در این مقاله به بررسی مفهوم کتابخانه های برنامه نویسی و مزایای استفاده ازآنها در توسعه نرم افزارها خواهیم پرداخت. همچنین نگاهی خواهیم داشت به سیر تحول کتابخانه های برنامه نویسی از آغاز تاکنون.
توسعه نرم افزارها قبل از ظهور کتابخانه های برنامه نویسی
در سال‌های اولیه ظهور رایانه‌ها و پیدایش تخصصی به نام برنامه‌نویسی، نرم‌افزارها اغلب ساده بودند و قابلیتهای محدودی داشتند. در آن دوران، تمامی کدها از ابتدا تا انتها توسط برنامه‌نویسان و با استفاده از یک زبان برنامه‌نویسی خاص نوشته می‌شد. این فرآیند بسیار زمان‌بر بود و برای هر پروژه نرم‌افزاری، تمام بخش‌های آن بدون هیچ ابزار یا قطعه کد آماده‌ای توسعه داده می‌شد.
با گسترش صنعت نرم‌افزار و افزایش تقاضا برای محصولات پیچیده‌تر و بزرگتر، چالش‌های متعددی در توسعه نرم‌افزار به وجود آمد. پروژه‌های نرم‌افزاری به مراتب پیچیده‌تر شدند و دیگر تولید هر محصول از صفر تا صد نه تنها از نظر زمانی واقتصادی به صرفه نبود، بلکه با این روند احتمال موفقیت پروژه های نرم افزاری نیز به شدت کاهش پیدا کرد. پروژه های بزرگی که روزها یا ماه‌ها زمان برای نوشتن هر جزءآنها صرف می شد و اغلب به دلیل تحقیق نیافتن زمانبندی های تعیین شده، صرف هزینه‌هایی بیشتر از برآوردهای اولیه، و چالش‌هایی نظیر خطایابی و رفع باگها ، حفظ کیفیت و نگهداری و توسعه آتی با شکست مواجه می‌شدند. افزون بر این، کیفیت نرم‌افزارها به شدت وابسته به تجربه و توانایی فردی برنامه‌نویسان بود.
عوامل پیدایش کتابخانه های برنامه نویسی
همین مسائل باعث شد تا در دهه 1980 میلادی، رویکردهای جدیدی در فرآیند تولید نرم‌افزارها مطرح شود. یکی از این رویکردها، استفاده از کدهای از پیش نوشته شده و تست شده ای بود که قابلیت استفاده مجدد داشتند. این کدها که تحت عنوان کتابخانه (Library) شناخته می‌شوند، به‌عنوان یکی از مهمترین راهکارها برای افزایش کارایی و کاهش هزینه‌های توسعه نرم‌افزار مطرح شدند.
کتابخانه‌ها به برنامه‌نویسان این امکان را دادند که به جای نوشتن کدهای تکراری یا حل مسائل پیچیده فنی، از کدهایی که قبلاً نوشته و تست شده‌اند، استفاده کنند. در نتیجه برنامه‌نویسان فرصت یافتند تا زمان و تمرکز بیشتری را صرف توسعه قابلیتهای جدید، تست و ارتقاء کیفیت و برآورده سازی نیازهای مشتریان کنند. اگر تجربه کار با زبان برنامه‌نویسی C را داشته باشید، حتماً با دستور include آشنایی دارید که برای افزودن کتابخانه‌ها به کد استفاده می‌شود. به‌طور کلی، زبان C بر اساس استفاده گسترده از کتابخانه‌ها بنا شده است، و می توان گفت عمده قدرت و کارایی خود را مدیون همین رویکرد است. کتابخانه‌هایی که به مدیریت فایل‌ها،ارتباط با ورودی‌ها (مانند صفحه‌کلید)، و خروجیها ( نمایشگر)، و محاسبات ریاضی و بسیاری موارد دیگر کمک می‌کنند.
