Vytváření softwaru je velmi technický a náročný proces, který vyžaduje plánování a strategii pro formulování správného způsobu řešení problému pomocí softwaru.
V tomto ohledu je důležitým krokem zvážení zvoleného programovacího paradigmatu před vývojem jakéhokoli softwaru.
Programovací paradigma je model nebo přístup k programování, který poskytuje vlastnosti, vzory, principy, pravidla a styly navrhování, strukturování a psaní počítačových programů.
Příklady populárních programovacích paradigmat zahrnují mimo jiné objektově orientované programování (OOP), procedurální programování, událostmi řízené programování a funkční programování.
Zejména funkcionálnímu programování je v poslední době věnována velká pozornost, protože slibuje méně chybový kód, který je vysoce znovupoužitelný a snadno se udržuje. Co je tedy funkcionální programování?
Funkcionální programování je podparadigmatem deklarativního programovacího paradigmatu. Deklarativní programování je paradigma, které se zaměřuje na psaní kódu, který popisuje, co by měl program dělat, spíše než jak by to měl program dělat.
Příklad toho lze vidět při dotazování databází SQL. Místo toho, abyste výslovně řekli, jak chcete, aby to bylo načteno, vše, co zadáte, jsou data, která chcete získat.
Funkcionální programování samo o sobě je paradigmatem pro vytváření počítačových programů pomocí výrazů a čistých funkcí, které jsou postupně aplikovány k řešení problémů nebo dosažení požadovaných výsledků.
Ve funkcionálním programování je celá funkčnost programu rozdělena do opakovaně použitelných, čistě funkcí s jednou odpovědností. Vše v programu se děje pomocí čistých funkcí.
Čistá funkce je deterministická funkce, která když dostane stejné vstupní hodnoty, vrátí stejný výstup a neovlivní žádné jiné části aplikací.
Výsledek čisté funkce tak závisí pouze na svém vstupu a nikoli na globální proměnné v aplikaci, která může změnit výsledky funkce.
Tyto čisté funkce přijímají vstup, zpracovávají je lokálně a vytvářejí výstup, aniž by měnily jakoukoli jinou část programu.
Funkční programování využívá neměnná data, tedy data, která nelze po vytvoření změnit, a také se vyhýbá sdíleným stavům, kdy ke stejným datům mohou přistupovat a upravovat je různé části programu.
Protože funkcionální programování silně spoléhá na funkce, funkce jsou označovány jako prvotřídní občané, což znamená, že mohou být předány jako argument, uloženy do proměnné a také vráceny z jiné funkce.
Funkční programování navíc silně spoléhá na výraz namísto příkazů, a proto se vyhýbá příkazům ve smyčce, jako jsou for a while. To se provádí proto, aby bylo snadné sledovat a ladit logiku programu.
Table of Contents
Typy funkcionálních programovacích jazyků
Existují dva hlavní typy funkčních programovacích jazyků. Tyto zahrnují:
- Čistě funkční jazyky – Jedná se o programovací jazyky, které podporují, prosazují a prosazují používání funkčních paradigmat, jako je použití prvotřídních čistých funkcí, neměnnost stavů a dat a funkce, které nemají vedlejší účinky na jiné části programu. Příklady čistě funkčních jazyků zahrnují mimo jiné Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark a Elm.
- Nečisté funkční jazyky – Jedná se o jazyky, které podporují funkční programovací paradigmata, ale také umožňují použití nečistých funkcí, mutací stavu programu a operací, které mají vedlejší účinky. Mezi příklady nečistých funkčních jazyků patří mimo jiné Javascript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin a Clojure.
Vývojáři používají jak čistě funkční, tak nečisté funkční jazyky. Přechod na čistě funkcionální jazyk však může vyžadovat spoustu času a úsilí, pokud jste funkcionální programování nikdy předtím nepoužívali.
Funkční programovací jazyky a knihovny
Některé populární funkční programovací jazyky a knihovny zahrnují:
#1. Haskell
Haskell je staticky typovaný, líný, čistě funkcionální programovací jazyk, který je považován za ztělesnění paradigmatu funkcionálního programování.
Kromě odvozování typu nabízí jazyk podporu pro líné vyhodnocování, kdy se výrazy vyhodnocují pouze tehdy, když jsou potřeba jejich výsledky. Haskell také nabízí podporu pro souběžné programování a jeho kompilace přichází s vysoce výkonným garbage collectorem a lehkou souběžnou knihovnou.
Svým používáním a přísným dodržováním principů funkčního programování může Haskell usnadnit budování komplexních softwarových systémů a také snadnou údržbu.
