الاتحاد المصنف

في علوم الحاسوب ، يُعرف الاتحاد المُوسَم ، أو ما يُسمى أيضًا بالمتغير ، أو سجل المتغير ، أو نوع الاختيار ، أو الاتحاد المُمَيَّز ، أو الاتحاد المنفصل ، أو نوع المجموع ، أو الناتج المشترك ، بأنه بنية بيانات تُستخدم لتخزين قيمة يمكن أن تتخذ عدة أنواع مختلفة، ولكنها ثابتة. لا يُمكن استخدام سوى نوع واحد في أي وقت، ويُشير حقل الوسم صراحةً إلى النوع المُستخدم. يُمكن اعتباره نوعًا له عدة "حالات"، يجب التعامل مع كل منها بشكل صحيح عند معالجة ذلك النوع. يُعد هذا أمرًا بالغ الأهمية في تعريف أنواع البيانات التكرارية، حيث قد يكون لبعض مكونات القيمة نفس نوع تلك القيمة، على سبيل المثال في تعريف نوع لتمثيل الأشجار ، حيث من الضروري التمييز بين الأشجار الفرعية متعددة العقد والأوراق. ومثل الاتحادات العادية ، يُمكن للاتحادات المُوسَمة توفير مساحة التخزين من خلال تداخل مناطق التخزين لكل نوع، نظرًا لاستخدام نوع واحد فقط في كل مرة.

تُعدّ الاتحادات المُوسومة ذات أهمية بالغة في لغات البرمجة الوظيفية مثل ML و Haskell ، حيث تُسمى أنواع البيانات (انظر نوع البيانات الجبرية )، ويستطيع المُصرّف التحقق من معالجة جميع حالات الاتحاد المُوسوم، مما يُجنّب أنواعًا عديدة من الأخطاء. كما تُستخدم أنواع المجموع المُدقّق في وقت الترجمة على نطاق واسع في Rust ، حيث تُسمى enum . مع ذلك، يُمكن إنشاؤها في أي لغة برمجة تقريبًا ، وهي أكثر أمانًا من الاتحادات غير المُوسومة، والتي تُسمى غالبًا ببساطة الاتحادات، وهي مُشابهة لها ولكنها لا تُحدّد صراحةً أي عضو من الاتحاد قيد الاستخدام حاليًا.

غالباً ما تُصاحب الاتحادات المُوسومة مفهوم المُنشئ ، وهو مُشابه للمُنشئ الخاص بالفئة ولكنه ليس نفسه . المُنشئ هو دالة أو تعبير يُنتج قيمة من نوع الاتحاد المُوسوم، مُعطىً وسماً وقيمة من النوع المُقابل.

رياضيًا، تتوافق الاتحادات الموسومة مع الاتحادات المنفصلة أو المميزة ، والتي تُكتب عادةً باستخدام +. بالنظر إلى عنصر من اتحاد منفصل${\displaystyle A+B}$، ومن الممكن تحديد ما إذا كان قد جاء من${\displaystyle A}$أو${\displaystyle B}$إذا كان العنصر موجودًا في كليهما، فسيكون هناك نسختان مختلفتان فعليًا من القيمة في${\displaystyle A+B}$واحد من${\displaystyle A}$وواحد من${\displaystyle B}$.

في نظرية الأنواع ، يُطلق على الاتحاد المُوسوم اسم نوع المجموع . أنواع المجموع هي ثنائية أنواع الضرب . تختلف الرموز، ولكن عادةً ما يكون نوع المجموع${\displaystyle A+B}$يأتي مع شكلين تمهيديين ( حقن )${\displaystyle {\texttt {inj}}_{1}:A\mapsto A+B}$و${\displaystyle {\texttt {inj}}_{2}:B\mapsto A+B}$يُعدّ تحليل الحالة شكلاً من أشكال الاستبعاد، ويُعرف باسم مطابقة الأنماط في لغات البرمجة المشابهة لـ ML : إذا${\displaystyle e}$له نوع${\displaystyle A+B}$و${\displaystyle e_{1}}$و${\displaystyle e_{2}}$نوع${\displaystyle \tau }$بناءً على الافتراضات${\displaystyle x:A}$و${\displaystyle y:B}$على التوالي، ثم المصطلح${\displaystyle {\mathsf {case}}\ e\ {\mathsf {of}}\ x\Rightarrow e_{1}\mid y\Rightarrow e_{2}}$له نوع${\displaystyle \tau }$يتوافق نوع المجموع مع الفصل المنطقي الحدسي في إطار تطابق كاري-هوارد .

يمكن اعتبار النوع المُعدّد حالةً مُنحلة: اتحاد مُوسوم لأنواع الوحدة . وهو يُقابل مجموعة من المُنشئات الفارغة، ويمكن تنفيذه كمتغير وسم بسيط، لأنه لا يحتوي على أي بيانات إضافية بخلاف قيمة الوسم.