بدین ترتیب خیلی زود استفاده از کتابخانه‌ها به عنوان یک ابزار ضروری برای تسریع توسعه، افزایش کیفیت نرم‌افزارها، و کاهش هزینه‌ها فراگیر شد و تا به امروزهمچنان یکی از اجزای اساسی در دنیای برنامه‌نویسی و توسعه نرم‌افزارها به شمار می رود
مزایای استفاده از کتابخانه‌ها در توسعه نرم افزارها
استفاده از کتابخانه‌ها مزایای متعددی دارد. اما شاید بتوان مهمترین مزیت بکارگیری آنها را سرعت بخشیدن به فرآیند توسعه نرم‌افزارها و کاهش چالش‌های موجود در این فرآیند دانست. برخی از این مزایا عبارتند از:
- کاهش زمان توسعه: کتابخانه‌ها شامل کدهای از پیش نوشته شده و تست شده‌ای هستند که می‌توان آنها را به سادگی در پروژه‌های مختلف به کار گرفت. این موضوع باعث می‌شود تا نیازی به نوشتن مجدد کدهای تکراری نباشد و زمان توسعه نرم‌افزار به شکل چشمگیری کاهش یابد.
- کاهش هزینه‌های توسعه و نگهداری: با استفاده از کتابخانه‌های آماده و استاندارد، هزینه‌های مرتبط با توسعه و نگهداری نرم‌افزار کاهش می‌یابد. چرا که نیازی به ایجاد مجدد قابلیتهای مشابه در هر پروژه نیست و برنامه‌نویسان می‌توانند به جای تمرکز روی مسائل پایه، روی بهبود قابلیتهای اصلی نرم‌افزار تمرکز کنند.
- کاهش باگها و هزینه‌های تست: از آنجا که کتابخانه‌ها به طور معمول به خوبی تست و اصلاح می‌شوند، استفاده از آنها باعث کاهش بروز خطا و باگ در نرم‌افزار می‌شود. این امر به ویژه در پروژه‌های بزرگ که خطاها ممکن است مشکلات جدی ایجاد کنند، اهمیت ویژه‌ای دارد.
- افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد: کتابخانه‌ها معمولاً توسط تیم‌ها وبرنامه نویسان حرفه ای توسعه داده می‌شوند و تحت تست‌های دقیق قرار می‌گیرند. این امر باعث می‌شود تا از نظر عملکرد و پایداری، در سطح بالاتری قرار داشته باشند. و وابستگی کیفی به توان و تجربه برنامه نویسان را کاهش دهند.
- امکان توسعه نرم‌افزارهای پیچیده‌تر: کتابخانه‌ها توسعه قابلیتهای پیچیده مانند پردازش تصویر، گرافیک سه‌بعدی، و محاسبات علمی را بدون نیاز به دانش عمیق از جزئیات فنی آنها امکان پذیر می سازند. بعنوان مثال فرض کنید که می خواهید محاسبات ریاضی پیچیده ای نظیر محاسبات انتگرال یا محاسبات ماتریسی پیچیده را در نرم افزار خود پیاده کنید یا نیازمند رندر تصاویر سه بعدی در آن باشید. بدون استفاده از کتابخانه ها شما مجبور خواهید بود تا دانش وسیعی در زمینه ریاضیات و محاسبات گرافیکی کسب کنید.
سیر تحول کتابخانه های برنامه نویسی از دهه ۱۹۸۰ تاکنون
در هر دهه، نیازهای صنعت نرم‌افزار و تکنولوژی‌های روز تغییر کرده‌اند و به تبع آن، کتابخانه‌های نرم‌افزاری نیز رشد و تحول داشته‌اند. نگاهی به مسیر تاریخی این ابزارهای مهم می‌تواند نشان‌دهنده میزان تأثیرگذاری آنها در فرآیند توسعه نرم‌افزار باشد.
