Створення програмного забезпечення є дуже технічним і складним процесом, який вимагає планування та розробки стратегії, щоб сформулювати правильний спосіб вирішення проблеми за допомогою програмного забезпечення.
У цьому відношенні важливим кроком є розгляд обраної парадигми програмування перед розробкою будь-якого програмного забезпечення.
Парадигма програмування — це модель або підхід до програмування, який передбачає функції, моделі, принципи, правила та стилі проектування, структурування та написання комп’ютерних програм.
Приклади популярних парадигм програмування включають, серед іншого, об’єктно-орієнтоване програмування (ООП), процедурне програмування, програмування, кероване подіями та функціональне програмування.
Зокрема, останнім часом багато уваги приділяється функціональному програмуванню, оскільки воно обіцяє менш глючний код, який можна багаторазово використовувати та легко підтримувати. Отже, що таке функціональне програмування?
Функціональне програмування є підпарадигмою парадигми декларативного програмування. Декларативне програмування — це парадигма, яка зосереджується на написанні коду, який описує, що програма має робити, а не те, як програма має це робити.
Приклад цього можна побачити під час запиту даних до баз даних SQL. Замість того, щоб чітко вказати, як ви хочете, щоб це було отримано, все, що ви вказуєте, це дані, які ви хочете отримати.
Саме функціональне програмування є парадигмою створення комп’ютерних програм із використанням виразів і чистих функцій, які застосовуються послідовно для вирішення проблем або досягнення бажаних результатів.
У функціональному програмуванні вся функціональність програми розбивається на багаторазові чисті функції з однією відповідальністю. Усе в програмі відбувається через використання чистих функцій.
Чиста функція — це детермінована функція, яка, отримавши однакові вхідні значення, поверне той самий вихід і не впливає на інші частини програм.
Таким чином, результат чистої функції покладається виключно на її вхідні дані, а не на глобальну змінну в додатку, яка може змінити результати функції.
Ці чисті функції отримують вхідні дані, обробляють їх локально та створюють вихідні дані, не змінюючи жодної іншої частини програми.
Функціональне програмування використовує незмінні дані, тобто дані, які не можна змінити після їх створення, а також уникає спільних станів, коли до тих самих даних можуть звертатися та змінювати різні частини програми.
Оскільки функціональне програмування значною мірою покладається на функції, функції називають громадянами першого класу, тобто їх можна передати як аргумент, зберегти в змінній, а також повернути з іншої функції.
Крім того, функціональне програмування значною мірою покладається на вирази, а не на оператори, тому уникає операторів циклу, таких як for і while. Це зроблено для того, щоб логіку програми було легко простежити та налагодити.
Типи мов функціонального програмування
Існує два основних типи функціональних мов програмування. До них належать:
- Чисто функціональні мови – це мови програмування, які підтримують, забезпечують і сприяють використанню функціональних парадигм, таких як використання чистих функцій першого класу, незмінність станів і даних, а також функції, які не мають побічних ефектів для інших частин програми. Приклади суто функціональних мов включають Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark і Elm, серед інших.
- Нечисті функціональні мови – це мови, які підтримують парадигми функціонального програмування, але також дозволяють використовувати нечисті функції, мутації стану програми та операції, які мають побічні ефекти. Приклади нечистих функціональних мов включають Javascript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin і Clojure, серед інших.
Розробниками використовуються як суто функціональні, так і нечистофункціональні мови. Однак перехід до суто функціональної мови може зайняти багато часу та зусиль, якщо ви ніколи раніше не користувалися функціональним програмуванням.
Функціональні мови програмування та бібліотеки
Деякі популярні функціональні мови програмування та бібліотеки включають:
#1. Haskell
Haskell — це статично типізована, відкладена, суто функціональна мова програмування, яка вважається втіленням парадигми функціонального програмування.
Окрім виведення типу, мова пропонує підтримку відкладеного обчислення, де вирази обчислюються лише тоді, коли потрібні їхні результати. Haskell також пропонує підтримку паралельного програмування, а його компіляція містить високопродуктивний збирач сміття та легку бібліотеку паралелізму.
Завдяки використанню та суворому дотриманню принципів функціонального програмування Haskell може полегшити створення складних програмних систем, а також полегшити обслуговування.
Серед багатьох галузевих гравців Haskell є основною мовою для створення автономних систем або предметно-орієнтованих мов. Він також широко використовується в наукових колах і дослідженнях. Деякі компанії, які використовують Haskell, включають Microsoft, Github, Hasura та Lumi, серед багатьох інших.
