها بالكامل. وبالتالي، لتحسين أداء وقت التشغيل، يجب تقليل طول الرسالة وزيادة معنى الرسالة إلى أقصى حد.

حمل ترجمة الرسائل والأداء

غالباً ما تحتوي بروتوكولات الرسائل والرسائل نفسها على معلومات إضافية (أي معلومات الحزمة والهيكل والتعريف واللغة). وبالتالي، غالباً ما يحتاج المستلم إلى ترجمة الرسالة إلى شكل أكثر دقة عن طريق إزالة الأحرف الإضافية ومعلومات الهيكل و/أو تحويل القيم من نوع إلى آخر. ويزيد أي نوع من الترجمة من حمل المعالج و/أو الذاكرة. ولتحسين أداء وقت التشغيل، يجب تقليل شكل ومحتوى الرسالة وتنقيته لزيادة معناها وتقليل الترجمة.

حمل تفسير الرسائل والأداء

يجب تفسير جميع الرسائل من قبل المستلم. وقد لا تتطلب الرسائل البسيطة مثل الأعداد الصحيحة معالجة إضافية لتفسيرها. ومع ذلك، تتطلب الرسائل المعقدة مثل رسائل SOAP محللاً ومحولاً للسلاسل النصية لكي تظهر المعاني المقصودة منها. ولتحسين أداء وقت التشغيل، يجب تنقية الرسائل وتقليلها لتقليل حمل التفسير.

أحد المناهج لتقليل الاقتران هو التصميم الوظيفي (functional design)، الذي يسعى إلى تحديد مسؤوليات الموديولات على طول الوظائف. ويزداد الاقتران بين فئتين A و B إذا كان:

• لدى A خاصية تشير إلى (هي من نوع) B.
• تقوم A باستدعاء خدمات كائن B.
• لدى A دالة تشير إلى B (عبر نوع الإرجاع أو المعامل).
• A هي فئة فرعية من الفئة B (أو تطبقها).

يشير الاقتران المنخفض إلى علاقة يتفاعل فيها موديول مع موديول آخر من خلال واجهة بسيطة ومستقرة ولا يحتاج إلى الاهتمام بالتطبيق الداخلي للموديول الآخر (انظر إخفاء المعلومات).

تسمح أنظمة مثل CORBA أو COM للكائنات بالاتصال مع بعضها البعض دون الحاجة إلى معرفة أي شيء عن تطبيق الكائن الآخر. ويسمح كلا النظامين للكائنات بالاتصال بالكائنات المكتوبة بلغات أخرى.

يصف الاقتران درجة وطبيعة الاعتماد بين المكونات البرمجية، مع التركيز على ما تشترك فيه (مثل البيانات وتدفق التحكم والتكنولوجيا) ومدى ارتباطها الوثيق. ويقيم بعدين رئيسيين: القوة، التي تقيس مدى صعوبة تغيير الاعتمادية، والنطاق (أو الرؤية)، الذي يشير إلى مدى كشف الاعتمادية عبر الموديولات أو الحدود. وتشمل أنواع الاقتران التقليدية عادة الاقتران بالمحتوى، والاقتران المشترك، والاقتران بالتحكم، والاقتران بالوسم، والاقتران الخارجي، والاقتران بالبيانات.

يوفر مفهوم التلازم (Connascence)، الذي قدمه ميلير بيج-جونز، إطاراً منهجياً لتحليل وقياس اعتمادات الاقتران. وهو يقيم الاعتمادات بناءً على ثلاثة أبعاد: القوة، التي تقيس الجهد المطلوب لإعادة هيكلة أو تعديل الاعتمادية؛ والمحلية (locality)، التي تأخذ في الاعتبار مدى قرب المكونات المعتمدة فيزيائياً أو منطقياً في قاعدة الكود؛ والدرجة، التي تقيس عدد المكونات المتأثرة بالاعتمادية. ويمكن تصنيف التلازم إلى أشكال ساكنة (يمكن اكتشافها في وقت التجميع) وديناميكية (يمكن اكتشافها في وقت التشغيل). ويشير التلازم الساكن إلى اعتمادات وقت التجميع، مثل توقيعات الأساليب، بينما يشير التلازم الديناميكي إلى اعتمادات وقت التشغيل، والتي يمكن أن تظهر في أشكال مثل التلازم في التوقيت أو القيم أو الخوارزمية.

