بنى المعطيات للمبتدئين

ما بنية المعطيات، ولماذا يهم اختيارها؟

بنية المعطيات هي الشكل الذي تحفظ فيه عدة أشياء معا. يبدو هذا بسيطا حتى الآن، وبساطته هي بالضبط سبب عدم الانتباه إلى أهميته: فأغلب المبتدئين يظنون أن الاختيار بين هذه الأشكال مسألة ذوق، لأن أيا منها يستطيع حفظ المعطيات نفسها.

وأي منها يستطيع ذلك فعلا. فمئة اسم يمكن وضعها في قائمة، أو في قاموس، أو في مجموعة. والفرق في موضع آخر: كل شكل يجيب عن سؤال واحد بثمن رخيص وعن كل سؤال سواه بثمن باهظ.

وهذه هي القاعدة التي تأخذها من هذا الدرس. حين تقرر في أي شكل تحفظ المعطيات، لا تنظر إلى المعطيات نفسها؛ انظر إلى السؤال الذي ستطرحه عليها لاحقا. فـ«أي عضو هو الثالث» سؤال، و«ما قيمة هذا المفتاح» سؤال آخر، و«هل هذا الشيء موجود هنا أصلا» سؤال ثالث. ثلاثة أسئلة، ثلاثة أشكال.

ولكي يكون توقعك صحيحا: الاختيار الخاطئ لا يكسر البرنامج عادة. البرنامج يعمل، لكن شفرتك تضطر إلى عمل كثير لطرح سؤال بسيط، وذلك العمل الزائد يظهر حين تكبر المعطيات أو حين يُضاف إليها شيء. والقسم الأخير من هذا الدرس مثال حقيقي على هذا بالضبط.

القائمة: حين يكون الترتيب نفسه معلومة

القائمة عدة أشياء واحدا تلو الآخر مع حفظ ترتيبها. وحفظ الترتيب هذا هو الشيء الوحيد الذي يفصل القائمة عن غيرها، وهو أهم مما يبدو.

prices = [12000, 8000, 15000]

prices.append(9000)
print(prices[0])
print(len(prices))

لكل عضو رقم يسمى الفهرس، والأرقام تبدأ من الصفر لا من الواحد. إذن prices[0] هو السعر الأول. وللبدء من الصفر سبب تاريخي وهو نفسه في كل اللغات الحديثة تقريبا، ولهذا أيضا هو مصدر خطأ الواحد الذي رأيته في درس الشروط والحلقات.

والقائمة صحيحة حين يحمل الترتيب معنى: خطوات مهمة، ونتائج بحث حسب الرتبة، ورسائل محادثة. وفي كل هذه، تبديل عضوين يغير المعنى، وهذه هي العلامة على أن القائمة هي الاختيار الصحيح.

وخاصية تبدو ميزة في أول نظرة ثم تصير كلفة: فهرس العضو ليس ثابتا. فإن حذفت العضو الأول تقدم كل عضو بعده مرتبة وأخذ فهرسا جديدا. أي أن «العضو رقم ثلاثة» لا يقول شيئا عن ذلك العضو؛ بل يقول أين يقف في القائمة الآن فقط. وإن كنت قد حفظت ذلك الرقم في مكان ما لتستعمله لاحقا، فقد بنيت للتو خللا لم يقع بعد.

القاموس: حين يحل المفتاح محل الرقم

القاموس أزواج من مفتاح وقيمة. فبدل أن تجد شيئا برقمه، تجده باسمه. وتسميه اللغات المختلفة بأسماء مختلفة، لكن الفكرة واحدة.

user = {"name": "sara", "city": "shiraz"}

print(user["city"])
user["city"] = "tabriz"

وإليك الفرق المهم الذي يُتخطى عادة: حين تكتب user["city"]، لا يبحث البرنامج داخل القاموس. بل يذهب مباشرة إلى الموضع الصحيح. ولو كنت قد حفظت المعطيات نفسها في قائمة من الأزواج، لكان إيجاد المدينة يعني قراءة القائمة كلها من أولها حتى تصل إلى الزوج الذي مفتاحه المدينة.

وعلى ثلاثة أعضاء لا يظهر هذا الفرق. أما على ثلاثة آلاف عضو، وخصوصا حين يقع ذلك البحث داخل حلقة، فهو بالضبط ما يجعل صفحة بطيئة. وأغلب الشفرات البطيئة التي رأيناها في مواقع العملاء من هذا النوع تحديدا: بحث خطي داخل حلقة، حيث كان مفتاح واحد يكفي.

وخاصية ثانية لا تقل أهمية: المفتاح لا يتغير. فخلافا لفهرس القائمة الذي ينزاح مع الإضافة والحذف، يبقى المفتاح هو المفتاح. وإن كنت تحتاج العودة لاحقا إلى عضو بعينه، فهذه هي الخاصية الوحيدة التي تحتاجها فعلا، والقسم الأخير من هذا الدرس يبين كم هذا جاد عمليا.