#2. Рамда
Ramda — це бібліотека функціонального програмування для мови JavaScript. Ramda спрощує створення складної логіки за допомогою функціональної композиції та надає набір службових функцій, які заохочують і підтримують використання принципів функціонального програмування в JavaScript.
Ramda також забезпечує простий спосіб використання незмінних об’єктів і функцій без побічних ефектів, які є ключовими поняттями у функціональному програмуванні.
Оскільки JavaScript не є суто функціональною мовою програмування, як Haskell, за допомогою бібліотеки, як Ramda, ви можете використовувати функціональне програмування та отримати переваги продуктивності функціонального програмування під час використання JavaScript.
#3. Еліксир
Elixir — це універсальна, паралельна, функціональна мова програмування, яка розроблена таким чином, щоб бути масштабованою, легкою в обслуговуванні, а також відмовостійкою. Мова була створена в 2011 році Хосе Валімом, працює на віртуальній машині BEAM і використовується такими компаніями, як Heroku, Discord, change.org і Duffel, серед інших.
Будучи функціональною мовою програмування, Elixir заохочує незмінність станів і даних, використання чистих функцій під час написання коду та перетворення даних.
Ключові концепції функціонального програмування
#1. Чисті функції
Функціональне програмування широко використовує чисті функції. Чисті функції мають дві основні характеристики. По-перше, вони виробляють однаковий вихід для того самого входу незалежно від будь-яких зовнішніх факторів, що робить їх детермінованими за своєю природою і, отже, передбачуваними.
По-друге, чисті функції не мають побічних ефектів. Тобто вони жодним чином не змінюють зовнішнє середовище поза межами своєї сфери.
Деякі приклади чистих функцій включають:
//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
}
Наведені вище функції повертають той самий вихід для тих самих вхідних даних і не мають жодних побічних ефектів поза їхньою сферою дії.
#2. Незмінність
У функціональному програмуванні дані, що використовуються, є незмінними. Це означає, що після ініціалізації змінних їх неможливо змінити. Це забезпечує збереження стану змінної протягом усієї програми.
Якщо ви хочете внести будь-які зміни до змінної або виконати над нею операцію, ви можете створити нову змінну для зберігання оновлених даних, не змінюючи початкову змінну.
#3. Функції вищого порядку
Функції вищого порядку — це функції, які приймають одну або кілька функцій як аргументи та/або повертають функцію.
Функції вищого порядку корисні у функціональному програмуванні, оскільки вони дозволяють комбінувати кілька функцій для створення нових функцій, дозволяють використовувати зворотні виклики, дозволяють абстрагувати загальні шаблони у функції, які можна багаторазово використовувати, і, нарешті, функції вищого порядку дозволяють писати більш стислі та виразний код.
Приклад функції вищого порядку показано нижче:
// 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. Рекурсія
Оскільки функціональне програмування покладається на вирази замість операторів, у цій парадигмі уникають операторів потоку керування, таких як цикли for і while. Ці оператори циклу, у свою чергу, замінюються за допомогою рекурсії, яка використовується для виконання ітерацій у функціональному програмуванні.
Рекурсія передбачає повторний виклик функції, доки не буде виконана умова виходу. Використовуючи рекурсію, складна проблема розбивається на менші, простіші підпроблеми, які потім вирішуються рекурсивно, доки не буде досягнуто базового випадку, забезпечуючи вирішення більшої складної проблеми.
#5. Декларативне програмування
Функціональне програмування є підпарадигмою ширшої парадигми декларативного програмування, яка охоплює парадигми програмування, які зосереджуються на написанні коду з точки зору того, що потрібно зробити, замість того, щоб чітко вказувати, як це зробити.
У зв’язку з цим, коли використовується парадигма функціонального програмування, ваш код повинен описувати, чого потрібно досягти або проблему, яку потрібно вирішити.
Як це буде досягнуто, залежить від мови програмування, яку ви використовуєте. Це допомагає писати більш стислий і легко читабельний код.
#6. Без громадянства
Функціональне програмування наголошує на коді без стану, де код не підтримує глобальний стан, який можна змінювати функціями. Результати функцій залежать виключно від переданих вхідних даних і на них не можуть впливати залежності від інших частин коду.
Використовувані функції не можуть змінювати стан або змінну в програмі, що виходить за межі її області.
#7. Паралельне виконання
Оскільки функціональне програмування використовує незмінні стани, використовує чисті функції та незмінні дані, воно дозволяє виконувати паралельне виконання кількох обчислень одночасно.
