Tworzenie oprogramowania to bardzo techniczny i wymagający proces, który wymaga planowania i opracowywania strategii w celu sformułowania właściwego sposobu rozwiązania problemu za pomocą oprogramowania.
W związku z tym ważnym krokiem jest rozważenie wybranego paradygmatu programowania przed opracowaniem jakiegokolwiek oprogramowania.
Paradygmat programowania to model lub podejście do programowania, które zapewnia funkcje, wzorce, zasady, reguły i style projektowania, strukturyzacji i pisania programów komputerowych.
Przykłady popularnych paradygmatów programowania obejmują między innymi programowanie obiektowe (OOP), programowanie proceduralne, programowanie sterowane zdarzeniami i programowanie funkcyjne.
W szczególności programowanie funkcjonalne przyciąga ostatnio wiele uwagi, ponieważ obiecuje mniej błędów w kodzie, który jest wysoce wielokrotnego użytku i łatwy w utrzymaniu. Czym więc jest programowanie funkcyjne?
Programowanie funkcyjne jest podparadygmatem paradygmatu programowania deklaratywnego. Programowanie deklaratywne to paradygmat, który koncentruje się na pisaniu kodu opisującego, co program powinien zrobić, a nie jak program powinien to zrobić.
Przykład tego można zobaczyć podczas wysyłania zapytań do baz danych SQL w celu uzyskania danych. Zamiast wyraźnie mówić, w jaki sposób chcesz to odzyskać, wszystko, co określasz, to dane, które chcesz odzyskać.
Samo programowanie funkcyjne jest paradygmatem budowania programów komputerowych przy użyciu wyrażeń i czystych funkcji, które są stosowane sekwencyjnie w celu rozwiązania problemów lub osiągnięcia pożądanych rezultatów.
W programowaniu funkcyjnym cała funkcjonalność programu jest podzielona na funkcje wielokrotnego użytku, o pojedynczej odpowiedzialności. Wszystko w programie dzieje się za pomocą czystych funkcji.
Czysta funkcja to funkcja deterministyczna, która przy tych samych wartościach wejściowych zwróci ten sam wynik i nie wpłynie na żadne inne części aplikacji.
Wynik czystej funkcji zależy zatem wyłącznie od jej danych wejściowych, a nie od zmiennej globalnej w aplikacji, która może zmienić wyniki funkcji.
Te czyste funkcje otrzymują dane wejściowe, przetwarzają je lokalnie i generują dane wyjściowe bez zmiany jakiejkolwiek innej części programu.
Programowanie funkcjonalne wykorzystuje niezmienne dane, to znaczy dane, których nie można zmienić po ich utworzeniu, a także unika współdzielonych stanów, w których te same dane mogą być dostępne i modyfikowane przez różne części programu.
Ponieważ programowanie funkcyjne w dużej mierze opiera się na funkcjach, funkcje są określane jako obywatele pierwszej klasy, co oznacza, że można je przekazać jako argument, zapisać w zmiennej, a także zwrócić z innej funkcji.
Ponadto programowanie funkcyjne w dużej mierze opiera się na wyrażeniach zamiast na instrukcjach, dzięki czemu unika się instrukcji pętli, takich jak for i while. Ma to na celu ułatwienie śledzenia i debugowania logiki programu.
Spis treści:
Rodzaje funkcjonalnych języków programowania
Istnieją dwa główne typy funkcjonalnych języków programowania. Obejmują one:
- Języki czysto funkcjonalne — są to języki programowania, które wspierają, wymuszają i promują stosowanie paradygmatów funkcjonalnych, takich jak korzystanie z czystych funkcji pierwszej klasy, niezmienność stanów i danych oraz funkcje, które nie mają skutków ubocznych dla innych części programu. Przykładami czysto funkcjonalnych języków są między innymi Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark i Elm.
- Nieczyste języki funkcyjne – są to języki, które obsługują paradygmaty programowania funkcjonalnego, ale pozwalają również na użycie nieczystych funkcji, mutacji stanu programu i operacji, które mają skutki uboczne. Przykłady nieczystych języków funkcjonalnych obejmują między innymi Javascript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin i Clojure.