Mezi mnoha hráči v oboru je Haskell jazykem, který se používá při vytváření samostatných systémů nebo jazyků specifických pro doménu. Má také široké využití v akademické sféře a výzkumu. Mezi některé společnosti, které používají Haskell, patří mimo jiné Microsoft, Github, Hasura a Lumi.
#2. Ramda
Ramda je funkční programovací knihovna pro jazyk JavaScript. Ramda usnadňuje vytváření komplexní logiky prostřednictvím funkční kompozice a poskytuje sadu užitečných funkcí, které povzbuzují a podporují používání principů funkcionálního programování v JavaScriptu.
Ramda také poskytuje snadný způsob, jak používat neměnné objekty a funkce bez vedlejších účinků, což jsou klíčové pojmy ve funkcionálním programování.
Vzhledem k tomu, že JavaScript není čistě funkcionální programovací jazyk jako Haskell, pomocí knihovny, jako je Ramda, můžete využívat funkcionální programování a využívat výkonnostních výhod funkcionálního programování při používání JavaScriptu.
#3. Elixír
Elixir je univerzální, souběžný, funkční programovací jazyk, který je navržen tak, aby byl škálovatelný, snadno se udržoval a také odolný proti chybám. Jazyk vytvořil v roce 2011 Jose Valim, běží na virtuálním stroji BEAM a používají ho mimo jiné společnosti jako Heroku, Discord, change.org a Duffel.
Jako funkční programovací jazyk Elixir podporuje neměnnost stavů a dat, používání čistých funkcí při psaní kódu a transformaci dat.
Klíčové pojmy ve funkcionálním programování
#1. Čisté funkce
Funkční programování široce využívá čisté funkce. Čisté funkce mají dvě hlavní charakteristiky. Za prvé, produkují stejný výstup pro stejný vstup bez ohledu na jakékoli vnější faktory, díky čemuž jsou svou povahou deterministické, a tudíž předvídatelné.
Za druhé, čisté funkce nemají vedlejší účinky. To znamená, že nijak neupravují vnější prostředí mimo svou působnost.
Některé příklady čistých funkcí zahrnují:
//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
}
Výše uvedené funkce vracejí stejný výstup pro stejné vstupy a nemají žádné vedlejší účinky mimo jejich rozsah.
#2. Neměnnost
Ve funkčním programování jsou použitá data neměnná. To znamená, že jakmile byly proměnné inicializovány, nelze je upravovat. Tím je zajištěno zachování stavu proměnné v celém programu.
V případě, že chcete provést jakoukoli úpravu proměnné nebo s ní provést operaci, můžete vytvořit novou proměnnou pro uložení aktualizovaných dat beze změny původní proměnné.
#3. Funkce vyššího řádu
Funkce vyššího řádu jsou funkce, které přijímají jednu nebo více funkcí jako argumenty a/nebo vracejí funkci.
Funkce vyššího řádu jsou užitečné ve funkcionálním programování, protože umožňují kombinovat více funkcí za účelem vytvoření nových funkcí, umožňují použití zpětných volání, umožňují abstrakci běžných vzorů do opakovaně použitelných funkcí a konečně funkce vyššího řádu umožňují psát stručnější a expresivní kód.
Příklad funkce vyššího řádu je uveden níže:
// 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. Rekurze
Protože funkční programování spoléhá na výrazy místo příkazů, příkazy toku řízení, jako jsou smyčky for a while, se v tomto paradigmatu vyhýbají. Tyto příkazy smyčky jsou zase nahrazeny pomocí rekurze, která se používá k provádění iterací ve funkčním programování.
Rekurze zahrnuje funkci, která se opakovaně volá, dokud není splněna podmínka ukončení. Pomocí rekurze je složitý problém rozložen na menší, jednodušší podproblémy, které se pak rekurzivně řeší, dokud není dosaženo základního případu, který poskytuje řešení většího komplexního problému.
#5. Deklarativní programování
Funkční programování je podparadigma v širším deklarativním programovacím paradigmatu, které zahrnuje programovací paradigmata, která se zaměřují na psaní kódu z hlediska toho, co je třeba udělat, místo toho, aby explicitně uvádělo, jak to udělat.
V tomto ohledu by při použití funkčního programovacího paradigmatu měl váš kód popisovat, čeho je třeba dosáhnout nebo problém, který je třeba vyřešit.
Jak toho bude dosaženo, záleží na programovacím jazyce, který používáte. To pomáhá při psaní stručnějšího a snadno čitelného kódu.
#6. Bez státní příslušnosti
Funkční programování klade důraz na bezstavový kód, kde kód neudržuje globální stav, který lze upravit funkcemi. Výsledky funkcí se spoléhají výhradně na předaný vstup a nemohou být ovlivněny závislostmi na jiných částech kódu.
Použité funkce nemohou změnit stav nebo proměnnou v programu, který je mimo jeho rozsah.
#7. Paralelní provedení
Protože funkční programování používá neměnné stavy, používá čisté funkce a neměnná data, umožňuje paralelní provádění více výpočtů současně.
Vzhledem k tomu, že každá funkce se musí vypořádat pouze s daným vstupem bez obav z vedlejších účinků z jiných částí programu, lze složité problémy rozdělit na menší dílčí problémy a provádět je současně paralelně, což umožňuje lepší výkon a efektivitu.
Výhody funkcionálního programování
Některé z výhod funkčního programování zahrnují:
Méně softwarových chyb
Kromě skutečnosti, že kód implementující paradigma funkcionálního programování je čitelnější a snáze pochopitelný díky použití čistých funkcí, umožňuje funkcionální programování psát kód s méně chybami.
Protože funkcionální programování pracuje s neměnnými stavy, nikdy nemáte několik částí programu, které mění stav proměnné nebo celého programu. To zase vede k menšímu počtu chyb, které by mohly vzniknout při úpravách dat z více oblastí kvůli sdíleným stavům.
Zlepšuje čitelnost kódu
Funkční programování je podparadigmatem deklarativního paradigmatu, které klade důraz na psaní kódu, který popisuje, co je třeba udělat, spíše než jak to udělat. To ve spojení s použitím čistých funkcí vede ke kódu, který je srozumitelný, snáze čitelný a pochopitelný a snadno se udržuje.
Vylepšete znovupoužitelnost kódu
Implementace funkcionálního programování vyžaduje rozdělení složitých problémů na menší dílčí problémy a řešení těchto problémů pomocí čistých funkcí. Tyto funkce lze snadno skládat a znovu použít k řešení dalších složitých problémů. Prostřednictvím použití čistých funkcí a neměnných stavů umožňuje funkční programování psát vysoce znovupoužitelný kód.
Snazší testování a ladění
Funkční programování používá čisté funkce, které nemají vedlejší účinky, závisí pouze na jejich vstupech a pro stejnou sadu vstupů vytvářejí konzistentní deterministické výstupy.
Díky tomu je funkční programování ze své podstaty snadné testovat a ladit, protože nepotřebujete sledovat proměnnou a jak se mění v různých částech programu.
Vzhledem k tomu, že ve funkčním programování neexistují žádné závislosti, ladění a testování je jednodušší, protože můžete cílit na konkrétní části programu.
Podporuje souběžnost a paralelismus
Protože funkcionální programování podporuje bezstavovost a neměnnost dat, umožňuje bezpečně provádět více čistých funkcí paralelně nebo souběžně. Schopnost spouštět více operací paralelně vede k vyšší rychlosti zpracování a lepšímu využití procesorů s více jádry.
Jako programovací paradigma může funkční programování pomoci při psaní čitelnějšího a snáze srozumitelného kódu s menším počtem chyb a vynikající podporou paralelismu umožňujícího efektivní využití vícejádrových procesorů. Funkční programování umožňuje budování softwarových systémů, které jsou spolehlivější a snadno škálovatelné.
Omezení funkcionálního programování
I když má funkční programování co nabídnout, přichází s křivkou učení, která vyžaduje, aby vývojáři investovali spoustu času a úsilí do učení, jak používat paradigma. Je to proto, že zavádí nové způsoby strukturování kódu a nové koncepty programování.
Kódování pomocí funkčního programování může být extrémně složité a obtížné, protože nepoužívá intuitivnější funkce, jako jsou smyčky for a while. Psaní programů rekurzivně není snadné.
V důsledku toho mohou vývojáři potřebovat více, než si osvojit funkcionální programování, zvláště když přicházejí z jazyků, které používají proměnlivé stavy, jako je například objektově orientované programování.
Další omezení funkcionálního programování vyplývá z jeho základního principu neměnnosti. Vzhledem k tomu, že data a stavy jsou proměnlivé a místo úpravy stávajících struktur jsou vytvářeny nové datové struktury, výsledkem je funkční programování využívající více úložného prostoru. Neměnná povaha funkcionálního programování může také vést k horšímu výkonu aplikací.
Závěr
Přestože funkcionální programování existuje již dlouhou dobu, v poslední době se stalo trendovým paradigmatem. I když to může být trochu obtížné pochopit, vývojáři mají obrovský užitek z toho, že se učí o paradigmatu a různých způsobech, jak mohou implementovat funkční programování při psaní programů.
Protože nepotřebujete používat čistě funkcionální programovací jazyky, jako je Haskell, můžete implementovat koncepty funkcionálního programování v jazycích, jako jsou Javascript, Java, Python a Kotlin, a využívat výhod funkcionálního programování ve svých projektech.
Můžete také prozkoumat některé zdroje, jak se naučit Python pro začátečníky.