هل تهتم بكفاءة البرمجة - Do you care about Programming Efficiency؟

السلام عليكم و رحمة الله و بركاته

أهلا بعلماء المستقبل ..
--------------------

بسم الله ..

حدثـْت مؤخرا جهاز البالم Treo 650p من 1.05 إلى 1.2 و الذي به تصحيح لبعض الأخطاء المهمة و زيادة أداء الجهاز (توفير البطارية)،
و فرحتي لهذا التحديث، أني قمت بتنزيل بعض البرامج و الألعاب (المجانية) من موقع الشركة.

و طبعا بعدها أخذني الوقت في تجربة هذه البرامج .. و بعد مدة .. اغلقت البرامج .. و إذ اني أرى علامة البطارية أصبحت باللون الأحمر (أي قرب نفاذ شحن البطارية) !!!

قلت مو مشكلة .. يبدو ان ذلك من آثار التحديث و انه جديد و و و ..
في اليوم التالي .. لعبت قليلا بإحدى الألعاب .. ثم رأيت هبوطا واضحا في نسبة استهلاك
البطارية !.. غريب .. فالجهاز كان يستمر معي طوال 3 أيام .. فماذا به أصبح و كأنه ليوم واحد فقط !
قلت مو مشكلة .. يمكن ذلك بسبب أن اللعبة بها الكثير من المؤثرات الصوتية و المرئية .. ناهيك عن عمل الشاشة طوال الوقت (حجم الشاشة كبير)..

بعد ذلك .. أخذت بتجربة لعبة بسيطة جدا جدا .. ألوانها لا تزيد عن الأربعة ألوان .. وليس هناك مؤثرات لا صوتية و لا مرئية (لعبة الEight Queens المشهورة)..!
ثم أيضا .. نفس النتيجة .. إذ أن النسبة قلت كثيرا ... ! ما هذا ..!
الصراحة .. خفت على جهازي .. و خفت أن يكون ذلك بسبب التحديث ..!
و حتى أقتل الشك باليقين .. استخدمت الجهاز كالسابق .. و لم أشغل عليه أي برنامج خارجي .. ثم .....
س
الجهاز استمر معي لمدة 3 أيام كالسابق ^_^..
و عندها تأكدت مما كنت أشك في أهميته و استخداماته ..
ألا وهو "الكفاءة - Efficiency" ...

المقدمة

منذ أن أخذت مادة "الرياضيات متقطعة" (أيام الجامعة) و بالتحديد عند موضوع Big O ntation (اضغط هنا لمعرفة المزيد عنه).. وذكر الدكتور أن استخدام مجرد حلقتين مشبوكتين (2 nested loops) في البرنامج يعتبر إضاعة لمجهود المعالج من دون فائدة، و ضرورة إيجاد بديل "أبسط و أخف"

و مثال على ذلك .. ترتيب المصفوفة (array) إذ أن لترتيبها تصاعدا يلزمنا حلقتين مشبوكتين .. كالتالي:

1: for (int i = 1 ; i < n ; i++) {
2: for (int j = 0 ; j < n-i ; j++) {
3: if (data[j] > data[j+1]) {
4: double temp = data[j];
5: data[j] = data[j+1];
6: data[j+1] = temp;
7: } else {
8: break;
9: }
10: }
11: }


اضغط هنا لرؤية مثال على طريقة الترتيب ..
طبعا هذا حل صحيح .. و يؤدي الغرض .. لكن قد تلاحظون أن المسألة جدا بسيطة .. لكنها تأخذ من الوقت الكثير.. !

فلنفترض أن كل عملية تبديل(الأسطر من 4 إلى 6) تأخذ ثانية واحدة .. فإذا أردنا ترتيب أسماء 10 أشخاص، اذا فسيكون الوقت الكلي 100 ثانية !
فتخيل .. كم سيستغرق من الوقت (و الجهد) اذا كنت تريد تريتب أسماء عدد سكان مدينة كاملة !
و تخيل انك تملك جهاز صغير(ساعة يد مثلا) فيها هذه الاسماء .. فهل ستتمكن الشركة من وضع معالج جبار لتطبيق عملية قد تكون تافهة ...

