Proces tworzenia oprogramowania to złożona i wymagająca dziedzina, która obligatoryjnie wymaga starannego planowania i opracowania strategii. Kluczowym elementem jest tu wybór odpowiedniego podejścia do rozwiązywania problemów za pomocą kodu.
Z tego względu, zanim rozpocznie się faktyczne kodowanie, konieczne jest rozważenie, który paradygmat programowania będzie najodpowiedniejszy.
Paradygmat programowania to pewien wzorzec, model lub sposób podejścia do programowania, który definiuje charakterystyczne funkcje, schematy, zasady, reguły oraz style projektowania, organizowania i tworzenia programów komputerowych.
Do najbardziej rozpowszechnionych paradygmatów programowania należą m.in. programowanie obiektowe (OOP), proceduralne, sterowane zdarzeniami oraz funkcyjne.
W ostatnim czasie szczególną popularność zyskuje programowanie funkcyjne, które obiecuje zmniejszenie liczby błędów w kodzie, zwiększenie jego ponownego wykorzystania i ułatwienie konserwacji. Ale czym właściwie jest programowanie funkcyjne?
Programowanie funkcyjne stanowi sub-paradygmat programowania deklaratywnego. Programowanie deklaratywne to podejście, w którym nacisk kładzie się na opis tego, co program ma osiągnąć, a nie na to, jak ma to zrobić.
Dobrym przykładem takiego podejścia są zapytania SQL do baz danych. Zamiast szczegółowo instruować, jak dane mają zostać pobrane, określa się jedynie, jakie dane są potrzebne.
Samo programowanie funkcyjne polega na konstruowaniu programów komputerowych za pomocą wyrażeń i czystych funkcji, które są wykorzystywane sekwencyjnie w celu rozwiązania problemów lub uzyskania pożądanych wyników.
W programowaniu funkcyjnym funkcjonalność programu jest rozkładana na szereg funkcji, które mają pojedynczą odpowiedzialność i mogą być wielokrotnie używane. Wszystkie operacje w programie są realizowane za pomocą czystych funkcji.
Czysta funkcja to funkcja, która dla tych samych danych wejściowych zawsze zwraca ten sam wynik i nie wpływa na żadne inne elementy aplikacji.
Zatem wynik działania czystej funkcji zależy wyłącznie od przekazanych jej argumentów, a nie od żadnych globalnych zmiennych, które mogłyby potencjalnie zakłócić jej działanie.
Czyste funkcje otrzymują dane wejściowe, przetwarzają je lokalnie i generują wyjściowe, nie modyfikując przy tym jakiejkolwiek innej części programu.
Programowanie funkcyjne opiera się na niezmiennych danych, co oznacza, że po utworzeniu danych nie można ich już zmienić. Dodatkowo, unika się stanów współdzielonych, czyli sytuacji, w której te same dane mogą być jednocześnie dostępne i modyfikowane przez różne fragmenty programu.
Funkcje w programowaniu funkcyjnym traktowane są jako tzw. „obywatele pierwszej klasy”, co oznacza, że mogą być przekazywane jako argumenty do innych funkcji, przechowywane w zmiennych i zwracane jako wynik z innych funkcji.
Ponadto programowanie funkcyjne preferuje wykorzystanie wyrażeń zamiast instrukcji, unikając w ten sposób pętli takich jak for i while, co ułatwia śledzenie i debugowanie logiki programu.
Rodzaje funkcyjnych języków programowania
Istnieją dwa podstawowe rodzaje funkcyjnych języków programowania:
- Języki czysto funkcyjne – są to języki, które w pełni wspierają i wymuszają stosowanie paradygmatów programowania funkcyjnego, takich jak używanie czystych funkcji pierwszej klasy, niezmienne stany i dane oraz funkcje, które nie mają efektów ubocznych. Przykładami czysto funkcyjnych języków są m.in. Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark i Elm.