Deweloperzy używają zarówno czysto funkcjonalnych, jak i nieczystych języków funkcjonalnych. Jednak przejście na czysto funkcjonalny język może zająć dużo czasu i wysiłku, jeśli nigdy wcześniej nie korzystałeś z programowania funkcyjnego.
Funkcjonalne języki programowania i biblioteki
Niektóre popularne funkcjonalne języki programowania i biblioteki obejmują:
# 1. Haskella
Haskell to statycznie typowany, leniwy, czysto funkcjonalny język programowania, który jest uważany za ucieleśnienie paradygmatu programowania funkcyjnego.
Oprócz wnioskowania o typie język oferuje obsługę leniwej oceny, w której wyrażenia są oceniane tylko wtedy, gdy potrzebne są ich wyniki. Haskell oferuje również obsługę programowania współbieżnego, a jego kompilacja zawiera wysokowydajny moduł wyrzucania elementów bezużytecznych i lekką bibliotekę współbieżności.
Dzięki jego zastosowaniu i ścisłemu przestrzeganiu zasad programowania funkcyjnego Haskell może ułatwić tworzenie złożonych systemów oprogramowania, a także ułatwić ich konserwację.
Wśród wielu graczy z branży Haskell jest językiem podstawowym podczas budowania samodzielnych systemów lub języków specyficznych dla domeny. Ma również szerokie zastosowanie w środowisku akademickim i badawczym. Niektóre firmy korzystające z Haskella to między innymi Microsoft, Github, Hasura i Lumi.
#2. Ramda
Ramda to funkcjonalna biblioteka programistyczna dla języka JavaScript. Ramda ułatwia budowanie złożonej logiki poprzez funkcjonalną kompozycję i zapewnia zestaw funkcji użytkowych, które zachęcają i wspierają korzystanie z zasad programowania funkcyjnego w JavaScript.
Ramda zapewnia również łatwy sposób używania niezmiennych obiektów i funkcji bez skutków ubocznych, które są kluczowymi pojęciami w programowaniu funkcjonalnym.
Ponieważ JavaScript nie jest czysto funkcjonalnym językiem programowania, takim jak Haskell, dzięki wykorzystaniu biblioteki takiej jak Ramda można korzystać z programowania funkcyjnego i czerpać korzyści z programowania funkcyjnego podczas korzystania z JavaScript.
#3. Eliksir
Elixir to uniwersalny, współbieżny, funkcjonalny język programowania, który został zaprojektowany tak, aby był skalowalny, łatwy w utrzymaniu, a także odporny na błędy. Język został stworzony w 2011 roku przez Jose Valima, działa na maszynie wirtualnej BEAM i jest używany między innymi przez firmy takie jak Heroku, Discord, change.org i Duffel.
Będąc funkcjonalnym językiem programowania, Elixir zachęca do niezmienności stanów i danych, używania czystych funkcji podczas pisania kodu i transformacji danych.
Kluczowe pojęcia w programowaniu funkcjonalnym
# 1. Czyste funkcje
Programowanie funkcyjne szeroko wykorzystuje czyste funkcje. Czyste funkcje mają dwie główne cechy. Po pierwsze, wytwarzają ten sam wynik dla tego samego wkładu, niezależnie od jakichkolwiek czynników zewnętrznych, co czyni je z natury deterministycznymi, a zatem przewidywalnymi.
Po drugie, czyste funkcje nie mają skutków ubocznych. Oznacza to, że w żaden sposób nie modyfikują środowiska zewnętrznego poza ich zakresem.
Niektóre przykłady czystych funkcji obejmują:
//function to calculate the square of a number
function square(x) {
return x * x;
}
//function to add two variables
function add(a, b) {
return a + b
}
Powyższe funkcje zwracają to samo wyjście dla tych samych danych wejściowych i nie mają żadnych skutków ubocznych poza ich zakresem.
#2. Niezmienność
W programowaniu funkcjonalnym używane dane są niezmienne. Oznacza to, że po zainicjowaniu zmiennych nie można ich modyfikować. Zapewnia to zachowanie stanu zmiennej w całym programie.
Jeśli chcesz dokonać jakiejkolwiek modyfikacji zmiennej lub wykonać na niej operację, możesz utworzyć nową zmienną do przechowywania zaktualizowanych danych bez zmiany zmiennej początkowej.