يتم عادةً تنفيذ العديد من تقنيات البرمجة وهياكل البيانات، بما في ذلك rope و lazy evaluation و class hierarchy (انظر أدناه) و arbitrary-precision arithmatic و CDR coding و indirection bit وأنواع أخرى من المؤشرات الموسومة ، باستخدام نوع من الاتحاد الموسوم.

يمكن اعتبار الاتحاد الموسوم أبسط أنواع تنسيقات البيانات ذاتية الوصف . ويمكن اعتبار وسم الاتحاد الموسوم أبسط أنواع البيانات الوصفية .

في اللغات التي تعتمد على الكتابة الحساسة للتدفق ، يمكن تنفيذ الاتحادات الموسومة من خلال مزيج من أنواع الاتحاد وأنواع السجلات . ^{[ 1 ]}

تتمثل الميزة الأساسية للاتحاد المُوسَم على الاتحاد غير المُوسَم في أن جميع عمليات الوصول آمنة، بل ويمكن للمُصرِّف التحقق من معالجة جميع الحالات. أما الاتحادات غير المُوسَمة فتعتمد على منطق البرنامج لتحديد الحقل النشط حاليًا بشكل صحيح، مما قد يؤدي إلى سلوك غير متوقع وأخطاء يصعب اكتشافها في حال فشل هذا المنطق.

تتمثل الميزة الأساسية للاتحاد المُوسوم مقارنةً بالسجل البسيط الذي يحتوي على حقل لكل نوع في توفير مساحة التخزين من خلال تداخل مساحة التخزين لجميع الأنواع. بعض التطبيقات تُخصص مساحة تخزين كافية لأكبر نوع، بينما تُعدّل تطبيقات أخرى حجم قيمة الاتحاد المُوسوم ديناميكيًا حسب الحاجة. عندما تكون القيمة غير قابلة للتغيير ، يصبح من السهل تخصيص مساحة التخزين المطلوبة فقط.

تتمثل العيوب الرئيسية للاتحادات الموسومة في أن الوسم يشغل مساحة. ونظرًا لوجود عدد قليل من البدائل عادةً، يمكن ضغط الوسم في 2 أو 3 بتات كلما توفرت مساحة، ولكن في بعض الأحيان لا تتوفر حتى هذه البتات. في هذه الحالة، قد يكون من المفيد استخدام الوسوم المطوية أو المحسوبة أو المشفرة ، حيث تُحسب قيمة الوسم ديناميكيًا من محتويات حقل الاتحاد. ومن الأمثلة الشائعة استخدام القيم المحجوزة ، حيث قد تُرجع دالة تُعيد عددًا موجبًا القيمة -1 للإشارة إلى الفشل، وقيم المراقبة ، التي تُستخدم غالبًا في المؤشرات الموسومة .

أحيانًا، تُستخدم الاتحادات غير الموسومة لإجراء تحويلات على مستوى البت بين الأنواع، أو ما يُعرف بـ"تورية الأنواع" . أما الاتحادات الموسومة فليست مُخصصة لهذا الغرض؛ إذ عادةً ما تُعيّن قيمة جديدة كلما تغير الوسم.

تدعم العديد من لغات البرمجة، إلى حد ما، نوع البيانات الشامل ، وهو نوع يشمل جميع قيم جميع الأنواع الأخرى، وغالبًا ما تُوفّر طريقة لاختبار النوع الفعلي لقيمة من النوع الشامل. يُشار إلى هذه الأنواع أحيانًا باسم المتغيرات . في حين أن أنواع البيانات الشاملة تُشابه الاتحادات المُوسومة في تعريفها الرسمي، فإن الاتحادات المُوسومة النموذجية تتضمن عددًا قليلًا نسبيًا من الحالات، وتشكل هذه الحالات طرقًا مختلفة للتعبير عن مفهوم واحد متماسك، مثل عقدة بنية بيانات أو تعليمة. كما يُتوقع التعامل مع كل حالة ممكنة للاتحاد المُوسوم عند استخدامه. أما قيم نوع البيانات الشامل فهي غير مترابطة، ولا توجد طريقة عملية للتعامل معها جميعًا.

