אייפל (שפת תכנות)

אייפל (במקור: Eiffel) היא שפת תכנות מונחת עצמים. שפה זו פותחה ועוצבה על ידי ברטראנד מאייר ועל ידי חברת Eiffel Software בשנת 1985. השפה נקראת על שם גוסטב אייפל, המהנדס שתכנן את מגדל אייפל.

השפה באה לענות על חסרונותיהן של שפות תכנות מונחות עצמים קודמות לה. כתיבת השפה הושפעה מהשפות פסקל, Simula, Ada, Z ושימשה השראה לשפות פופולריות כמו C#, Java, Ruby, D, ועוד. מושגים רבים שהוצגו לראשונה על ידי אייפל, לאחר מכן שולבו בעיצובן של שפות תכנות מוכרות יותר כמו C# ו־Java. מאייר חיבר ספר על עקרונות התכנות המונחה עצמים (Object-Oriented Software Construction), כללי הפרדיגמה שניסח בספר בסופו של דבר הולידו את השפה אייפל.

עיצוב

סקירה כללית 
 חוצה פלטפורמות
 השפה משלבת שתי גישות לתרגום—יש לה גם מפרש, וגם מהדר. קוד שלא נעשה בו שינוי מאז הפעם האחרונה, כולל ספריות מערכת, הוא קוד שעבר הידור, ולכן במינוח השפה הוא קפוא. לעומת זאת, קוד ששונה הותך, ועל ההרצה שלו מופקד המפרש של השפה.
 תכנון לפי חוזה—יצירת חוזה בעבודה עם קטעי קוד.
 טיפוסיות חזקה—ללא המרות מרומזות.
 טיפוסיות קבועה—דורשת הגדרה והתאמת טיפוסיות בזמן הידור.
 קישור דינמי—קישור בזמן ריצה. מאפשר פולימורפיזם.
 קריאות—מנגנונים ללוגיקה, מבניות בקוד ותיעוד.
 תיעוד קוד אוטומטי
 מחלקות גנריות—מאפשרת שימוש במחלקות גנריות.
 העמסת מתודות—ניתן לבצע חפיפת מתודות של השפה.
 העמסת אופרטורים—ניתן לבצע חפיפת אופרטורים של השפה.
 חשבון מצביעים לא קיים בשפה.
 ביטויים רגולריים לא קיימים בשפה.

תכנות לפי חוזה 

חוזה הוא קובץ אילוצים המוגדר על ידי המתכנת על מנת להבטיח את אמינות הקוד. העיקרון הומצא על ידי ממציא השפה וזאת אחת התכונות החשובות של השפה. בשפות תכנות עכשוויות נעשה שימוש בפיתוח מונחה בדיקות כתחליף לתכנות מונחה חוזים. לכל פונקציה ניתן להצהיר את האילוצים הבאים.
תנאים לפני ביצוע הפונקציה (pre-conditions).
תנאים לאחר ביצוע הפונקציה (post-conditions).
מגבלות לגבי תוכן הפרמטרים שהפונקציה מקבלת.
מגבלות לגבי התוכן שהפונקציה מחזירה.
מגבלות לגבי תוכן החריגות שהפונקציה יכולה לזרוק.
תופעות לוואי של הרצת הפונקציה (לדוגמה, שימוש בלולאה לצורך השהייה).
נתונים על הביצועים שלה (זיכרון, זמן ריצה).
ביטויים קבועים לאורך התוכנית (invariant).

"Design by Contract" הוא סימן רשום של Eiffel Software, והמונח הוטמע והומצא על ידי ד"ר ברנרד מאייר, יוצר השפה. עובדה זאת מאוששת את חשיבות החוזה כמרכיב מרכזי בשפת התכנות אייפל.