- Języki nieczyste funkcyjne – są to języki, które pozwalają na korzystanie z paradygmatów programowania funkcyjnego, ale dopuszczają również używanie nieczystych funkcji, zmianę stanu programu oraz wykonywanie operacji, które mają skutki uboczne. Przykłady nieczystych języków funkcyjnych to m.in. Javascript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin i Clojure.
Programiści korzystają zarówno z czysto funkcyjnych, jak i nieczystych języków funkcyjnych. Jednakże, przejście na czysto funkcyjny język może wymagać sporej dawki czasu i wysiłku, szczególnie dla osób bez doświadczenia w programowaniu funkcyjnym.
Funkcjonalne języki programowania i biblioteki
Oto kilka popularnych funkcyjnych języków programowania i bibliotek:
# 1. Haskell
Haskell to statycznie typowany, leniwy i czysto funkcyjny język programowania, często uważany za kwintesencję paradygmatu programowania funkcyjnego.
Oprócz wnioskowania o typie, język ten oferuje mechanizm leniwej ewaluacji, w której wyrażenia są obliczane dopiero wtedy, gdy ich wynik jest rzeczywiście potrzebny. Haskell posiada również wsparcie dla programowania współbieżnego oraz wydajny mechanizm odśmiecania pamięci i bibliotekę do zarządzania współbieżnością.
Dzięki swojemu podejściu i ścisłemu przestrzeganiu zasad programowania funkcyjnego, Haskell może znacznie uprościć tworzenie i utrzymanie złożonych systemów oprogramowania.
Wiele firm w branży IT używa Haskella jako języka bazowego do tworzenia specjalistycznych systemów lub języków dziedzinowych. Jest on również powszechnie wykorzystywany w środowiskach akademickich i badawczych. Firmy, które korzystają z Haskella, to m.in. Microsoft, Github, Hasura i Lumi.
#2. Ramda
Ramda to funkcjonalna biblioteka programistyczna dla języka JavaScript. Ułatwia ona budowanie złożonej logiki poprzez kompozycję funkcji i dostarcza zestaw funkcji pomocniczych, które zachęcają do stosowania zasad programowania funkcyjnego w JavaScript.
Ramda zapewnia również łatwy sposób na używanie niezmiennych obiektów i funkcji bez efektów ubocznych, co jest kluczowym aspektem programowania funkcyjnego.
JavaScript nie jest językiem czysto funkcyjnym jak Haskell, ale wykorzystanie biblioteki takiej jak Ramda umożliwia korzystanie z paradygmatu funkcyjnego i jego zalet.
#3. Elixir
Elixir to uniwersalny, współbieżny i funkcjonalny język programowania, stworzony z myślą o skalowalności, łatwości utrzymania i odporności na błędy. Został stworzony w 2011 roku przez Jose Valima, działa na maszynie wirtualnej BEAM i jest używany m.in. przez firmy Heroku, Discord, change.org i Duffel.
Jako funkcyjny język programowania, Elixir promuje niezmienność stanów i danych, wykorzystanie czystych funkcji podczas pisania kodu oraz transformację danych.
Kluczowe pojęcia w programowaniu funkcjonalnym
# 1. Czyste funkcje
Programowanie funkcyjne intensywnie korzysta z czystych funkcji. Mają one dwie zasadnicze cechy. Po pierwsze, dla tych samych danych wejściowych zawsze generują identyczny wynik, niezależnie od czynników zewnętrznych, co czyni je deterministycznymi i przewidywalnymi.
Po drugie, czyste funkcje nie mają efektów ubocznych. Oznacza to, że nie modyfikują w żaden sposób otoczenia zewnętrznego.
Oto kilka przykładów czystych funkcji:
//funkcja obliczająca kwadrat liczby
function square(x) {
return x * x;
}
//funkcja sumująca dwie zmienne
function add(a, b) {
return a + b
}
Powyższe funkcje zwracają ten sam wynik dla tych samych danych wejściowych i nie mają żadnych efektów ubocznych poza swoim zakresem.
#2. Niezmienność
W programowaniu funkcyjnym dane są traktowane jako niezmienne. Oznacza to, że po zainicjowaniu zmiennej nie można jej już modyfikować, co zapewnia zachowanie stanu zmiennej w całym programie.
