Функциональная разработка от А до Я

Программирование – непростое дело. Оно подразумевает изучение подходящего языка разработки, его инструментов и способов написания программных кодов. Создавать приложения можно, опираясь на различные парадигмы. Одной из них является функциональное программирование.

Далее с такой концепцией разработки предстоит познакомиться получше. Необходимо выяснить, что собой представляет функциональная парадигма, чем она отличается от остальных стилей написания программного обеспечения, а также разобраться с ее преимуществами и недостатками. Дополнительно предстоит изучить спектр языков, на которых получится реализовать соответствующий подход к разработке. Представленная ниже информация рассчитана на широкую публику. Она поможет разработчикам-новичкам понять, стоит ли выбирать данный стиль написания программного обеспечения в том или ином случае.

Определение

Функциональное программирование – это парадигма разработки, в которой процедура вычисления рассматривается как вычисление значений функций в математическом их смысле. Здесь предполагается, что разработчик будет обходиться вычислением результатов функций от исходных данных и результатов других функций. Концепция не предусматривает явного хранения состояния программного обеспечения.

Функциональное программирование – стиль написания программ при помощи функций в математическом понимании этого слова. Функция здесь определяется не как подпрограмма, а как соответствие между множествами. Проект при такой концепции описывается как правила работы с данными, которые могут быть реализованы в любом порядке.

Функциональный стиль программирования – это полная противоположность императивному подходу, в котором разработчик задает операциям четкий порядок действий: шаг за шагом. В рассматриваемой парадигме ситуация обстоит намного сложнее. Это связано с тем, что проект самостоятельно решает, как и в каком порядке выполнять те или иные операции, а программист занимается описанием правил взаимодействия и связей между элементами продукта.

Кому и когда необходима парадигма

На данный момент разработчики чаще всего пользуются при программировании объектно-ориентированным подходом. Функциональный стиль встречается намного реже из-за своей сложности. Описание приложений функциями в их математическом понимании подходит не для всех проектов.

Сейчас популярность изучаемой концепции начинает возрастать благодаря чистоте кода, а также высоким возможностям оптимизации и высокому уровню безопасности. За счет этих особенностей функциональную разработку используют при работе с важными данными или при решении различных задач, требующих сложных расчетов. У некоторых языков программирования поддерживаются фреймворки, значительно упрощающие работу с функциями в их математическом смысле. А некоторые инструменты разработки подразумевают возможность сочетания ООП и функционального стиля. К последним относятся React и Redux для JavaScript.

На данный момент пользоваться функциональной парадигмой программирования для написания проекта от самого начала до конца не рекомендуется. Это не значит, что от соответствующей концепции необходимо отказаться. Она должна всегда быть в голове и использоваться для решения некоторых задач.

Основы парадигмы

Изучая основы функционального программирования, необходимо запомнить, что оно базируется на нескольких ключевых концепциях. К ним относят:

• чистые функции;
• идея неизменности переменных;
• композиция функций.

Чистые функции – это функции, которые всегда возвращают один и тот же результат при одних и тех же входных параметрах. Если функция работает непредсказуемо, результаты ее работы приведут к нежелательным подобным эффектам.

Идея неизменности в функциональном программировании заключается в том, что переменные не могут меняться после того как они будут объявлены в проекте. Чистые функции не могут пользоваться обычными переменными, которые могут быть изменены из любого места приложения. Именно поэтому в функциональном программировании при создании циклов задействованы рекурсивные функции.

Композиция функций – подход функционального стиля разработки, который подразумевает вызов одних функций в качестве аргументов других. Такой подход годится для создания сложных составных функций из более простых.

Отличие от императивного подхода

Чтобы лучше понять, как работает рассматриваемая концепция, необходимо изучить ее ключевые отличия от других парадигм. Первая из них – это императивный подход к написанию исходных кодов различных проектов.

Здесь необходимо запомнить следующее:

1. Императивная парадигма напоминает правила умножения в столбик. Здесь последовательность действий, их порядок и тип четко определены. Выполняются команды, которые работают словно по инструкции.
2. Функциональное программирование напоминает правила орфографии и пунктуации. Четкой последовательности их применения нет. Правила не могут быть представлены строгой инструкцией. Вместо этого предстоит решить, какой принцип в какой именно ситуации будет актуален. Последовательность, в которой он будет реализован, не имеет никакого значения.