أعلم ان الأجهزة الآن قادرة على تطبيق مئات الملايين من العمليات في الثانية الواحدة .. لكن هناك اجهزة ابسط مثل(التفونات النقالة و الPDA و الportable devices بشتى أنواعها)

فالحل ليس بانتاج معالج أسرع .. و إنما بتبسيط و تحسين(optimizing) البرنامج..

لماذا التحسين ؟

ببساطة .. لانه ليس سهلا على الجميع الحصول على جهاز خارق السرعة لكي يحل المسألة بسهولة، و ايضا .. لماذا نستهلك جهد كبير للجهاز لأداء عمليات بسيطة، بالرغم من أن هناك عمليات أخرى أهم تستخدم هذه القوة!، لذلك وجدت دراسات كثيرة لعمل طرق و حلول و بدائل للكثير من الخوارزميات في عالم البرمجة.

و هنا قد يتبادر هذا السؤال في ذهن المبرمج:

و ما هي مشكلتي إذا كانت بعض الأجهزة ضعيفة لتشغل برنامجي؟
فنرد عليه بـ:
ألا تريد نشر برنامجك الى أكبر عدد ممكن !؟
أو هل تريد أن تقل سمعتك إذا وجد الناس أن برنامجك يأخذ مصادر الجهاز كلها ..؟
أو بطريقة أخرى .
تخيلوا لعبة كمبيوتر جديدة نزلت .. و تتطلب هذه المواصفات (على الأقل لتشغيل اللعبة)
Pentium D 3.8 gigaHz
4 gigaByte Ram
كرت شاشة Geforce 7900
و بالنهاية تجد أن أداء اللعبة برسومياتها و أصواتها مثل لعبة HalfLife 2 مثلا ..!؟

-----

من البديهي أن المبرمج يريد للغالبية العظمى أن يستخدم برنامجه بسهولة و من دون مشاكل .. و هذا ما يتم بتحسين الكفاءة.

طرق كيفية تحسين الكفاءة:

1- جعل كل ما في البرنامج صغير:
من دوال و متغيرات و وظائف حتى تبدو بسيطة و مرنة

2- عدم تكرار العمليات المنجزة، و هذا شي بديهي

3- تحديد و تقليص المتغيرات - Make data sets small(limit variables)
يعني اذا انت تعلم انك لن تستخدم اشارة السالب في الأرقام -مثلا- .. فبدلا من انك تستخدم int x تستبدلها بunsigned int x
أو اذا تستخدم الأعداد الصحيحة فقط .. فبدلا من أن تستخدم double x تستبدلها ب int x
و هكذا لبقية المتغيرات

4- Selective Processing With an IF
و هذا يوفر كثير من العمليات التي لاداعي لها.

5- If-Then-Else and Cases
نفس السبب السابق

6- طول الجمل
و ذلك لتوفير مساحات في الذاكرة و الوقت اللازم لاسترجاعها،
فبدلا من انشاء ذاكرة لكل كلمة، يتم انشاء ذاكرة واحدة لجملة تتضمن تلك الكلمات.

7- تحويل بين الأرقام و الأحرف
تقريبا كسابقتها، بدلا من انشاء ذاكرة جديدة لمتغير جديد، نستخدم نفس الذاكرة السابقة لهذا المتغير الجديد.

و ماذا علينا أن نفعل؟
طبعا ليس بشرط استخدام النقاط السابقة جميعها، و انما محاولة استخدام ما يمكن من هذه النقاط بما يتناسب مع البرنامج.

الخلاصة:
بعد أن عرفنا ماهية الكفاءة و لماذا نحسنها و استعراض طرق تحسينها، عرفنا الآن أهميتها الكبيرة في توفير الوقت و الجهد لإجراء العمليات البرمجية في أي معالج و أي نظام بصورة ممتازة و مناسبة و مقبولة.
و أحب أن أشير إلى أنه حتى هذه اللحظة و العلم يبحث الكثير و الكثير من طرق التلخيص و التوفير لرفع الكفاءة في جميع الصناعات و الخدمات في عالمنا المعاصر.

---------------------
*هذا الموضوع كتب في منتدى المنتدى من تاريخ 25 من شهر يونيو 2006
[مقال] هل تهتم بالكفاءة - Do you care about Efficiency ؟
و ايضا في الموضوع هناك إضافات جميلة فحبذا لو تقرأوها.