Aby dokonać modyfikacji lub operacji na zmiennej, zamiast ją zmieniać, tworzy się nową zmienną, która przechowuje zaktualizowane dane, pozostawiając pierwotną zmienną nienaruszoną.
#3. Funkcje wyższego rzędu
Funkcje wyższego rzędu to funkcje, które przyjmują jako argumenty inne funkcje i/lub zwracają funkcję jako wynik.
Są one niezwykle przydatne w programowaniu funkcyjnym, ponieważ umożliwiają łączenie wielu funkcji w nowe funkcje, stosowanie wywołań zwrotnych, abstrahowanie powtarzających się wzorców do postaci wielokrotnego użytku oraz pisanie bardziej zwięzłego i ekspresyjnego kodu.
Poniżej przykład funkcji wyższego rzędu:
// Funkcja wyższego rzędu, która zwraca funkcję mnożącą
// liczbę przez zadany czynnik
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. Rekurencja
Ponieważ programowanie funkcyjne wykorzystuje wyrażenia zamiast instrukcji, unika się w nim instrukcji przepływu sterowania, takich jak pętle for i while. W ich miejsce stosowana jest rekurencja, która służy do iteracji w programowaniu funkcyjnym.
Rekurencja polega na tym, że funkcja wywołuje samą siebie wielokrotnie, aż zostanie spełniony warunek wyjścia. Przy pomocy rekurencji złożone zadanie dzielone jest na mniejsze, prostsze podzadania, które są rozwiązywane rekurencyjnie, aż do osiągnięcia warunku bazowego, co w efekcie prowadzi do rozwiązania większego, złożonego problemu.
#5. Programowanie deklaratywne
Programowanie funkcyjne jest podzbiorem szerszego paradygmatu programowania deklaratywnego, który skupia się na opisywaniu tego, co ma być zrobione, zamiast określania, jak to zrobić.
Zatem pisząc kod w paradygmacie funkcyjnym, należy koncentrować się na tym, co ma zostać osiągnięte lub jaki problem ma zostać rozwiązany.
Sposób, w jaki to zostanie osiągnięte, jest zależny od konkretnego języka programowania. Pozwala to na pisanie bardziej zwięzłego i czytelnego kodu.
#6. Bezstanowość
Programowanie funkcyjne stawia na bezstanowość, co oznacza, że kod nie przechowuje globalnego stanu, który mógłby być modyfikowany przez funkcje. Wyniki funkcji zależą wyłącznie od przekazanych argumentów i nie mogą być zmieniane przez czynniki zewnętrzne.
Użyte funkcje nie mogą zmieniać stanu lub zmiennej w programie, która jest poza ich zakresem.
#7. Równoległe wykonanie
Dzięki wykorzystaniu niezmiennych stanów, czystych funkcji i niezmiennych danych, programowanie funkcyjne umożliwia równoległe wykonywanie wielu obliczeń jednocześnie.
Ponieważ każda funkcja operuje tylko na swoich danych wejściowych, nie przejmując się o efekty uboczne innych fragmentów programu, złożone zadania mogą być dzielone na mniejsze podzadania i wykonywane równolegle, co przekłada się na większą wydajność i efektywność.
Korzyści z programowania funkcjonalnego
Do zalet programowania funkcyjnego należą:
Mniej błędów w oprogramowaniu
Kod napisany zgodnie z paradygmatem programowania funkcyjnego jest czytelniejszy i łatwiejszy do zrozumienia dzięki wykorzystaniu czystych funkcji. Co więcej, programowanie funkcyjne pozwala na tworzenie kodu z mniejszą ilością błędów.
Dzięki niezmiennym stanom, w programowaniu funkcyjnym eliminuje się sytuacje, w których wiele elementów programu modyfikuje stan zmiennej lub całego programu. To z kolei przekłada się na mniejszą liczbę błędów, które mogłyby wynikać ze zmian danych w wielu miejscach.