דוגמה לשימוש בחוזה 
 create
 make feature {NONE}
 -- Initialization
 make (a_day: INTEGER; a_hour: INTEGER) -- Initialize `Current' with `a_day' and `a_hour'.

 require
 valid_day: 1 <= a_day and a_day <= 31
 valid_hour: 0 <= a_hour and a_hour <= 23
 do
 day := a_day
 hour := a_hour

 ensure
 day_set: day = a_day
 hour_set: hour = a_hour

 end

feature -- Access
 day: INTEGER -- Day of month for `Current'
 hour: INTEGER -- Hour of day for `Current'

 feature -- Element change
 set_day (a_day: INTEGER) -- Set `day' to `a_day'

require
 valid_argument: 1 <= a_day and a_day <= 31
 do
 day := a_day
 ensure
 day_set: day = a_day
 end

 invariant
 valid_day: 1 <= day and day <= 31
 valid_hour: 0 <= hour and hour <= 23
 end

עקרון פתיחות/סגירות

הקוד הקיים (מתוך ספריות) צריך להיות פתוח להרחבה, אך סגור לשינויים, והדבר יכול להתבטא בשתי צורות הבאות.
כפי שהעיקרון מתבטא בשפת אייפל - כותבים מחלקה בצורה רגילה, ואם נתפס באג בתוכנה, אז במקום לשנות את המחלקה המקורית, יוצרים מחלקה חדשה שמשתמשת במחלקה הקודמת ועושה את השינויים הדרושים, או שיוצרים מחלקה שיורשת מהמחלקה המקורית שבה עושים את השינויים.
בצורה הרגילה. שימוש במחלקה מופשטת, וירושה המאלצת הלימה לממשק ההפשטה. מכאן עקרון הפולימורפיזם בתכנות מונחה עצמים יאפשר שימוש עם תאימות לאחור בקוד הקיים.

עקרון הגישה האחידה
כיוון שיש שינויים ותוספות של אובייקטים חדשים לשפה, דאגו לעשות שכל הפניות יהיו באותה צורה כדי לחסוך תקלות. ולכן יש מנגנון גישה זהה לכל הפונקציות והמחלקות. לדוגמה הסימון Foo.Bar(5) יכול לשמש בתור קריאה לפונקציה ושליחת הערך 5 כפרמטר, ויכול גם לשמש לאתחול מחלקה שהמשתנה שלה יקבל את הערך 5.

עקרון הפרדת פקודות משאילתות
הפרדה מוחלטת בין פונקציה שמחזירה ערך, כלומר בקשת מידע ואשר אינה יכולה בשום אופן לעדכן מידע, לבין פרוצדורה המעדכנת או מבצעת פעולה, אך אינה מחזירה מידע. עיקרון זה ידוע יותר בתכנות פונקציונלי באופן מקובל יותר כהפרדת פונקציות פונקציונליות גרידא מפונקציות שאינן פונקציונליות גרידא ולהן תוצאות לוואי. מעצב השפה כינה פונקציות עם תוצאות לוואי כ־"פקודות", ופונקציות פונקציונליות גרידא כ־"שאילתות", אך המינוח הזה אינו נהוג בשפות אחרות.

תאימות לשפות אחרות
השפה בנויה כך שתוכל להתממשק בקלות עם מגוון שפות (בדגש על שפת C, ושפות התכנות מבוססות .NET). השפה מאפשרת לכתוב קוד בשפת C הישר בגוף הפונקציה של Eiffel, ובכך להשלים כל חיסרון שעלול להיות בשפה עם הספריות של שפת C.

ניהול זיכרון 
ניהול זיכרון של תוכנית Eiffel הוא מאתגר כהשלכה מהנסיבות הבאות.
 תוכנית בשפת Eiffel יכולה לקרוא לפונקציות בשפת C, לכן צריך להתחשב בכך שיכולים להיות בתוכנית שני סוגי זיכרון: זיכרון ל־Eiffel וזיכרון ל־C.
 צריך להבחין בין אובייקטים רגילים - אובייקטים בעלי גודל קבוע שנקבע באופן סטטי (בזמן ההידור) על פי מספר תכונות האובייקט, לבין אובייקטים מיוחדים - אובייקטים בעלי גודל משתנה (מערכים, מחרוזות ועוד).
 לא מספיק לשחרר זיכרון רק לשם שימוש חוזר בתוכניות בשפת Eiffel, אלא אנו מעוניינים שניתן יהיה להחזיר את הזיכרון אל מערכת ההפעלה לשימוש חוזר גם באפליקציות אחרות.

מסיבות אלה, Eiffel אינה מסתפקת ב־syscall malloc() (שכן malloc() לא יכול להחזיר את הזיכרון אל מערכת ההפעלה), אלא יש לה מנגנון לניהול זיכרון משלה.

