چارچوب در برنامه‌نویسی و مهندسی چیست؟
در مهندسی نرم‌افزار و برنامه‌نویسی، چارچوب مجموعه‌ای از اجزای نرم‌افزاری قابل استفاده مجدد است که توسعه برنامه‌های جدید را کارآمدتر می‌کند. استفاده مجدد از توسعه و تحقیقات موجود، اصلی اساسی در تمام زمینه‌های مهندسی است. برای مثال، مهندسان برق از اجزای الکترونیکی موجود برای ساخت دستگاه‌های جدید استفاده می‌کنند. تولیدکنندگان قطعات از استاندارد‌ها و مشخصات از پیش تعیین‌شده پیروی می‌کنند تا قابلیت استفاده قطعات را تضمین کنند. به طور مشابه، چارچوب‌های نرم‌افزاری شامل ماژول‌های کد قابل استفاده مجدد بر اساس استاندارد‌ها و پروتکل‌های نرم‌افزاری خاص هستند. چارچوب‌ها همچنین ممکن است قوانین معماری نرم‌افزار یا فرآیندهای کسب‌وکار خاصی را تعریف و اعمال کنند تا برنامه‌های جدید به روشی استاندارد توسعه یابند.
مزایای استفاده از چارچوب‌های نرم‌افزاری چیست؟
چارچوب‌های نرم‌افزاری نحوه کار سنتی توسعه‌دهندگان در ساخت نرم‌افزار را تغییر می‌دهند. وقتی تیم‌ها و سازمان‌های نرم‌افزاری از چارچوب‌های برنامه‌نویسی استفاده می‌کنند، از چندین جهت سود می‌برند:
بهبود کیفیت کد
چارچوب‌های نرم‌افزاری شامل اجزای نرم‌افزاری هستند که با استاندارد برنامه‌نویسی بالا طراحی شده‌اند. توسعه‌دهندگان می‌توانند با اطمینان بالا از چارچوب نرم‌افزاری استفاده کنند، زیرا احتمال وجود باگ در کدهای زیربنایی کمتر است. علاوه بر این، چارچوب‌های نرم‌افزاری به گونه‌ای ساختار یافته‌اند که خوانایی کد را بهبود می‌بخشند. تیم‌های نرم‌افزاری می‌توانند با اشتراک‌گذاری درک مشترکی از جریان کاری نرم‌افزار که چارچوب آن را انتزاع می‌کند، به راحتی همکاری کنند.
کاهش زمان توسعه
چارچوب‌های نرم‌افزاری کارایی برنامه‌نویسی را بهبود می‌بخشند و سازمان‌ها می‌توانند از آن‌ها برای انتشار سریع‌تر برنامه‌های کاربردی استفاده کنند. با یک چارچوب نرم‌افزاری خوب، توسعه‌دهندگان می‌توانند روی نوشتن کد سطح بالا که منطق کسب‌وکار را مدیریت می‌کند تمرکز کنند، به جای ماژول‌های کد پایه‌ای. برای مثال، توسعه‌دهندگان می‌توانند از یک چارچوب منبع باز برای دسترسی به پایگاه داده استفاده کنند و نرم‌افزار تجارت الکترونیک را بر روی آن توسعه دهند. علاوه بر این، چارچوب‌ها به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند از نوشتن کدهای زائد و تکراری که ممکن است برنامه‌ها را کند یا حجیم کنند، اجتناب کنند.
امنیت بهتر نرم‌افزار
با یک پایگاه کد گسترده‌تر، تشخیص و پاسخ به مسائل امنیتی کد برای توسعه‌دهندگان دشوار است. در مقابل، یک چارچوب نرم‌افزاری خوب شامل نقاط بررسی امنیتی آماده است که تقویت امنیت کد و داده‌ها را برای توسعه‌دهندگان آسان‌تر می‌کند.