- دهه ۱۹۸۰: دوران آغازین کتابخانه‌ها
در دهه ۱۹۸۰، کتابخانه‌ها به تدریج به عنوان راه حلی برای حل مشکلات تکراری در کدنویسی و افزایش کارایی در برنامه‌نویسی معرفی شدند. زبان برنامه‌نویسی C یکی از اولین زبان‌هایی بود که مفهوم استفاده گسترده از کتابخانه‌ها را ترویج کرد. کتابخانه‌های استاندارد C در این دهه، شامل توابعی برای انجام کارهایی همچون مدیریت فایل‌ها، پردازش ورودی/خروجی، و محاسبات ریاضی ، پردازش رشته ها و … بودند. این روش باعث شد تا برنامه‌نویسان بتوانند به جای نوشتن کدهای پایه و زیربنایی، بر روی توسعه عملکردهای پیچیده‌تر تمرکز کنند. - دهه ۱۹۹۰: گسترش برنامه نویسی شی‌گرا
با ظهور زبان‌های برنامه نویسی شی‌گرا مانند ++C و جاوا، کتابخانه‌ها نیز پیشرفت‌های چشمگیری داشتند. زبان‌های شی‌گرا به توسعه‌دهندگان این امکان را دادند که با سازماندهی بهتر کدهای خود، نرم افزارهای پیچیده‌تر و بزرگتری را توسعه دهند. در این دوره، بسیاری از کتابخانه‌ها نه تنها برای مدیریت سیستم‌های دسکتاپ، بلکه برای مدیریت پایگاه‌های داده و برنامه‌های کاربردی و ساخت بازیها مورد استفاده قرار گرفتند. - دهه ۲۰۰۰: عصر وب و کتابخانه‌های تحت وب
در دهه ۲۰۰۰ با گسترش اینترنت و ظهور برنامه‌های تحت وب، کتابخانه‌های مبتنی بر زبان‌های برنامه‌نویسی تحت وب مانند جاوااسکریپت به شهرت رسیدند. یکی از مشهورترین کتابخانه‌های این دوره، jQuery است که در سال ۲۰۰۶ معرفی شد. jQuery به توسعه‌دهندگان این امکان را می‌داد که به سادگی توابع جاوااسکریپت را پیاده‌سازی کنند و با مرورگرهای مختلف سازگاری بهتری داشته باشند. این کتابخانه تأثیر بسیار زیادی بر توسعه اپلیکیشن‌های تحت وب داشت تاحدی که می توان آن را پرچمدار ظهور نرم افزارهای مدرن تحت وب دانست. - دهه ۲۰۱۰: ظهور کتابخانه های پیشرفته برای وب و موبایل
در دهه ۲۰۱۰، کتابخانه های پیشرفته‌تری برای مدیریت فرانت‌اند و اپلیکیشن‌های موبایل توسعه یافتند. کتابخانه‌هایی مانند React و Angular در ابتدا به عنوان ابزارهایی برای مدیریت بخش کلاینت توسعه داده شدند و بقدری توسعه یافتند که امروزه در قالب فریم ورکهای قدرتمند وب مورد استفاده قرار می گیرند. ظهور تکنولوژی‌های جدیدی مانند واقعیت افزوده، هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، نیز به نوبه خود باعث شکل گیری کتابخانه‌های متنوعی در این زمینه‌ها شد. TensorFlow.js نمونه‌ای از این کتابخانه‌هاست که برای انجام پردازش‌های یادگیری ماشین در محیط وب مورد استفاده قرار می‌گیرد. - دهه ۲۰۲۰ تاکنون: رشد فریم‌ورک‌ها و وابستگی به کتابخانه‌ها
با شروع دهه ۲۰۲۰، هرچند فریم ورک‌ها محبوبیت بیشتری پیدا کرده‌اند، اما کتابخانه‌های نرم‌افزاری همچنان نقش مهمی در توسعه پروژه‌های نرم‌افزاری دارند. ابزارهایی مانند Three.js برای رندرینگ گرافیک سه‌بعدی در مرورگرها و رشد کتابخانه‌های مرتبط با هوش مصنوعی و یادگیری ماشین از جمله دستاوردهای این دهه هستند. کتابخانه‌ها در این دوره اغلب به عنوان بخشی از فریم‌ورک ها یا برای توسعه قابلیتهای خاص مورد استفاده قرار می گیرند و همچنان به عنوان ابزارهایی مهم و متداول در دنیای برنامه‌نویسی باقی مانده اند.