כמו כן, על מנת לפתור את בעיית איסוף הזבל, השפה אינה מסתפקת באלגוריתם יחיד לאיסוף זבל, אלא היא משתמשת בכמה אלגוריתמים בסיסיים, ובכל פעם שיש צורך, בחירת האלגוריתם המיטבי נקבעת לפי הנסיבות ורמת הדחיפות.

שני האלגוריתמים העיקריים לאיסוף זבל בשפת Eiffel, הם mark & sweep, ו־memory compaction. כברירת מחדל, כל יישום בשפת Eiffel כולל איסוף זבל אוטומטי. אבל בכל אופן ניתן לשלוט על מנגנון ניהול זיכרון ולכוון אותו כך שיתאים לצרכים הספציפיים של המתכנת באמצעות פונקציות ופרוצדורות השייכות למחלקה MEMORY, המאפשרות למתג את תהליך איסוף הזבל האוטומטי.

המאפיין הייחודי של מאסף הזבל של Eiffel הוא שאינו מבצע שחרור זיכרון רק עבור שימוש חוזר על ידי הקצאת אובייקטים נוספים לאותה תוכנית, אלא למעשה, מחזיר את הזיכרון למערכת ההפעלה ומשחרר אותו לשימוש חוזר על ידי תוכנית אחרת. למרות שקשה ליישם את המאפיין החשוב הזה, הוא הכרחי בעיקר למערכות שצריכות לרוץ לאורך זמן, או אפילו באופן קבוע.

מנגנון לטיפול בחריגות 
לשפה קיים מנגנון לטיפול בחריגות המבצע מספר ניסיונות שהוגדרו לו מראש על מנת לטפל בחריגה בזמן הריצה. הגדרת ההצלחה לטיפול נעשית לפי בדיקת ה־post-condition של החוזה שהוגדר לו מראש.
 connect_to_server (server: SOCKET) -- Connect to a server or give up after 10 attempts.
 require
 None_Null: server /= Void and then server.address /= Void
 local
 attempts: INTEGER
 do
 server.connect
 ensure
 connected: server.is_connected
 rescue
 if attempts < 10 then
 attempts := attempts + 1
 retry
 end
 end

אפשרויות נוספות בשפה 
קריאות חד פעמיות – משמשות לאיפוס ערכים באובייקטים.

תחביר 
המהדר אינו מבחין בין אותיות גדולות וקטנות, אבל מקובל להשתמש בסגנון כתיבה קבוע לשפה כדי לשמור על הקוד קריא לכל מי שמכיר את השפה. נוהגים לכתוב שמות של מחלקות באותיות גדולות, שמות פונקציות באותיות קטנות, שמות משתנים עם אות ראשונה גדולה והשאר קטנות, צירוף מילים כותבים תמיד עם קו תחתון בין המילים.

ב־Eiffel אין חובה להפריד בין פקודות באמצעות נקודה פסיק ; בסוף שורה.

יש להבדיל בין אופרטור הבדיקה = המחזיר ערך בוליאני (אמת או שקר) כתוצאה של הערכת תנאי, לבין אופרטור ההקצאה =:.

הסימון -- (מינוס כפול) פותח הערה באותה שורה.

פונקציות יצירה הן סוג של פונקציות בונות (אלא שקוראים להן אקטיבית) המשמשות לאתחול והגדרות המחלקה. מגדירים פונקציות כאלה בחלק CREATE במחלקה, אך ממשים אותן בחלק FEATURS כמו כל שאר הפונקציות.

החלק IS בהגדרת הפונקציה מכיל הערה הממצה את מהות המחלקה ("מטפורה").

פונקציות נקראות באופן דומה למשתנים, ולכן המתכנת לא צריך לדעת את אופן המימוש.

השפה מבנית, נכתבת בבלוקים לכל קבוצת קוד באופן דומה לשפת התכנות עדה.

כאשר פונקציה מחזירה פרמטר, משתמשים בפרמטר המובנה בשפה RESULT לצורך החזרה. (בדומה ל-PL/SQL)

אין נגישות למערך אחרי הגדרתו. לכן מאתחלים עצמים כגון מערכים, וקבצים בעזרת CREATE.

בטיפוס מסוג עצם בברירת מחדל הקצאה מחזירה מצביע לעצם, ולכן אם הוא נמחק קיים מצביע מתנדנד ולכן רצוי להשתמש ב־CLONE או COPY.

