Распространенные языки программирования обычно допускают несколько парадигм программирования, при этом условно различают декларативное и императивное программирование. Проще говоря, такие парадигмы формируют основной подход при программировании программного обеспечения. Подформой декларативного подхода является так называемое функциональное программирование, которое преимущественно используется при разработке следующих программ или кодов:
- Технические и математические приложения
- Искусственный интеллект (ИИ)
- Компиляторы и синтаксические анализаторы
- Алгоритмы
Что делает подход к программированию или функциональные языки программирования такими интересными для данного типа компьютерных приложений? И чем он отличается от других концепций, таких как объектно-ориентированное программирование?
- Что такое функциональное программирование?
- Почему функциональное программирование сегодня актуально как никогда
- С первого взгляда: Самые важные функциональные языки программирования
- Преимущества и недостатки функционального программирования
- Тенденция или отсутствие тенденции? Объектно-ориентированное и функциональное программирование в перекрестном сравнении
- Функциональное программирование на примере парсера
Что такое функциональное программирование?
Как следует из названия, в центре внимания функционального подхода к программированию находятся функции. В функциональной программе все элементы могут рассматриваться как функции, а код может выполняться с помощью конкатенированных вызовов функций. И наоборот, здесь нет независимых присвоений значений. Функцию лучше всего представить как специальный вариант подпрограммы. Она может использоваться повторно и, в отличие от процедуры, непосредственно возвращает результат.
Конечно, во многих языках программирования более высокого уровня есть функции, которые определяются, а затем применяются, так что это не является особенностью функционального программирования. То, что делает функциональный подход таким важным для информатики и в то же время подходящим для широкого круга приложений, — это тот факт, что функции в рамках этой парадигмы программирования могут принимать различные «формы». Таким образом, они могут быть связаны друг с другом подобно данным. Кроме того, возможно как использование в качестве параметра, так и использование в качестве результата функции. Такое особое обращение с функциями позволяет программистам реализовывать и обрабатывать сложные вычислительные задачи (в частности, символьные).
Почему функциональное программирование сегодня актуально как никогда
Хотя корни функционального программирования уходят в 1930-е годы (как часть фундаментальных математических исследований), функциональный подход продолжает оставаться очень популярным, особенно в технических и математических областях. Этому есть несколько причин:
- Широкие возможности для алгебраического преобразования программ
- Широкие возможности для алгебраического синтеза программ
- Простые возможности семантического анализа благодаря отказу от «внутренних состояний в процессе вычисления» и «побочных эффектов».
- Отказ от внутренних состояний: в отличие от императивного программирования, внутренние состояния процесса вычисления не требуются.
- Отказ от побочных эффектов: изменения состояния, которые идут рука об руку с внутренними состояниями, так называемые побочные эффекты, также можно обойтись без функциональных задач.
Функциональное программирование предлагает высокую степень абстракции, поскольку оно основано на математической концепции и принципе функции. Чистое применение этого типа программирования приводит к очень точному коду. Множество небольших, многократно используемых и узкоспециализированных блоков, а также функций создают программу для решения гораздо большей задачи.
Поэтому существует множество практических причин, по которым функциональное программирование и функциональные языки программирования, работающие по этому принципу, очень популярны в информатике, в частности, когда речь идет о сложных математических задачах и алгоритмах. В то же время, благодаря очень специфическим областям применения, функциональные языки программирования играют что-то вроде нишевой роли.
С первого взгляда: Самые важные функциональные языки программирования
К наиболее важным языкам программирования, основанным на функциональном подходе, относятся следующие:
- LISP
- ML
- Haskell
- OCaml
- F#
- Erlang
- Clojure
- Scala
Кроме того, существуют известные языки программирования, которые допускают функциональное программирование как одну из нескольких возможных парадигм:
- Perl
- Ruby
- Visual Basic .NET
- Dylan
- ECMAScript
Преимущества и недостатки функционального программирования
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Программы не имеют состояния | Данные (например, переменные) не могут быть изменены |
| Хорошо подходит для распараллеливания | Невозможно эффективное извлечение больших объемов данных |
| Легко тестируемый код | Не рекомендуется для соединений с базами данных и серверами |
| Легко проверяемый код, даже функции без состояния могут быть проверены | Не подходит для многих рекурсий одного и того же стека |
| Может сочетаться с императивным, объектно-ориентированным программированием | Рекурсивное программирование может привести к серьезным ошибкам |
| Более точный, короткий код | Не подходит для всех задач |
В таблице приведен обзор, позволяющий определить, является ли функциональная парадигма правильным подходом для вашего проекта программирования программного обеспечения или нет. Решение в пользу того или иного стиля программирования часто сильно зависит от личных предпочтений разработчика. По этой причине, например, объектно-ориентированное программирование является популярной альтернативой функциональному подходу. Поэтому далее следует провести краткое сравнение этих двух подходов, включая заключительный практический пример.
Тенденция или отсутствие тенденции? Объектно-ориентированное и функциональное программирование в перекрестном сравнении
Как и в моде, в программировании существуют различные тенденции. Уже довольно давно в тренде объектно-ориентированное программирование. Оно особенно популярно при разработке веб-приложений и компьютерных игр. По сравнению с функциональным программированием, при использовании этого подхода отдельные элементы описываются не как функции, а как объекты и классы. В сочетании с системой наследования это дает то преимущество, что все компоненты могут быть легко использованы повторно и расширены в любое время. Функциональный код, с другой стороны, короче, понятнее и предпочтительнее там, где требуется тестируемый и проверяемый код.
Кстати, выбор между объектно-ориентированным и функциональным программированием не обязательно должен быть сделан. Многие современные языки программирования поддерживают работу с обоими стилями программирования. Таким образом, их можно легко комбинировать, а разработчики получают выгоду от достоинств обеих парадигм.
Функциональное программирование на примере парсера
Парсеры — это программные компоненты, которые часто незаменимы в качестве контролирующих механизмов для компиляторов, переводящих язык программирования на машинный язык.
Парсер может быть реализован на основе различных парадигм программирования, например, на объектно-ориентированном языке. Однако функциональный подход предлагает ряд полезных преимуществ в отношении проектирования кода синтаксического анализатора:
- Отсутствуют глобальные и изменяемые переменные. Соответственно, ни одна ошибка программирования не может возникнуть из-за так называемого «изменяемого глобального состояния», как это бывает в объектно-ориентированных проектах. Это дает преимущества парсеру как центральному элементу программы.
- Благодаря функциям высшего порядка и управляемому программному коду можно легко обрабатывать большие коллекции данных. Это очень полезно для синтаксического анализатора, который обрабатывает большие объемы данных.
- Парсер — это элемент программы, который выполняется часто. Он помогает программе в целом, при условии, что этот центральный элемент точно запрограммирован и работает эффективно, как в случае функционального программирования.
- Ошибка в процессе синтаксического анализа обычно фатальна, и ее следует избегать любой ценой. Однако в процессе работы программы, безусловно, возникает множество семантических зависимостей, которые часто могут привести к серьезным ошибкам. При правильной реализации функциональное программирование может помочь минимизировать или даже предотвратить такие серьезные ошибки при выполнении.