Оскільки кожна функція має працювати лише з певним вхідним сигналом, не турбуючись про побічні ефекти від інших частин програми, складні проблеми можна розбити на менші підпроблеми та виконувати одночасно паралельно, що дозволяє підвищити продуктивність і ефективність.
Переваги функціонального програмування
Деякі з переваг функціонального програмування включають:
Менше програмних помилок
Окрім того факту, що код, який реалізує парадигму функціонального програмування, є більш читабельним і легшим для розуміння завдяки використанню чистих функцій, функціональне програмування дозволяє писати код з меншою кількістю помилок.
Оскільки функціональне програмування працює з незмінними станами, у вас ніколи не буде кількох частин програми, які змінюють стан змінної або всієї програми. Це, у свою чергу, призводить до меншої кількості помилок, які могли виникнути через зміну даних із кількох областей через спільні стани.
Покращує читабельність коду
Функціональне програмування є підпарадигмою декларативної парадигми, яка наголошує на написанні коду, який описує, що потрібно зробити, а не як це зробити. Це, у поєднанні з використанням чистих функцій, призводить до коду, який є зрозумілим, легшим для читання та розуміння та простим у супроводі.
Покращення повторного використання коду
Реалізація функціонального програмування вимагає розбиття складних проблем на менші підпроблеми та вирішення цих проблем за допомогою чистих функцій. Ці функції можна легко скомпонувати та повторно використовувати для вирішення інших складних завдань. Завдяки використанню чистих функцій і незмінних станів функціональне програмування дозволяє писати багаторазовий код.
Простіше тестування та налагодження
Функціональне програмування використовує чисті функції, які не мають побічних ефектів, залежать лише від своїх вхідних даних і створюють послідовні детерміновані виходи для того самого набору вхідних даних.
Це робить функціональне програмування за своєю суттю легким для тестування та налагодження, оскільки вам не потрібно відстежувати змінну та те, як вона змінюється в різних частинах програми.
Оскільки у функціональному програмуванні немає залежностей, налагодження та тестування стають легшими, оскільки ви можете націлюватися на конкретні частини програми.
Підтримує паралельність і паралелізм
Оскільки функціональне програмування заохочує відсутність стану та незмінність даних, воно робить можливим безпечне виконання кількох чистих функцій паралельно або одночасно. Можливість виконання кількох операцій паралельно забезпечує кращу швидкість обробки та краще використання процесорів із кількома ядрами.
Як парадигма програмування, функціональне програмування може допомогти в написанні більш читабельного та легко зрозумілого коду з меншою кількістю помилок і чудовою підтримкою паралелізму, що дозволяє ефективно використовувати багатоядерні процесори. Функціональне програмування дозволяє будувати програмні системи, які є більш надійними та простими для масштабування.
Обмеження функціонального програмування
Хоча функціональне програмування може багато чого запропонувати, воно потребує кривої навчання, яка вимагає від розробників вкладати багато часу та зусиль, щоб навчитися використовувати парадигму. Це тому, що він представляє нові способи структурування коду та нові концепції програмування.
Кодування за допомогою функціонального програмування може бути надзвичайно складним і важким, оскільки воно не використовує більш інтуїтивно зрозумілі функції, такі як цикли for і while. Писати програми рекурсивно нелегко.
Як наслідок, розробникам може знадобитися більше, щоб освоїти функціональне програмування, особливо якщо вони виходять з мов, які використовують змінні стани, наприклад, в об’єктно-орієнтованому програмуванні.
Інше обмеження функціонального програмування виникає через його основний принцип незмінності. Оскільки дані та стани є змінними, а нові структури даних створюються замість того, щоб змінювати існуючі, це призводить до того, що функціональне програмування використовує більше місця для зберігання. Незмінний характер функціонального програмування також може призвести до зниження продуктивності програм.
Висновок
Хоча функціональне програмування існує вже давно, останнім часом воно стало модною парадигмою. Незважаючи на те, що це може бути трохи важко зрозуміти, розробники отримають величезну користь від вивчення парадигми та різних способів реалізації функціонального програмування під час написання програм.
Оскільки вам не потрібно використовувати суто функціональні мови програмування, такі як Haskell, ви можете реалізувати концепції функціонального програмування такими мовами, як Javascript, Java, Python і Kotlin, і скористатися перевагами функціонального програмування у своїх проектах.
Ви також можете переглянути деякі ресурси, щоб вивчити Python для початківців.