بررسی کد کارآمد
قبل از انتشار یک برنامه، توسعه‌دهندگان کد را در چندین مرحله توسعه آزمایش می‌کنند. هر تابع نرم‌افزاری، API، ساختار داده و ماژول باید الزامات بررسی کد خاصی را برآورده کند. با استفاده از یک چارچوب، تیم‌های نرم‌افزاری می‌توانند برنامه‌های خود را با موارد آزمایشی جامع و پوشش کد اعتبارسنجی کنند. همچنین، توسعه‌دهندگان اشکال‌زدایی و رفع مشکلات کد را در یک چارچوب ساختارمند آسان‌تر می‌یابند.
انعطاف‌پذیری توسعه
توسعه‌دهندگان می‌توانند از چارچوب‌های نرم‌افزاری برای چابکی بیشتر در هنگام پیاده‌سازی تغییرات عمده نرم‌افزاری استفاده کنند. آن‌ها می‌توانند کد خاص پروژه را حفظ کنند در حالی که چارچوب‌های مختلفی را که با اهدافشان سازگار است، جایگزین کنند. این امر بازنویسی‌های کد موردنیاز توسعه‌دهندگان را کاهش می‌دهد. برای مثال، می‌توانید یک برنامه تشخیص تصویر را با جایگزینی چارچوب یادگیری ماشین موجود با یک چارچوب قوی‌تر ارتقا دهید.
چارچوب چگونه کار می‌کند؟
یک چارچوب مجموعه‌ای انعطاف‌پذیر از اجزای نرم‌افزاری را فراهم می‌کند که به توسعه‌دهندگان کمک می‌کند توسعه نرم‌افزار را تا استقرار تولیدی تسریع کنند. این شامل منابعی است که برای یک زبان برنامه‌نویسی ساخته شده‌اند، مانند APIها، کتابخانه‌های کد، اشکال‌زدا‌ها و کامپایلرها. برای مثال، Ruby on Rails یک چارچوب برنامه وب است که در زبان Ruby توسعه یافته است.
در ادامه اجزای رایج چارچوب توضیح داده شده است:
- APIها پروتکل‌هایی هستند که به نرم‌افزارهای مختلف اجازه می‌دهند در قالبی قابل فهم برای یکدیگر ارتباط برقرار کنند.
- کتابخانه‌های کد مجموعه‌ای از توابع نرم‌افزاری قابل استفاده مجدد هستند که توسعه‌دهندگان می‌توانند در کدهای خود جایگذاری کنند.
- کامپایلرها ابزارهای نرم‌افزاری هستند که توسعه‌دهندگان برای تبدیل کدهای منبع به فایل‌های برنامه قابل استقرار استفاده می‌کنند.
- اشکال‌زدا‌ها ابزارهایی هستند که به برنامه‌نویسان کمک می‌کنند اشتباهات را در کدها پیدا کرده و اصلاح کنند.
وارونگی کنترل (Inversion of Control – IoC)
توسعه‌دهندگان از اجزای یک چارچوب نرم‌افزاری به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای برنامه‌های خود استفاده می‌کنند. در حالی که چارچوب منابع لازم برای تسریع توسعه را فراهم می‌کند، جریان رویه‌ای برنامه را نیز تغییر می‌دهد. وارونگی کنترل (IoC) یک اصل طراحی است که جریان کنترل را نسبت به جریان کنترل سنتی معکوس می‌کند. به جای اینکه کد برنامه جریان را کنترل کند و به کتابخانه‌های قابل استفاده مجدد فراخوانی کند، برنامه اصلی کنترل را به چارچوب واگذار می‌کند. سپس چارچوب از طریق مکانیزم‌های نرم‌افزاری مختلف، پشتیبانی و جهت‌دهی اضافی به کد برنامه ارائه می‌دهد. این منجر به توابع و کلاس‌های نرم‌افزاری با اتصال سست می‌شود که قابلیت نگهداری، انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری نرم‌افزار را بهبود می‌بخشد.