ويمكن أن يظهر كل نوع من أنواع الاقتران أنواعاً متعددة من التلازم، أو نوعاً معيناً، أو في حالات نادرة، لا يظهر أي منها على الإطلاق، اعتماداً على كيفية تنفيذ الاعتمادية. وتشمل الأنواع الشائعة للتلازم التلازم في الاسم والنوع والموضع والمعنى. وتتوافق أنواع معينة من الاقتران بشكل طبيعي مع أنواع تلازم معينة؛ على سبيل المثال، غالباً ما يتضمن الاقتران بالبيانات تلازماً في الاسم أو النوع. ومع ذلك، ليس كل مزيج من الاقتران والتلازم ذا معنى عملي. وتُظهر الاعتمادات التي تعتمد على ترتيب المعاملات في توقيع دالة تلازماً في الموضع، وهو أمر هش ويصعب إعادة هيكلته لأن إعادة ترتيب المعاملات يكسر الواجهة. وفي المقابل، فإن التلازم في الاسم، الذي يعتمد على أسماء الحقول أو المعاملات، يكون عموماً أكثر مرونة في التغيير. وتُظهر أنواع التلازم نفسها تسلسلاً هرمياً طبيعياً للقوة، حيث يُعتبر التلازم في الاسم عموماً أضعف من التلازم في المعنى.

وعادة ما تكون للاعتمادات التي تمتد عبر حدود الموديولات أو الأنظمة الموزعة تكاليف تنسيق أعلى، مما يزيد من صعوبة إعادة الهيكلة ونشر التغييرات عبر الحدود البعيدة. وغالباً ما يتم استخدام الممارسات الحديثة، مثل حقن التبعية (dependency injection) والبرمجة القائمة على الواجهات، لتقليل قوة الاقتران وتحسين إمكانية صيانة الاعتمادات.

بينما يحدد الاقتران ما يتم مشاركته بين المكونات، فإن التلازم يقيم كيفية سلوك تلك الاعتمادات، وكيفية انتشار التغييرات، ومدى صعوبة إعادة هيكلتها. فالقوة والمحلية والدرجة مترابطة؛ وتكون الاعتمادات ذات القوة العالية والنطاق الواسع والتي تمتد عبر حدود بعيدة أصعب بكثير في إعادة الهيكلة والصيانة. ومعاً، يوفر الاقتران نظرة عامة عالية المستوى على علاقات الاعتماد، بينما يوفر التلازم إطاراً دقيقاً لتحليل قوة الاعتماد والمحلية والدرجة والمرونة في التغيير، مما يدعم تصميم أنظمة قابلة للصيانة وقوية.

يصف الاقتران في هندسة البرمجيات نسخة من المقاييس المرتبطة بهذا المفهوم.

لاقتران البيانات وتدفق التحكم:

• ${\displaystyle d_{i}}$: عدد معاملات البيانات المدخلة
• ${\displaystyle c_{i}}$: عدد معاملات التحكم المدخلة
• ${\displaystyle d_{o}}$: عدد معاملات البيانات المخرجة
• ${\displaystyle c_{o}}$: عدد معاملات التحكم المخرجة

للاقتران العالمي:

• ${\displaystyle g_{d}}$: عدد المتغيرات العامة المستخدمة كبيانات
• ${\displaystyle g_{c}}$: عدد المتغيرات العامة المستخدمة كتحكم

للاقتران البيئي:

• ${\displaystyle w}$: عدد الموديولات المستدعاة (fan-out)
• ${\displaystyle r}$: عدد الموديولات التي تستدعي الموديول قيد الدراسة (fan-in)

${\displaystyle \mathrm {Coupling} (C)=1-{\frac {1}{d_{i}+2\times c_{i}+d_{o}+2\times c_{o}+g_{d}+2\times g_{c}+w+r}}}$

المقياس Coupling(C) يجعل القيمة أكبر كلما زاد اقتران الموديول. وتتراوح هذه القيمة من حوالي 0.67 (اقتران منخفض) إلى 1.0 (اقتران عالٍ)

على سبيل المثال، إذا كان للموديول معامل بيانات مدخل ومخرج واحد فقط

${\displaystyle C=1-{\frac {1}{1+0+1+0+0+0+1+0}}=1-{\frac {1}{3}}=0.67}$

وإذا كان للموديول 5 معاملات بيانات مدخلة ومخرجة، وعدد مماثل من معاملات التحكم، ويصل إلى 10 عناصر من البيانات العامة، مع fan-in بقيمة 3 و fan-out بقيمة 4،

${\displaystyle C=1-{\frac {1}{5+2\times 5+5+2\times 5+10+0+3+4}}=0.98}$