المجموعة: حين تريد فقط أن تعرف هل هو موجود

المجموعة عدة أشياء فريدة بلا ترتيب محدد. تؤدي عملين بإتقان شديد ولا تؤدي غيرهما إطلاقا: تحذف المكرر، وتجيب بسرعة هل شيء ما موجود بداخلها.

tags = {"seo", "speed", "seo"}

print(len(tags))
print("seo" in tags)

السطر الثالث يطبع اثنين لا ثلاثة، لأن المكرر حُذف لحظة دخوله. وهذا السلوك هو ما يجعل المجموعة مفيدة، وهو أيضا ما يقلص معطياتك بصمت إن لم تنتبه؛ فإن كانت التكرارات تعني لك شيئا، فالمجموعة شكل خاطئ.

وإليك مثالا من العالم الحقيقي، من شفرة هذا الموقع نفسه. فلغة PHP لا تملك نوع معطيات اسمه مجموعة إطلاقا. ولذلك حين نحتاج واحدة، نبنيها من مصفوفة مفاتيحها هي الأشياء التي نريد تتبعها وقيمها لا تهم مطلقا:

$used = array();

// ... داخل حلقة تبني معرِّفا لكل عنوان:
while ( isset( $used[ $id ] ) ) {
    $id = $base . '-' . $n++;
}
$used[ $id ] = true;

انظر إلى true تلك: لا تُقرأ في أي موضع من البرنامج. فالمخزَّن حقا هو المفتاح نفسه، أي «هذا المعرِّف مستعمل من قبل». وهذا بالضبط تعريف المجموعة، مبنيا من الأداة التي كانت متاحة. وسبب عدم صلاح القائمة هنا هو سبب القسم السابق نفسه: isset تذهب مباشرة إلى المفتاح، أما البحث عن معرِّف في قائمة معرِّفات فيعني قراءة القائمة كلها، وذلك داخل حلقة تُنفَّذ مرة لكل عنوان.

أيها يُستعمل أين؟

الأشكال الثلاثة أعلاه، إضافة إلى واحد لم يرد اسمه بعد وهو الصف المرتب، تغطي تقريبا كل ما تحتاجه في سنة أولى. والصف المرتب قائمة بفرق واحد: لا يمكن تغييره بعد بنائه. وهو يناسب أشياء لا ينبغي بطبيعتها أن تتغير، كزوج من خط العرض وخط الطول.

العمود الأخير هو أهم أعمدة هذا الجدول وما سواه شرح له. فإن لم تكن واثقا أيها تختار، فاكتب الجملة التي ستطرحها على هذه المعطيات لاحقا وانظر في أي صف تقع.

وموقف لا ينسجم مع الدروس المعتادة: في العمل اليومي على الويب، يظهر القاموس أكثر من القائمة ويُستعمل أقل مما ينبغي. فالمبتدئون يصبون كل شيء في قوائم لأن القائمة أول ما تعلموه، ثم يدورون عليها بحلقة ليجدوا عضوا واحدا. فإن غيّرت هذه العادة وحدها، لن يُكتب أصلا جزء كبير من الشفرات البطيئة التي كنت ستكتبها لاحقا.

قرار حقيقي: لماذا ليس سجل نشر هذه الدروس قائمة

قسم التعلم الذي تقرؤه الآن ينشر دروسه واحدا واحدا وفق جدول: ثلاثة دروس يوميا، بالتناوب بين ستة عشر مسارا. وترتيب هذه الأدوار لا يُخزَّن؛ بل يُعاد حسابه من الدروس نفسها في كل مرة.

وهنا بالضبط تكمن مشكلة حقيقية. فحين يُملأ مسار كان فارغا، تجلس دروسه الجديدة في وسط الصف ويتقدم موضع كل درس بعدها مرتبة واحدة. تخيل الآن أن السجل الذي يقول ماذا نُشر كان قائمة مواضع، أو حتى مجرد رقم يقول إن الخمسة الأولى قد خرجت. فالدرس المنشور أمس، بعد إعادة ترتيب اليوم، لم يعد ضمن الخمسة الأولى؛ فيسقط من القائمة وتصير صفحته ٤٠٤ للزائر.

لذلك فالسجل قاموس. مفتاحه عنوان الدرس نفسه وقيمته لحظة خروجه أول مرة. ويوم مراجعة هذا الدرس كان يحمل خمسة مفاتيح، أولها هذا:

'seo/how-search-engines-work' => 1788539040

والآن مهما تغير الصف، يبقى هذا المفتاح في موضعه، لأن المفتاح لم يكن يوما موضعا في الصف؛ بل كان اسم الدرس نفسه. والحكاية كلها في جملة: القائمة تجيب عما يوجد في الموضع الثالث، والقاموس يجيب متى خرج هذا الدرس بعينه. والسؤال الثاني وحده هو الذي يبقى ذا معنى حين يُعاد بناء الصف.

وهذا ما قاله القسم الأول من هذا الدرس، لكن هذه المرة على صفحة حقيقية: الاختيار الخاطئ ما كان ليكسر البرنامج. كان البرنامج سيعمل، وكانت بضع صفحات منشورة ستختفي بلا صوت في صباح ما.