Розробка програмних продуктів є процесом, що відзначається технічною складністю та вимагає ретельного планування. Для ефективного вирішення задач за допомогою програмного забезпечення, необхідна розробка стратегії.
Важливим етапом у цьому процесі є визначення обраної парадигми програмування перед початком будь-якої розробки.
Парадигма програмування – це, по суті, концептуальна модель, що визначає підхід до програмування. Вона включає в себе набір функцій, моделей, принципів, правил та стилів для проектування, структурування і створення комп’ютерних програм.
Серед популярних парадигм програмування можна виділити об’єктно-орієнтоване програмування (ООП), процедурне програмування, подієве програмування та функціональне програмування.
Особливу увагу останнім часом привертає функціональне програмування, оскільки воно обіцяє створення менш схильного до помилок коду, який легко перевикористовувати та підтримувати. Тож, що ж таке функціональне програмування?
Функціональне програмування є підкатегорією декларативного програмування. Декларативне програмування зосереджується на створенні коду, що описує, *що* має робити програма, а не *як* вона це робить.
Прикладом може слугувати запит даних у базах даних SQL. Замість вказувати конкретний спосіб отримання, ви лише визначаєте, які саме дані вам потрібні.
Функціональне програмування – це парадигма створення програм шляхом використання виразів та чистих функцій, які послідовно застосовуються для розв’язання задач або досягнення потрібних результатів.
У функціональному програмуванні, вся функціональність програми поділяється на окремі, чисті функції з визначеною відповідальністю. Вся робота програми відбувається через застосування таких чистих функцій.
Чиста функція – це детермінована функція, що для однакових вхідних даних завжди повертає той самий результат і не впливає на інші компоненти програми.
Отже, результат чистої функції залежить виключно від її вхідних даних, а не від глобальних змінних програми, що можуть змінювати її результати.
Ці чисті функції отримують вхідні дані, обробляють їх локально і повертають вихідні дані, не змінюючи жодну іншу частину програми.
Функціональне програмування використовує незмінні дані, тобто дані, що не можуть бути змінені після їх створення, та уникає ситуацій, коли різні частини програми звертаються та змінюють одні й ті ж дані (спільний стан).
Оскільки функціональне програмування значною мірою спирається на функції, вони розглядаються як “громадяни першого класу”. Це означає, що їх можна передавати як аргументи, зберігати у змінних, а також повертати з інших функцій.
Крім того, функціональне програмування орієнтоване на вирази, а не на оператори, і уникає циклів, таких як `for` і `while`. Це робиться для спрощення відстеження логіки програми та налагодження.
Типи мов функціонального програмування
Існує два основних види мов функціонального програмування:
- Чисто функціональні мови: Ці мови повністю підтримують функціональні парадигми, такі як чисті функції першого класу, незмінність стану та даних, та функції, що не мають побічних ефектів. Приклади включають Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark і Elm.
- Нечисто функціональні мови: Ці мови підтримують функціональні парадигми, але також дозволяють використовувати нечисті функції, зміни стану програми та операції з побічними ефектами. Прикладами є Javascript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin і Clojure.
Розробники використовують обидва типи мов. Однак, перехід на чисто функціональну мову може вимагати значних зусиль, якщо ви раніше не працювали з функціональним програмуванням.
Функціональні мови програмування та бібліотеки
Ось декілька популярних функціональних мов програмування та бібліотек:
#1. Haskell
Haskell – це статично типізована, ледача та суто функціональна мова, що вважається еталоном функціональної парадигми.
Крім виведення типів, Haskell підтримує відкладені обчислення, коли вирази обчислюються лише тоді, коли потрібен їхній результат. Haskell також пропонує підтримку паралельного програмування та включає в себе високопродуктивний збирач сміття та легку бібліотеку для паралелізму.
Завдяки суворому дотриманню принципів функціонального програмування, Haskell дозволяє створювати складні програмні системи та спрощує їх підтримку.
Haskell є основною мовою для створення автономних систем або предметно-орієнтованих мов. Він також широко використовується в наукових дослідженнях. Серед компаній, які використовують Haskell, є Microsoft, Github, Hasura та Lumi.
#2. Ramda
Ramda – це функціональна бібліотека для JavaScript. Ramda спрощує створення складної логіки за допомогою функціональної композиції та надає набір службових функцій, що підтримують застосування принципів функціонального програмування в JavaScript.
Ramda також забезпечує простий спосіб роботи з незмінними об’єктами та функціями без побічних ефектів, що є ключовими концепціями функціонального програмування.
Оскільки JavaScript не є суто функціональною мовою, як Haskell, бібліотека Ramda дозволяє використовувати переваги функціонального програмування при роботі з JavaScript.
#3. Elixir
Elixir – це універсальна, паралельна та функціональна мова, розроблена для масштабованості, зручності у підтримці та відмовостійкості. Створена в 2011 році Хосе Валімом, мова працює на віртуальній машині BEAM і використовується такими компаніями, як Heroku, Discord, change.org та Duffel.
Як функціональна мова, Elixir сприяє незмінності стану і даних, використанню чистих функцій та перетворенню даних.
Ключові концепції функціонального програмування
#1. Чисті функції
Функціональне програмування широко використовує чисті функції. Вони мають дві основні характеристики: по-перше, вони повертають однаковий вихід для однакових вхідних даних (детермінованість); по-друге, вони не мають побічних ефектів, тобто не змінюють зовнішнє середовище.
Приклади чистих функцій:
// Функція для обчислення квадрату числа
function square(x) {
return x * x;
}
// Функція для додавання двох змінних
function add(a, b) {
return a + b
}
Ці функції повертають той самий вихід для тих самих вхідних даних і не мають побічних ефектів.