تمایز کتابخانه‌ها از فریم‌ورک‌ها
- کتابخانه‌ها و فریم‌ورک‌ها هر دو از ابزارهای حیاتی در توسعه نرم‌افزار محسوب می‌شوند، اما تفاوت‌های کلیدی میان آنها وجود دارد که بر نحوه استفاده و نقششان در فرآیند توسعه تأثیر می‌گذارد.
- به‌طور کلی، کتابخانه‌ها مجموعه‌ای از کدها یا توابع آماده هستند که یک قابلیت یا مجموعه ای از قابلیتهای مرتبط را فراهم می‌کنند مهمترین وجه تمایز کتابخانه‌ها در این است که کنترل کامل استفاده از آنها در دستان برنامه‌نویس باقی می‌ماند. شما تعیین می‌کنید که چه زمانی و کجا از یک کتابخانه استفاده کنید و معماری و ساختار پروژه شما تحت تأثیر آن قرار نمی‌گیرد. به‌عبارت دیگر، کتابخانه‌ها دستیاران انعطاف‌پذیر شما در توسعه نرم افزار هستند که در لحظات ضروری توسط شما به خدمت فراخوانده می‌شوند.
- در مقابل، فریم‌ورک‌ها ساختار و چارچوبی جامع‌تر برای توسعه نرم‌افزار ارائه می‌کنند. در واقع، فریم‌ورک‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که شما را مجبور می‌کنند تا بر اساس قوانین و معماری از پیش تعیین‌شده آنها حرکت کنید. زمانی که از فریم ورک استفاده می‌کنید، باید به نوعی خود را در چارچوب آنها قرار دهید و کدهای خود را طبق قواعد و الگوهای آنها بنویسید. لذا می توان گفت که فریم ورک‌ها بیشتر به‌عنوان اسکلت اصلی پروژه عمل می‌کنند به پروژه شما ساختار می‌بخشند و برنامه‌نویس را در یک مسیر مشخص هدایت می‌کنند.
- بنابراین، تفاوت اصلی میان این دو ابزار این است که در استفاده از کتابخانه‌ها، شما کنترل‌کننده روند هستید و کتابخانه‌ها صرفاً به شما کمک می‌کنند، اما در فریم ورک‌ها، فریم‌ورک کنترل کننده است و شما باید بر اساس آن حرکت کنید.
لیستی از کتابخانه‌های تأثیرگذار از دهه ۸۰ تا امروز
در طول سال‌های گذشته، برخی از کتابخانه‌ها به‌عنوان ابزارهای حیاتی در صنعت نرم‌افزار مطرح شده‌اند. این کتابخانه‌ها نه‌تنها به بهبود کیفیت پروژه‌های نرم‌افزاری کمک کرده‌اند، بلکه در بسیاری از حوزه‌ها استانداردهایی را بنا نهاده اند که منشاء تحولات آتی در آن حوزه ها بوده است نظیر تاثیری که jQuery در توسعه فرانت اند و کدنویسی جاوااسکریپت داشت. در بخش پایانی این مقاله نگاهی می اندازیم به برخی از این کتابخانه‌های مهم و تأثیرگذار از دهه ۸۰ میلادی تاکنون
- Zlib (1989):
یکی از مشهورترین کتابخانه‌ها برای فشرده‌سازی داده‌هاست. این کتابخانه به‌ویژه در فشرده سازی فایلهای تصویری (مثل PNG) و انتقال داده‌های فشرده شده در پروتکل‌هایی نظیر HTTP استفاده می‌شود. - Libjpeg (1991):
این کتابخانه برای کدگذاری و کدگشایی فرمت تصویری JPEG طراحی شده است. Libjpeg بصورت گسترده ای در مدیریت تصاویر در سیستم‌های تحت وب و بسیاری از اپلیکیشن‌های مرتبط با فایلهای تصویری به کار گرفته می‌شود. - Boost (2002):
مجموعه‌ای از کتابخانه‌های قدرتمند برای زبان ++C است که بسیاری از آنها در نسخه‌های جدید استاندارد ++C گنجانده شده‌اند. کاربردهای Boost شامل مواردی چون محاسبات جبر خطی، مدیریت (multithreading) و عبارت‌های منظم یا (regular expressions) است. - JQuery (2006):
یک کتابخانه برجسته برای مدیریت ساده‌تر و مؤثرتر کدهای جاوااسکریپت در توسعه وب. JQuery نقش مهمی در سازگاری با مرورگرهای مختلف و مدیریت DOM ایفا کرده و به دلیل ارائه عناصر رابط کاربری (UI) قوی و امکان مدیریت بهتر درخواست‌های Ajax، همچنان محبوبیت خود را حفظ کرده است. - NumPy (2006):
یک کتابخانه پایه در زبان پایتون که برای پردازش آرایه‌ها و ماتریس‌های بزرگ و انجام محاسبات علمی و مهندسی استفاده می‌شود. NumPy اساس بسیاری از ابزارها و فریم ورکهای یادگیری ماشین و تحلیل داده‌ها است. - OpenGL (1992):
یکی از قدیمی‌ترین و همچنان پراستفاده‌ترین کتابخانه‌های گرافیک سه‌بعدی و دوبعدی. OpenGL به دلیل سازگاری با پلتفرم‌های مختلف، از دسکتاپ گرفته تا موبایل، محبوبیت زیادی دارد و نقشی کلیدی در توسعه گرافیک کامپیوتری ایفا کرده است.
این کتابخانه محبوب و قدیمی در سال 1992 توسط شرکت سیلیکون گرافیکس ارائه شد.
- OpenCV (2000):
یک کتابخانه متن‌باز و پراستفاده برای پردازش تصویر و بینایی ماشین (Computer Vision) می باشد. OpenCV در زمینه‌هایی چون تشخیص چهره، شناسایی اشیاء و ردیابی حرکات در ویدئوها به کار گرفته می‌شود. - TensorFlow.js (2018):
کتابخانه‌ای از Google برای پیاده‌سازی مدل‌های یادگیری ماشین به‌صورت مستقیم در مرورگرها. TensorFlow.js به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا از مدل‌های هوش مصنوعی در برنامه‌های وب خود استفاده کنند. - Three.js (2010):
یک کتابخانه گرافیکی سه‌بعدی که به برنامه‌نویسان امکان می‌دهد تا بدون نیاز به دانش عمیق از OpenGL یا WebGL، صحنه‌های سه‌بعدی تعاملی در مرورگر ایجاد کنند. این کتابخانه به‌ویژه در توسعه بازی‌های مبتنی بر وب و محتوای واقعیت مجازی کاربرد دارد. - React (2013):
در ابتدا یک کتابخانه جاوااسکریپت بود که توسط فیس‌بوک برای ایجاد رابط های کاربری توسعه داده شد. امروزه React به یکی از محبوب ترین ابزارها در توسعه نرم‌افزارهای تک صفحه‌ای (Single Page Applications) تبدیل شده است.
جمع‌بندی
کتابخانه‌ها نقشی بسیار مهمی در رشد و تکامل دنیای برنامه‌نویسی ایفا کرده‌اند. آنها به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهند تا بدون نیاز به اختراع مجدد چرخ، بر مشکلات پیچیده فنی غلبه کرده و به تولید نرم‌افزارهای بزرگتر و باکیفیت تر بپردازند. در طی چند دهه گذشته، با تغییر نیازها و پیشرفت تکنولوژی،کتابخانه های برنامه نویسی نیز تکامل یافته و به حوزه فناوریهای جدید مانند یادگیری ماشین، پردازش تصویر، واقعیت مجازی ، واقعیت افزوده و گرافیک سه بعدی وارد شده‌اند.
امروز، کتابخانه‌ها نه تنها به‌عنوان ابزارهای ضروری برای توسعه نرم‌افزار شناخته می‌شوند، بلکه حتی در فریم‌ورک‌ها و سیستم‌های پیچیده‌تر نیز استفاده گسترده ای دارند. در نهایت می توان گفت که آینده توسعه نرم‌افزار همچنان بر دوش این کهنه سربازان قدیمی خواهد بود، چه به‌عنوان ابزارهایی مستقل و چه در قالب اجزای تشکیل‌دهنده‌ی فریم‌ورک‌های پیشرفته.