Языки функционального программирования: руководство для начинающих

При выборе между различными языками программирования у вас часто есть выбор между функциональными языками и объектно-ориентированными. Каждый язык имеет различные возможности и варианты использования, но функциональные языки предлагают программистам много преимуществ благодаря использованию вычислительной памяти, неизменяемых данных и эффективности. В этой статье мы обсудим определение функциональных языков программирования, характеристики таких языков, преимущества их использования и их отличия от объектно-ориентированных языков программирования.

Что такое функциональные языки программирования?

Функциональные языки программирования — это компьютерные языки, содержащие математические функции. Эти функции позволяют программистам создавать условные выражения для выполнения определенных вычислений. Языки функционального программирования избегают изменения состояния и изменяемых данных, гарантируя, что все функции обладают ссылочной прозрачностью, что означает, что они всегда возвращают один и тот же результат при представлении одних и тех же аргументов. Одними из самых популярных языков функционального программирования являются Python, Clojure, Erlang, Lisp и Haskell.

Характеристики языков функционального программирования

Вот список наиболее распространенных характеристик функциональных языков:

Первоклассные функции

Многие языки функционального программирования позволяют функциям действовать как несколько вычислительных элементов, таких как результат другой функции, в наборе других функций, как переменная или как аргумент для другой функции. Программисты называют такие функции первоклассными из-за их универсальности. Функции высшего порядка — это тип функций первого класса, которые допускают аргументы в виде других функций или возвращают функции в результате выполнения. Например, функция в этих языках может вызвать вычисление, которое приведет к созданию нескольких других функций с функционально определенными переменными.

Неизменяемые данные

Данные неизменны, если ничто не может изменить их после того, как программа их создала. Языки функционального программирования используют только неизменяемые данные, и благодаря этому они также максимизируют возможность ссылаться на предыдущие данные. Например, функция, которая удаляет данные, может не полностью удалить их в функциональных языках, поскольку удаление части данных подразумевает некоторые изменения в ее существовании.

Чистые функции

При использовании чистых функций результат функции всегда один и тот же, если аргументы одни и те же. Кроме того, чистые функции не имеют побочных эффектов, то есть в результате выполнения функции состояние программы не изменяется. Например, 2 + 2 = 4 — пример чистой функции, где 2 + 2 — аргумент, а 4 — результат. В базе 10 ответ на математические задачи всегда один и тот же, если аргументы одни и те же.

Рекурсия

Решение сложных проблем с использованием более простых и меньших решений является фундаментальным принципом многих языков функционального программирования. Примером рекурсии является любая математическая функция, в которой вы вызываете саму функцию для решения задачи. Многие функции имеют решения, которые не используют в решении свою собственную функцию, но они могут быть более сложными и ресурсоемкими.

Обработка списка

Эта характеристика функционального программирования, также известная как LISP, позволяет вам манипулировать и анализировать список данных. Это мощный инструмент, поскольку он позволяет программистам создавать списки, а затем использовать эти списки для различных функций. Например, если у вас есть список чисел, вы можете добавить их, умножить или разделить. Каждая функция использует одни и те же числа, но выдает результат в соответствии со своим процессом.

Ленивая оценка

Функциональное программирование позволяет выполнять вычисления только в тот момент, когда они нужны программе. Это помогает уменьшить количество повторных оценок, которые делает программа. Если программе нужно провести оценку, ленивые оценки позволяют программе искать последнюю оценку в своем словаре и повторно использовать результаты, экономя время.

Преимущества функциональных языков программирования

Программирование на этих типах языков имеет много преимуществ. Некоторые преимущества включают в себя:

• Ограничение ошибок. Тот факт, что языки функционального программирования не допускают изменения состояния, может устранить ошибки кодирования, возникающие как побочные эффекты изменения состояния. Ограничение ошибок может помочь повысить производительность за счет создания пригодного для использования кода.

• Расширяет возможности параллельного программирования: в дополнение к одновременному выполнению нескольких вычислений эти языки программирования также позволяют использовать одну функцию несколько раз. Эти расширенные возможности повышают функциональность таких языков и способствуют повторному использованию.

• Поддерживает вложенные функции: одно из многочисленных применений функций в этих языках — это вложенные функции, которые являются определенными функциями внутри другой функции. Эта возможность значительно увеличивает возможности передачи и приема данных с минимальными вычислительными затратами.

• Позволяет выполнять ленивые вычисления: ленивые функциональные конструкции, такие как ленивые списки и ленивые карты, позволяют повысить эффективность за счет создания ссылки для всех вычислений, выполняемых в программе. Когда оценки должны выполняться внутри программы, она сначала проверяет, существует ли оценка где-то еще, ограничивая ненужные репликации оценок.

Функциональное и объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированное программирование — еще один популярный способ структурирования вычислительных языков. Вот некоторые фундаментальные различия между функциональным и объектно-ориентированным программированием:

• Основа для вычислений: объектно-ориентированное программирование использует объекты с назначенными атрибутами в качестве основы для вычислений. Функциональные языки оценивают функции, которые могут создавать объекты и их атрибуты.

• Состояния: поскольку объектно-ориентированные языки используют императивное программирование, они могут изменять объекты внутри программы, что означает наличие состояний или текущих модификаций, влияющих на результат ввода. Функциональные языки не используют императивное программирование, поэтому им не нужно отслеживать текущие состояния, поскольку данные в этих языках неизменяемы, то есть один и тот же ввод всегда приводит к одному и тому же результату.

• Параллельное программирование: этот тип программирования включает в себя несколько вычислительных процессов, происходящих одновременно. Объектно-ориентированные языки мало поддерживают параллельное программирование, но функциональные языки поддерживают его широко.

• Порядок: в объектно-ориентированном программировании вычисления происходят в определенном порядке. В функциональном программировании вычисления могут происходить в любом порядке.

• Итеративные данные: объектно-ориентированное программирование использует циклы, что означает многократное выполнение для итеративных данных. Функциональное программирование использует рекурсию для повторяющихся данных, то есть пытается решать проблемы, используя более простые версии той же проблемы.

• Основные элементы. Основными элементами объектно-ориентированных языков являются объекты и методы, тогда как элементами функционального программирования являются функции и переменные. Эта разница объясняет большую часть различий в содержании, структуре и формате между этими языками.