چارچوب در مقابل کتابخانه
هر دو چارچوب و کتابخانه کدهای قابل استفاده مجددی هستند که توسط شخص دیگری نوشته شده‌اند و به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا برنامه‌ها را کارآمدتر بسازند. با این حال، یک کتابخانه مجموعه‌ای از ابزارها یا توابع است که کد برنامه در صورت نیاز آن‌ها را فراخوانی می‌کند. کتابخانه‌ها برای وظایف خاص، مانند فعال‌سازی پیاده‌سازی‌های یادگیری ماشین با کدهای از پیش نوشته‌شده، طراحی شده‌اند. کتابخانه به عنوان یک کمک‌کننده و ابزار برای برنامه شما عمل می‌کند.
در مقابل، یک چارچوب یک طرح ساختاری است که توسعه برنامه را هدایت می‌کند. این یک اسکلت فراهم می‌کند که توسعه‌دهندگان جزئیات را در آن پر می‌کنند—با رعایت معماری آن، بخشی از رفتار آن را سفارشی می‌کنند. توسعه‌دهندگان باید برنامه و معماری آن را بر اساس قوانین و ساختارهای چارچوب شکل دهند. جریان کنترل نیز به چارچوب واگذار می‌شود، که ممکن است در صورت نیاز به طور داخلی کتابخانه‌ها را فراخوانی کند.
انواع رایج چارچوب‌ها کدامند؟
توسعه‌دهندگان از چندین نوع چارچوب برای ساخت برنامه‌های مختلف استفاده می‌کنند.
چارچوب‌های برنامه وب چارچوب‌های برنامه وب شامل ابزارها و منابع برنامه‌نویسی برای ساخت برنامه‌های وب، وب‌سایت‌ها، برنامه‌های تک‌صفحه‌ای و خدمات بک‌اند مربوطه هستند. آن‌ها به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا اجزای وب مختلف و زبان‌های برنامه‌نویسی را برای ساخت برنامه‌های وب کاربردی ادغام کنند.
این‌ها دو زیرمجموعه از چارچوب‌های وب هستند که توسعه‌دهندگان استفاده می‌کنند:
- چارچوب‌های فرانت‌اند: چارچوب‌های فرانت‌اند اجزای نرم‌افزاری را برای سبک‌دهی و مشخص کردن رفتار رابط وب رو به کاربر ارائه می‌دهند. برای مثال، توسعه‌دهندگان وب از چارچوب‌های جاوااسکریپت مانند Angular، Vue.js و React برای ایجاد رابط‌های کاربری با کد جاوااسکریپت استفاده می‌کنند.
- چارچوب‌های بک‌اند: چارچوب‌های بک‌اند اجزای بک‌اند مانند دسترسی به داده‌ها و خدمات وب را برای توسعه برنامه‌های سمت سرور به توسعه‌دهندگان ارائه می‌دهند. Ruby on Rails و Django چارچوب‌های بک‌اند محبوبی در جامعه توسعه وب هستند.
چارچوب‌های توسعه موبایل
چارچوب‌های توسعه موبایل پیچیدگی‌های ساخت برنامه‌های بومی و چندپلتفرمی موبایل را کاهش می‌دهند. برخلاف توسعه وب، ساخت یک برنامه برای دستگاه‌های موبایل نیازمند توجه دقیق به سیستم‌های عامل و مشخصات سخت‌افزاری دستگاه است. چارچوب‌های توسعه موبایل با ارائه کتابخانه‌ها، کامپایلرها و اجزای موبایل موردنیاز برای پلتفرم‌های مختلف موبایل، زمان توسعه را کاهش می‌دهند. تیم‌های نرم‌افزاری همچنین می‌توانند از آن‌ها برای ساخت برنامه‌های چندپلتفرمی استفاده کنند. برای مثال، توسعه‌دهندگان از Flutter برای ایجاد برنامه‌های موبایلی از یک پایگاه کد واحد که در Android، iOS، Windows و macOS کار می‌کند، استفاده می‌کنند.