#3. Funkcje wyższego rzędu
Funkcje wyższego rzędu to funkcje, które przyjmują jedną lub więcej funkcji jako argumenty i/lub zwracają funkcję.
Funkcje wyższego rzędu są przydatne w programowaniu funkcjonalnym, ponieważ umożliwiają łączenie wielu funkcji w celu tworzenia nowych funkcji, umożliwiają stosowanie wywołań zwrotnych, pozwalają na abstrakcję wspólnych wzorców w funkcje wielokrotnego użytku, a wreszcie funkcje wyższego rzędu umożliwiają pisanie bardziej zwięzłych i ekspresyjny kod.
Poniżej przedstawiono przykład funkcji wyższego rzędu:
// A higher-order function which returns a function that multiplies
// a number by a given factor
function multiplier(factor) {
return function (number) {
return number * factor;
}
}
const double = multiplier(2);
const triple = multiplier(3);
const quadruple = multiplier(4);
console.log(double(5)); // Output: 10
console.log(triple(5)); // Output: 15
console.log(quadruple(5)); // Output: 20
#4. rekursja
Ponieważ programowanie funkcjonalne opiera się na wyrażeniach zamiast na instrukcjach, w tym paradygmacie unika się instrukcji przepływu sterowania, takich jak pętle for i while. Te instrukcje pętli są z kolei zastępowane za pomocą rekurencji, która jest używana do wykonywania iteracji w programowaniu funkcyjnym.
Rekurencja obejmuje funkcję wywołującą samą siebie wielokrotnie, aż zostanie spełniony warunek wyjścia. Za pomocą rekurencji złożony problem jest dzielony na mniejsze, prostsze podproblemy, które są następnie rozwiązywane rekurencyjnie, aż do osiągnięcia przypadku podstawowego, zapewniając rozwiązanie większego złożonego problemu.
#5. Programowanie deklaratywne
Programowanie funkcjonalne jest podparadygmatem w szerszym paradygmacie programowania deklaratywnego, który obejmuje paradygmaty programowania, które koncentrują się na pisaniu kodu w kategoriach tego, co należy zrobić, zamiast jawnego określania, jak to zrobić.
W związku z tym, używając paradygmatu programowania funkcyjnego, twój kod powinien opisywać, co należy osiągnąć lub problem do rozwiązania.
Sposób, w jaki zostanie to osiągnięte, zależy od używanego języka programowania. Pomaga to w pisaniu bardziej zwięzłego i czytelnego kodu.
#6. Bezpaństwowiec
Programowanie funkcjonalne kładzie nacisk na kod bezstanowy, w którym kod nie utrzymuje stanu globalnego, który można modyfikować za pomocą funkcji. Wyniki funkcji zależą wyłącznie od przekazanych danych wejściowych i nie mogą na nie wpływać zależności od innych części kodu.
Użyte funkcje nie mogą modyfikować stanu lub zmiennej w programie, która jest poza jego zakresem.
#7. Wykonanie równoległe
Ponieważ programowanie funkcjonalne wykorzystuje niezmienne stany, czyste funkcje i niezmienne dane, umożliwia równoległe wykonywanie wielu obliczeń jednocześnie.
Ponieważ każda funkcja ma do czynienia tylko z danym wejściem, nie martwiąc się o skutki uboczne z innych części programu, złożone problemy można podzielić na mniejsze podproblemy i wykonywać jednocześnie, równolegle, co pozwala na lepszą wydajność i efektywność.
Korzyści z programowania funkcjonalnego
Niektóre z zalet programowania funkcyjnego obejmują:
Mniej błędów oprogramowania
Oprócz faktu, że kod implementujący paradygmat programowania funkcyjnego jest bardziej czytelny i łatwiejszy do zrozumienia ze względu na użycie czystych funkcji, programowanie funkcjonalne pozwala na pisanie kodu z mniejszą liczbą błędów.
Ponieważ programowanie funkcjonalne działa ze stanami niezmiennymi, nigdy nie ma kilku części programu zmieniających stan zmiennej lub całego programu. To z kolei skutkuje mniejszą liczbą błędów, które mogłyby wynikać z modyfikowania danych z wielu obszarów z powodu wspólnych stanów.