משתנים פשוטים 
נקראים גם EXPANDED

הגדרת משתנים נעשית בדרך דומה לשפת פסקל, שם המשתנה נכתב מצד שמאל לאחריו נקודתיים ושם הטיפוס.

flag: BOOLEAN

i: INTEGER

s: STRING

r: REAL

d: DOUBLE

c: CHARACTER

עצמים 
נקראים גם REFERENCE ומכילים עצמים או מערכים. לדוגמה,

i: MYoBJ

ערכי ברירת מחדל

מערכים 
נקראים ARRAY. הכרזה לדוגמה,keywords : ARRAY[STRING]
numbers: ARRAY[INTEGER]

יצירה (מערך מ-1 עד 100).

create keywords.make(1,100)

רשומה 
נקראת TUPLE, מקבילה של STRUCT או CLASS ללא פונקציות, אלא רק נתונים.

t: TUPLE [name: STRING; weight: REAL; date: DATE] יכול להוות תאריך או רשומה מסוימת וא"צ להגדיר מחלקה ["Brigitte", 3.5, Last_night]

גישה t.weight := t.weight + 0.5

אופרטורים

תנאי 
 if תנאי
 then גוף
 else אם לא מתקיים התנאי
 end סוף תנאי

if(num>10) then

 output.putint (num)

 output.new_line

else

 output.putstring ("Error")

end

לולאה 
 from תנאי התחלה
 until תנאי עצירה
 loop/end גוף הלולאה

from I:=0 until I>10 loop

 RESULT := RESULT + 1

end

פונקציות ופרוצדורות
במינוח השפה ישנה הסכמה לגבי הפרדה גמורה בין פונקציות ללא תוצאות לוואי ופונקציות עם תוצאות לוואי.

פונצקיות - עושות חישובים ומחזירות ערך, אבל לא יכולות לבצע שינויים במשתנים.

פרוצדורות - עושות שינויים במשתנים, אבל לא מחזירות ערך.

בצורה כזאת, אפשר לשלוח פונקציה בלי לדאוג שישתנו דברים בתוכנית. אך בפועל המהדר אינו אוכף נושא זה. אחרי שם הפונקציה באים הפרמטרים בסוגרים, ואחר כך הערך המוחזר (אפשר להשמיט את הערך המוחזר, את פרמטרים, או את שניהם) ה־IS מכיל הערה שמתארת את הפונקציה.

מחלקות 
כמו בשפות תכנות מונחות עצמים אחרות, ב־Eiffel מגדירים תבנית לעצמים בעזרת מחלקה.

 note - תיעוד המחלקה.
 class - שם המחלקה.
 inherit - ירושה (אפשרות).
 create - פונקציות מאתחלות.
 local - משתני מחלקה.
 do...end - גוף המחלקה.

note
description : "targil5 application root class"
date : "$Date$"
revision : "$Revision$"

class
 MY_CLASS

 inherit
 OTHER_CLASS

 create
 Function1

 feature {NONE} my_function (variable_name: SOME_TYPE)-- Initialization
 -- Run application.
 local
 cmp : CLASS1
 do
 cmp.make
 ....
 ....
 end

end

מהדרים
Eiffel רצה על Windows, לינוקס, Unix, OpenBSD, FreeBSD, macOS, ו־OpenVMS.
EiffelStudio - סביבת הפיתוח והמהדר העיקריים של השפה, פותחו ועוצבו על ידי מתכנני השפה. הסביבה חינמית אך ורק לפיתוח תוכנה חופשית.
SmartEiffel - מהדר חינמי קוד פתוח מתאים לכל מעבד ANSI C.
Visual Eiffel - סביבת פיתוח מסחרית IDE כולל GUI עובד על Win32, Linux.

שפת C כשפת ביניים 
ל־Eiffel שני שלבי הידור: החלק הראשון הוא הידור לקוד ביניים בעזרת מהדר, עליו רץ מפרש. אחר כך, הקוד מתורגם לשפת C, ובעזרת מהדר C הוא מהודר לשפת מכונה. לטענת מתכנני השפה, מטרת התרגום לשפת C כשפת ביניים, הוא ניצול שיטות הייעול הקיימות במהדרי שפת C. (לטענת מעצבי השפה, קוד בשפת Eiffel יכול להיות יעיל כאילו נכתב בשפת C עצמה או Fortran).

הערות שוליים

קישורים חיצוניים

תכנות מונחה-עצמים
שפות תכנות מונחות עצמים