چارچوب‌های علم داده
هوش مصنوعی و یادگیری ماشین موضوعات پیچیده علم داده هستند که نیازمند دانش فنی عمیقی هستند. چارچوب‌های علم داده به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا برنامه‌های مجهز به یادگیری ماشین را برای پردازش داده‌های بزرگ‌مقیاس بسازند و مستقر کنند. به جای نوشتن کدهای پیچیده یادگیری ماشین، آن‌ها از کتابخانه‌های از پیش نوشته‌شده در برنامه‌های ML خود استفاده می‌کنند. برای مثال، دانشمندان داده از چارچوب‌های محبوبی مانند TensorFlow و PyTorch برای توسعه سیستم‌های پردازش زبان طبیعی (NLP) استفاده می‌کنند.
ویژگی‌های یک چارچوب باکیفیت چیست؟
می‌توانید از چارچوب‌های مختلف موجود برای خودکارسازی و ساده‌سازی کل فرآیند توسعه نرم‌افزار انتخاب کنید. چندین معیار به تعیین یک چارچوب نرم‌افزاری خوب که پایه ساختاری محکمی برای توسعه‌دهندگان فراهم می‌کند، کمک می‌کنند:
ثبات چارچوب شما باید رفتار ثابت و قابل پیش‌بینی را هنگام اعمال بر زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف و قابلیت‌های نرم‌افزاری که پشتیبانی می‌کند، نشان دهد. برای مثال، وقتی با یک چارچوب چندپلتفرمی برنامه موبایلی می‌سازید، انتظار دارید برنامه به طور مناسب در گوشی‌های iOS و Android اجرا شود.
کیفیت یک چارچوب خوب به طور مداوم برای آسیب‌پذیری‌ها آزمایش می‌شود، بازبینی و ارتقا می‌یابد تا به توسعه‌دهندگان کتابخانه‌های کد امن، APIها و اجزای نرم‌افزاری ارائه دهد. همچنین دارای قابلیت گسترش خوب با امکان ارتقاهای آینده است. به این ترتیب، توسعه‌دهندگان می‌توانند با تغییرات نرم‌افزاری در حال تحول به‌روز بمانند بدون اینکه کل چارچوب را جایگزین کنند.
پشتیبانی چارچوب شما باید مستندات و نمونه‌های کافی داشته باشد که پیاده‌سازی‌های چارچوب را به وضوح توصیف کند. در غیر این صورت، توسعه‌دهندگان ممکن است به آموزش پیاده‌سازی اضافی برای توسعه نرم‌افزار با چارچوب نیاز داشته باشند. توسعه‌دهندگان می‌توانند با یک جامعه پویا درگیر شوند تا نیازها را بحث کنند، پشتیبانی بخواهند و به منابعی دسترسی پیدا کنند که به آن‌ها کمک می‌کند از چارچوب به طور بهینه استفاده کنند.
چالش‌های استفاده از چارچوب‌ها چیست؟
توسعه‌دهندگان می‌توانند از چارچوب‌های نرم‌افزاری برای تمرکز بر نوشتن کد خاص پروژه‌هایشان استفاده کنند و از صرف منابع غیرضروری برای فناوری زیربنایی اجتناب کنند. با وجود مزایا، استفاده از یک چارچوب نیازمند ملاحظات دقیق در شرایط خاصی است. برای مثال، اگر در حال ساخت یک برنامه ساده هستید، ممکن است به یک چارچوب نرم‌افزاری نیاز نداشته باشید. راه‌اندازی یک چارچوب و یادگیری ساخت یک برنامه بر اساس آن زمان‌بر است. علاوه بر این، کامپایل چارچوب به طور قابل‌توجهی ردپای کد یک برنامه ساده را افزایش می‌دهد. استفاده از یک چارچوب برنامه‌نویسی همچنین نیازمند درک کامل نحوه عملکرد هر جزء نرم‌افزاری است. حتی با مستندات گسترده، توسعه‌دهندگان ممکن است به زمان بیشتری برای آشنا شدن با چارچوب نیاز داشته باشند. وقتی از یک چارچوب برای ساخت یک برنامه استفاده می‌کنید، بیشتر به عملکرد و امنیتی که ارائه می‌دهد وابسته هستید. اگر چارچوب شامل باگ‌ها یا آسیب‌پذیری‌های نهان باشد، همه برنامه‌های ساخته‌شده بر روی آن تحت تأثیر قرار می‌گیرند.