Poprawa czytelności kodu
Programowanie funkcyjne jest podparadygmatem programowania deklaratywnego, które kładzie nacisk na opisywanie, co ma zostać zrobione, a nie jak to zrobić. W połączeniu z wykorzystaniem czystych funkcji, skutkuje to kodem, który jest zrozumiały bez dodatkowych objaśnień, łatwiejszy do odczytania i utrzymania.
Większe możliwości ponownego wykorzystania kodu
Programowanie funkcyjne wymaga dzielenia złożonych problemów na mniejsze, prostsze podproblemy, a następnie rozwiązywania ich za pomocą czystych funkcji. Te funkcje można łatwo łączyć i wykorzystywać ponownie do rozwiązywania innych złożonych problemów. Dzięki wykorzystaniu czystych funkcji i niezmiennych stanów programowanie funkcyjne pozwala na tworzenie kodu o dużej możliwości ponownego wykorzystania.
Łatwiejsze testowanie i debugowanie
Programowanie funkcyjne wykorzystuje czyste funkcje, które nie mają efektów ubocznych, zależą wyłącznie od swoich danych wejściowych i generują spójne, deterministyczne wyniki dla tego samego zestawu danych.
To sprawia, że programowanie funkcyjne 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 skupić się na konkretnych fragmentach kodu.
Wsparcie dla współbieżności i równoległości
Programowanie funkcyjne, dzięki temu, że promuje bezstanowość i niezmienność danych, umożliwia bezpieczne i jednoczesne wykonywanie wielu czystych funkcji. Możliwość wykonywania wielu operacji równolegle skutkuje szybszym przetwarzaniem i lepszym wykorzystaniem procesorów wielordzeniowych.
Jako paradygmat programowania, programowanie funkcyjne wspomaga tworzenie bardziej czytelnego, zrozumiałego i wolnego od błędów kodu, z doskonałym wsparciem dla równoległości, umożliwiając efektywne wykorzystanie procesorów wielordzeniowych. Umożliwia to budowanie systemów oprogramowania, które są bardziej niezawodne i łatwe do skalowania.
Ograniczenia programowania funkcjonalnego
Chociaż programowanie funkcyjne oferuje wiele korzyści, ma też swoją krzywą uczenia się, która wymaga od programistów znacznego nakładu czasu i wysiłku w celu opanowania tego paradygmatu. Wynika to z wprowadzenia nowych sposobów organizacji kodu i nowych koncepcji programowania.
Kodowanie w programowaniu funkcyjnym może być bardzo złożone i trudne, ponieważ nie wykorzystuje bardziej intuicyjnych konstrukcji, takich jak pętle for i while. Pisanie programów rekurencyjnie nie jest łatwe.
W konsekwencji, opanowanie programowania funkcyjnego może wymagać więcej czasu, zwłaszcza dla programistów przyzwyczajonych do języków, które korzystają ze zmiennych stanów, takich jak programowanie obiektowe.
Kolejnym ograniczeniem programowania funkcyjnego jest jego fundamentalna zasada niezmienności. Ponieważ dane i stany są niezmienne, a zamiast modyfikować istniejące struktury danych tworzone są nowe, programowanie funkcyjne może zużywać więcej pamięci. Niezmienny charakter programowania funkcyjnego może również prowadzić do obniżonej wydajności aplikacji.
Wniosek
Chociaż programowanie funkcyjne istnieje już od dłuższego czasu, w ostatnim czasie stało się popularnym paradygmatem. Mimo że zrozumienie go może być początkowo nieco trudne, programiści mogą osiągnąć znaczne korzyści, zgłębiając ten paradygmat i poznając różne sposoby implementacji programowania funkcyjnego podczas tworzenia programów.
Nie jest konieczne korzystanie z czysto funkcyjnych języków programowania, takich jak Haskell, aby korzystać z koncepcji programowania funkcyjnego. Można je z powodzeniem implementować w językach takich jak JavaScript, Java, Python i Kotlin i cieszyć się korzyściami z programowania funkcyjnego w swoich projektach.
Możesz także zapoznać się z dodatkowymi materiałami do nauki języka Python dla początkujących.