كما هو الحال مع أنواع الخيارات ومعالجة الاستثناءات ، تُستخدم الاتحادات الموسومة أحيانًا للتعامل مع حدوث نتائج استثنائية. غالبًا ما تُدمج هذه الوسوم في النوع كقيم محجوزة ، ولا يتم التحقق من حدوثها باستمرار: وهذا مصدر شائع لأخطاء البرمجة. يمكن صياغة هذا الاستخدام للاتحادات الموسومة كوحدة أحادية (monad) بالوظائف التالية:

${\displaystyle {\texttt {return}}\colon A\to \left(A+E\right)=a\mapsto {\text{value}}\,a}$

${\displaystyle {\texttt {bind}}\colon \left(A+E\right)\to \left(A\to \left(B+E\right)\right)\to \left(B+E\right)=a\mapsto f\mapsto {\begin{cases}{\text{err}}\,e&{\text{if}}\ a={\text{err}}\,e\\f\,a'&{\text{if}}\ a={\text{value}}\,a'\end{cases}}}$

أين${\displaystyle {\text{value}}}$و${\displaystyle {\text{خطأ}}}$هي مُنشئات نوع الاتحاد،${\displaystyle A}$و${\displaystyle B}$أنواع النتائج الصالحة و${\displaystyle E}$هذا هو نوع من حالات الخطأ. أو بدلاً من ذلك، يمكن وصف نفس الموناد بواسطة${\displaystyle {\texttt {return}}}$ووظيفتان إضافيتان،${\displaystyle {\texttt {fmap}}}$و${\displaystyle {\texttt {join}}}$:

${\displaystyle {\texttt {fmap}}\colon (A\to B)\to \left(\left(A+E\right)\to \left(B+E\right)\right)=f\mapsto a\mapsto {\begin{cases}{\text{err}}\,e&{\text{if}}\ a={\text{err}}\,e\\{\text{value}}\,{\text{(}}\,f\,a'\,{\text{)}}&{\text{if}}\ a={\text{value}}\,a'\end{cases}}}$

${\displaystyle {\texttt {join}}\colon ((A+E)+E)\to (A+E)=a\mapsto {\begin{cases}{\text{err}}\,e&{\mbox{if}}\ a={\text{err}}\,e\\{\text{err}}\,e&{\text{if}}\ a={\text{value}}\,{\text{(err}}\,e\,{\text{)}}\\{\text{value}}\,a'&{\text{if}}\ a={\text{value}}\,{\text{(value}}\,a'\,{\text{)}}\end{cases}}}$

لنفترض أننا نريد بناء شجرة ثنائية من الأعداد الصحيحة. في لغة التعلم الآلي، سنفعل ذلك عن طريق إنشاء نوع بيانات على النحو التالي:

نوع البيانات شجرة = ورقة | عقدة من ( عدد صحيح * شجرة * شجرة )

هذا اتحاد مُوسَم ذو حالتين: الأولى، وهي الورقة، تُستخدم لإنهاء مسار في الشجرة، وتعمل بشكل مشابه للقيمة الفارغة في لغات البرمجة الإجرائية. أما الفرع الآخر فيحتوي على عقدة، تتضمن عددًا صحيحًا وشجرة فرعية يسرى وأخرى يمنى. تُعدّ Leaf وNode دالتين بانيتين، تُمكّناننا من إنشاء شجرة مُحددة، مثل:

Node ( 5 , Node ( 1 , Leaf , Leaf ), Node ( 3 , Leaf , Node ( 4 , Leaf , Leaf )))

والذي يتوافق مع هذه الشجرة:

الآن يمكننا بسهولة كتابة دالة آمنة من حيث النوع، والتي على سبيل المثال، تحسب عدد العقد في الشجرة:

دالة countNodes ( Leaf ) = 0 | countNodes ( Node ( int , left , right )) = 1 + countNodes ( left ) + countNodes ( right )

في التسلسل الهرمي النموذجي للفئات في البرمجة كائنية التوجه ، يمكن لكل فئة فرعية تغليف بيانات خاصة بها. تُحدد البيانات الوصفية المستخدمة للبحث عن الدوال الافتراضية (على سبيل المثال، مؤشر جدول الدوال الافتراضية للكائن في معظم تطبيقات لغة C++) الفئة الفرعية، وبالتالي تعمل فعليًا كعلامة تُحدد البيانات المخزنة بواسطة الكائن (انظر RTTI ). يقوم مُنشئ الكائن بتعيين هذه العلامة، وتبقى ثابتة طوال دورة حياة الكائن.

مع ذلك، يتضمن التسلسل الهرمي للفئات تعدد أشكال الأنواع الفرعية الحقيقي . ويمكن توسيعه بإنشاء فئات فرعية إضافية من نفس النوع الأساسي، وهو ما لا يمكن التعامل معه بشكل صحيح في نموذج الوسم/الإرسال. لذا، لا يمكن عادةً إجراء تحليل الحالة أو الإرسال على "وسم" الكائن الفرعي كما هو الحال مع الاتحادات الموسومة. تسمح بعض اللغات، مثل سكالا، بـ"إغلاق" الفئات الأساسية، وتوحيد الاتحادات الموسومة مع الفئات الأساسية المغلقة.

• المُميِّز ، علامة النوع للنقابات المُميَّزة في CORBA
• نوع المتغير (COM)