Poprawia czytelność kodu
Programowanie funkcjonalne jest podparadygmatem paradygmatu deklaratywnego, który kładzie nacisk na pisanie kodu opisującego, co należy zrobić, a nie jak to zrobić. To, w połączeniu z użyciem czystych funkcji, skutkuje kodem, który nie wymaga wyjaśnień, jest łatwiejszy do odczytania i zrozumienia oraz łatwy w utrzymaniu.
Zwiększ możliwości ponownego wykorzystania kodu
Implementacja programowania funkcjonalnego wymaga podzielenia złożonych problemów na mniejsze podproblemy i rozwiązania tych problemów za pomocą czystych funkcji. Funkcje te można łatwo komponować i ponownie wykorzystywać do rozwiązywania innych złożonych problemów. Dzięki wykorzystaniu czystych funkcji i niezmiennych stanów programowanie funkcyjne umożliwia pisanie kodu o dużym stopniu wielokrotnego użytku.
Łatwiejsze testowanie i debugowanie
Programowanie funkcyjne wykorzystuje czyste funkcje, które nie mają skutków ubocznych, zależą tylko od swoich danych wejściowych i generują spójne deterministyczne wyniki dla tego samego zestawu danych wejściowych.
To sprawia, że programowanie funkcjonalne jest z natury łatwe do testowania i debugowania, ponieważ nie ma potrzeby śledzenia zmiennej i jej zmian w różnych częściach programu.
Ponieważ w programowaniu funkcyjnym nie ma zależności, debugowanie i testowanie staje się łatwiejsze, ponieważ można celować w określone części programu.
Obsługuje współbieżność i równoległość
Ponieważ programowanie funkcjonalne zachęca do bezstanowości i niezmienności danych, umożliwia bezpieczne wykonywanie wielu czystych funkcji równolegle lub jednocześnie. Możliwość wykonywania wielu operacji równolegle skutkuje większą szybkością przetwarzania i lepszym wykorzystaniem procesorów z wieloma rdzeniami.
Jako paradygmat programowania, programowanie funkcjonalne może pomóc w pisaniu bardziej czytelnego i łatwego do zrozumienia kodu z mniejszą liczbą błędów i doskonałą obsługą równoległości, co pozwala na efektywne wykorzystanie procesorów wielordzeniowych. Programowanie funkcjonalne umożliwia budowanie systemów oprogramowania, które są bardziej niezawodne i łatwe do skalowania.
Ograniczenia programowania funkcjonalnego
Chociaż programowanie funkcjonalne ma wiele do zaoferowania, ma krzywą uczenia się, która wymaga od programistów zainwestowania dużo czasu i wysiłku w naukę korzystania z tego paradygmatu. Dzieje się tak, ponieważ wprowadza nowe sposoby strukturyzowania kodu i nowe koncepcje programowania.
Kodowanie przy użyciu programowania funkcyjnego może być niezwykle złożone i trudne, ponieważ nie wykorzystuje bardziej intuicyjnych funkcji, takich jak pętle for i while. Pisanie programów rekurencyjnie nie jest łatwe.
W rezultacie programiści mogą zająć więcej czasu, aby opanować programowanie funkcyjne, zwłaszcza jeśli pochodzą z języków, które używają zmiennych stanów, takich jak programowanie obiektowe.
Kolejne ograniczenie programowania funkcyjnego wynika z jego podstawowej zasady niezmienności. Ponieważ dane i stany są zmienne, a nowe struktury danych są tworzone zamiast modyfikowania istniejących, powoduje to, że programowanie funkcjonalne zużywa więcej miejsca w pamięci. Niezmienny charakter programowania funkcyjnego może również skutkować gorszą wydajnością aplikacji.
Wniosek
Chociaż programowanie funkcyjne istnieje od dawna, w ostatnim czasie stało się popularnym paradygmatem. Chociaż może to być trochę trudne do zrozumienia, programiści mogą odnieść ogromne korzyści z poznania paradygmatu i różnych sposobów implementacji programowania funkcyjnego podczas pisania programów.
Ponieważ nie musisz używać czysto funkcjonalnych języków programowania, takich jak Haskell, możesz zaimplementować koncepcje programowania funkcyjnego w językach takich jak Javascript, Java, Python i Kotlin i czerpać korzyści z programowania funkcyjnego w swoich projektach.
Możesz także zapoznać się z niektórymi zasobami do nauki języka Python dla początkujących.