#2. Незмінність
У функціональному програмуванні дані є незмінними. Після ініціалізації змінної її не можна змінити. Це забезпечує сталість стану змінної протягом виконання програми.
Якщо вам потрібно змінити змінну, ви створюєте нову змінну для оновлених даних, не змінюючи початкову.
#3. Функції вищого порядку
Функції вищого порядку – це функції, що приймають інші функції як аргументи та/або повертають функцію як результат.
Вони корисні, оскільки дозволяють комбінувати функції для створення нових, використовувати зворотні виклики, абстрагувати загальні шаблони у функції, що можна повторно використовувати, а також писати стислий та виразний код.
Приклад функції вищого порядку:
// Функція вищого порядку, що повертає функцію, яка множить число на заданий множник
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)); // Вивід: 10
console.log(triple(5)); // Вивід: 15
console.log(quadruple(5)); // Вивід: 20
#4. Рекурсія
Функціональне програмування віддає перевагу виразам, а не операторам, тому уникає циклів `for` і `while`. Замість них використовується рекурсія, яка полягає у повторному виклику функції до виконання умови виходу.
За допомогою рекурсії, складна задача розбивається на менші, простіші підзадачі, які вирішуються рекурсивно, доки не буде досягнуто базового випадку.
#5. Декларативне програмування
Функціональне програмування є підкатегорією декларативного програмування, що зосереджується на написанні коду, який описує, *що* потрібно зробити, а не *як* це зробити.
Ваш код описує ціль або проблему, а мова програмування визначає, як її досягти. Це допомагає писати стислий та зрозумілий код.
#6. Безстатевість
Функціональне програмування наголошує на безстатевому коді, що не підтримує глобальний стан, який можуть змінювати функції. Результати функцій залежать виключно від їхніх вхідних даних і не залежать від інших частин коду.
Функції не можуть змінювати стан або змінні за межами їхньої області.
#7. Паралельне виконання
Оскільки функціональне програмування використовує незмінність станів, чисті функції та незмінні дані, воно дозволяє виконувати паралельні обчислення.
Кожна функція працює лише з визначеними вхідними даними, не турбуючись про побічні ефекти, тому складні задачі можна розбити на менші підзадачі та виконувати їх паралельно, що підвищує продуктивність та ефективність.
Переваги функціонального програмування
Деякі з переваг функціонального програмування:
Менше програмних помилок
Код, що реалізує парадигму функціонального програмування є читабельнішим та зрозумілішим завдяки використанню чистих функцій. Крім того, функціональне програмування дозволяє писати код з меншою кількістю помилок.
Оскільки функціональне програмування працює з незмінними станами, ви уникаєте ситуацій, коли кілька частин програми змінюють стан змінних. Це призводить до зменшення кількості помилок, викликаних змінами даних із кількох місць через спільні стани.
Покращує читабельність коду
Функціональне програмування є підкатегорією декларативної парадигми, що наголошує на написанні коду, який описує, *що* потрібно зробити. Це, у поєднанні з чистими функціями, робить код зрозумілим, легким для читання та розуміння.
Покращення повторного використання коду
Функціональне програмування вимагає розбиття складних задач на менші підзадачі та їх вирішення за допомогою чистих функцій. Ці функції можна легко компонувати та повторно використовувати для вирішення інших задач. Завдяки чистим функціям та незмінним станам, функціональне програмування дозволяє створювати код, що легко переносити.
Простіше тестування та налагодження
Функціональне програмування використовує чисті функції, що не мають побічних ефектів, залежать лише від вхідних даних та створюють послідовний детермінований вихід для однакових вхідних даних.
Це робить функціональне програмування легким для тестування та налагодження, оскільки вам не потрібно відстежувати зміни змінних в різних частинах програми. Відсутність залежностей полегшує налагодження.
Підтримує паралельність і паралелізм
Функціональне програмування заохочує відсутність стану та незмінність даних, що робить можливим безпечне паралельне виконання кількох чистих функцій. Це забезпечує кращу швидкість обробки та використання багатоядерних процесорів.
Функціональне програмування є корисним для написання читабельного коду з меншою кількістю помилок. Воно чудово підтримує паралелізм, що дозволяє ефективно використовувати багатоядерні процесори. За допомогою функціонального програмування можна створювати надійні та масштабовані програмні системи.
Обмеження функціонального програмування
Попри численні переваги, функціональне програмування вимагає певного часу та зусиль для опанування, оскільки воно пропонує нові підходи до структури коду та нові концепції програмування.
Кодування з використанням функціонального програмування може бути складним, оскільки воно не використовує більш інтуїтивно зрозумілі функції, такі як цикли `for` і `while`. Застосування рекурсії для написання програм не завжди просте.
Розробникам може знадобитися більше часу на опанування функціонального програмування, особливо якщо вони перейшли з мов, що використовують змінні стани, таких як об’єктно-орієнтоване програмування.
Інше обмеження пов’язане з принципом незмінності. Оскільки дані є змінними, а нові структури даних створюються замість зміни існуючих, це може призвести до використання більшого обсягу пам’яті. Також, незмінний характер функціонального програмування може знизити продуктивність програм.
Висновок
Хоча функціональне програмування існує вже давно, останнім часом воно набуло популярності. Попри деякі складнощі, розробники можуть отримати значні переваги від вивчення цієї парадигми та різних способів її реалізації.
Вам не обов’язково використовувати суто функціональні мови, такі як Haskell. Ви можете реалізувати концепції функціонального програмування в таких мовах, як Javascript, Java, Python і Kotlin, та використовувати їх переваги у своїх проектах.
Ви також можете переглянути додаткові ресурси для вивчення Python для початківців.