Но чтобы полностью понять рассматриваемую парадигму, необходимо изучить еще один подход к разработке программного обеспечения. Речь идет об объектно-ориентированном программировании.

Отличие от ООП

ООП – популярный среди современных разработчиков способ создания приложений. Здесь все представлено в виде объектов. В функциональном программировании – в виде функций. Объектно-ориентированный подход смешивает поведение и данные, функциональный – разделяет их. Также отличаются особенности работы с информацией и структура получающихся программ.

Объектно-ориентированный подход ближе к императивному типу программирования. Здесь код – это набор команд, который указывает компьютеру или иному устройству на то, что необходимо сделать. «Чистым» императивным стилем ООП назвать нельзя. Скорее, это дополненный и измененный его вариант.

Ключевые особенности

Что такое функциональное программирование, понятно. Данная концепция имеет множество особенностей, знать о которых должен каждый разработчик.

К их числу относят:

1. Отсутствие жестких последовательностей. Об этом уже было сказано ранее. Разработчик задает правила работы функций, а компилятор кода самостоятельно решает, в какой последовательности их выполнять. Жесткий порядок действий отсутствует.
2. «Чистые» функции. Их можно запускать, не беспокоясь о том, что они что-нибудь изменят или нарушат в исходном коде.
3. Неизменные переменные. В функциональном программировании нет переменных в их привычном разработчикам виде. Здесь все объявленные переменные выступают в качестве фактических констант. Это связано с тем, что они являются неизменными. Если с какой-то переменной требуется провести вычисления, она все равно не будет меняться. Вместо этого будет создана новая, в которую будет записан результат произведенных расчетов.
4. «Первоклассные» функции высшего порядка. Все функции в рассматриваемом стиле программирования должны быть первого класса и высшего порядка. Функция первого класса – это такая функция, которая может представляться в виде переменной. Ее разрешено передавать в качестве аргумента другим функциям, возвращать в виде результата работы функций, сохранять в переменные или структуры данных. Функция высшего порядка – это та, что принимает в виде аргументов функции или возвращает их в качестве результата.
5. Относительную прозрачность. Еще одно требование к функциям в рассматриваемом стиле – это их относительная прозрачность. Это понятие немного сложное для понимания новичками-разработчиками. Относительная прозрачность указывает на то, что выражение, которое возвращает функция, можно заменить тем или иным значением. От этого ничего не поменяется. Примером может стать функция, которая складывает два числа: 3 и 5. Она вернет суммы 3+5. Вместо соответствующей функции можно подставить число 8 – программа никак не изменится и будет работать по прежним принципам. Это вовсе не значит, что функция должна выдавать всегда один и тот же результат – только при одинаковых входных данных.
6. Рекурсию вместо циклов. В классической функциональной парадигме программирования циклы реализованы в качестве рекурсий. Цикл – это выполнение одного и того же кодового фрагмента несколько раз подряд. Рекурсия – явление, при котором функция будет вызывать сама себя, но с другими аргументами.
7. Лямбда-исчисления. Это – особая математическая система. Она используется в функциональных языках разработки.

Рассматриваемая концепция разработки может показаться изначально достаточно сложной, особенно для крупных проектов. Она имеет свои преимущества и недостатки, зная о которых, каждый сможет понять, когда необходимо изучить функциональные языки.

Плюсы и минусы парадигмы

Рассматриваемая парадигма к своим преимуществам относит:

1. Чистоту исходного кода. Приложение, написанное при помощи языков функционального программирования, будет выглядеть понятным и чистым. Сюда же относится локальная читаемость. Программист сможет разобраться в принципах работы функций, без строгой привязки к остальному коду. Исходные коды приложений являются чистыми еще и за счет отсутствия четких последовательностей – разработчику не придется выяснять четкий порядок выполнения различных операций.
2. Высокую степень надежности. Функциональные языки разработки позволяют создавать операции, которые не меняют окружение вокруг себя. Исходный код проекта за счет соответствующей особенности становится более надежным. Если в определенной операции что-то «сломается», это никак не отразится на других компонентах приложения. Разработчику не придется отслеживать побочные эффекты – их просто не должно быть.
3. Оптимизацию. При обработке исходного кода компилятором происходит принятие им решения относительно того, в каком порядке вызывать команды. За счет такого подхода приложения проще оптимизировать. Примером может стать автоматизированный метод на уровне компилятора. Оптимизация позволяет добиться более производительной и быстрой работы программного обеспечения.
4. Удобное тестирование. Особенно этот момент заметен при модульном тестировании – таком, в котором каждый элемент проекта проверяется обособленно друг от друга.
5. Распараллеливание расчетов. Благодаря отсутствию жесткой последовательности рассматриваемая концепция отлично подходит для параллельных расчетов – одновременного выполнения нескольких операций.
6. Гибкую работу с командами и операциями. Это позволяет выполнять некоторые манипуляции удобнее и быстрее, чем в случае с императивным стилем написания приложений. Рассматриваемая концепция является мощным инструментом, особенно для специфических задач: научных, математических, связанных с точными расчетами.

Недостатки функциональное программирование тоже имеет. К ним можно отнести:

1. Использование большого объема памяти. Этот недостаток вытекает из тех же особенностей, что и преимущества. Многие операции при рассматриваемой парадигме базируются на рекурсии, а изменение любого значения переменной влечет за собой создание новой переменной.
2. Непредсказуемость порядка действий. Соответствующий момент можно отнести как к преимуществам, так и к недостаткам. Минус заключается в том, что для решения некоторых задач порядок действий имеет огромную роль по определению. Пример – ввод и вывод. Если информация будет вводиться или выводиться хаотично, это негативно скажется на работе исходного кода программы. Из-за этого функциональный подход часто сочетается с императивным.
3. Отсутствие универсальности «чистых» функций. Многие задачи только с их помощью решить не получится. Некоторые операции по определению не получится реализовать через соответствующие элементы, или сделать это бывает очень трудно.

Для новичков функциональные языки программирования могут показаться тяжелыми. Особенно если они пытаются создать сложное приложение на первых порах. Но на самом деле рассматриваемый стиль написания кодов освоить не слишком сложно.

Языки для разработки

Чтобы воспользоваться изучаемой парадигмой, необходимо выучить определенные языки. Условно их можно разделить на две категории: жестко ориентированные на функциональный стиль и мультипарадигменные – те, на которых допустимо программирование различными методами.

К функциональным языкам программирования относят:

• ELM;
• F#;
• Lisp;
• Erlang;
• Scala;
• Haskell;
• OCaml;
• Nemerle.

Они позволяют писать программы не только в функциональном, но и в императивном стиле. Большинство их них являются старыми функциональными языками, которые используются не так часто, как современные мультипарадигменные.

К соответствующей категории можно отнести некоторые узкоспециализированные инструменты:

• Язык платформы Wolfram;
• J;
• K;
• R – для статистических целей;
• APL – язык, подходящий для MATLAB.

Функциональными языками можно считать языки, используемые при работе с электронными таблицами. Примером частично служит SQL.

Кроме функциональных языков программирования есть мультипарадигменные. К ним можно отнести:

• Go;
• Scala;
• Nemerle;
• JavaScript.

В меньшей степени к соответствующей категории относятся другие популярные инструменты разработки:

• C++;
• Ruby;
• PHP;
• Python;
• Java.

Языки из последнего списка больше ориентированы на объектно-ориентированную разработку. Элементы изучаемой парадигмы в них тоже есть.

Вниманию были представлены основные моменты, которые должен помнить программист при изучении функциональных языков разработки. Удалось рассмотреть соответствующую концепцию в подробностях, а также изучить ее особенности, преимущества и недостатки.

Чтобы получше и побыстрее освоить рассматриваемый стиль программирования, рекомендуется пройти дистанционные компьютерные курсы. Можно выбрать определенный язык разработки или соответствующую специализацию. Обучение рассчитано на срок от нескольких месяцев до года. Весь процесс сопровождается богатым практическим опытом, помощью в формировании портфолио. Некоторым ученикам предложат еще на этапе обучения постоянное место трудоустройства по выбранному направлению. В конце курса каждому успешно завершившему его вручается электронный сертификат установленной формы. Он подтвердит документально приобретенный спектр навыков и знаний.

Хотите освоить современную IT-специальность? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus!