Att skapa mjukvara är en process fylld av tekniska utmaningar, där noggrann planering och strategiskt tänkande är avgörande för att finna effektiva lösningar på komplexa problem med hjälp av kod.
Ett centralt steg i denna process är att noggrant överväga det programmeringsparadigm som ska användas innan man påbörjar själva utvecklingen av mjukvaran.
Ett programmeringsparadigm kan beskrivas som en modell eller en övergripande strategi för hur man programmerar. Det utgör en ram som definierar de funktioner, mönster, grundläggande principer, regler och stilar som används för att designa, strukturera och skriva datorprogram.
Bland de mest populära programmeringsparadigmen hittar vi objektorienterad programmering (OOP), procedurprogrammering, händelsedriven programmering och funktionell programmering.
Särskilt funktionell programmering har rönt ökat intresse på senare tid, mycket på grund av dess potential att generera mindre felbenägen kod som är enkel att återanvända och underhålla. Men vad innebär egentligen funktionell programmering?
Funktionell programmering utgör ett delparadigm inom det deklarativa programmeringsparadigmet. Deklarativ programmering fokuserar på att skriva kod som beskriver *vad* ett program ska göra, snarare än *hur* det ska uppnå det.
Ett illustrativt exempel på detta kan ses i SQL-databasfrågor. Istället för att specificera i detalj *hur* informationen ska hämtas, anger du endast *vilken* data du önskar att hämta.
Funktionell programmering i sig är en metod för att utveckla datorprogram genom användning av uttryck och rena funktioner. Dessa funktioner appliceras i en sekvens för att lösa problem och uppnå önskade resultat.
Inom funktionell programmering delas programmets funktionalitet upp i återanvändbara, isolerade funktioner. Varje funktion har ett specifikt ansvar. Hela programmet byggs upp genom användningen av dessa rena funktioner.
En ren funktion kännetecknas av att den är deterministisk. Det vill säga, givet samma indata kommer den alltid att returnera samma utdata, utan att påverka andra delar av applikationen.
Resultatet av en ren funktion beror alltså uteslutande på dess indata och inte på någon global variabel i applikationen som skulle kunna förändra funktionens resultat.
Dessa rena funktioner tar emot indata, bearbetar dem internt och genererar utdata utan att modifiera någon annan del av programmet.
Funktionell programmering utnyttjar oföränderlig data, vilket innebär att data inte kan modifieras efter att den har skapats. Den undviker även delade tillstånd, där samma data kan nås och ändras av olika delar av ett program.
Eftersom funktionell programmering är starkt beroende av funktioner, betraktas funktioner som ”förstklassiga medborgare”. Det betyder att de kan skickas som argument till andra funktioner, lagras i variabler och till och med returneras från andra funktioner.
Dessutom bygger funktionell programmering i hög grad på uttryck snarare än satser, vilket undviker loop-konstruktioner som `for` och `while`. Detta görs i syfte att göra programmets logik mer transparent, vilket underlättar felsökning och underhåll.
Typer av funktionella programmeringsspråk
Det finns två huvudsakliga kategorier av funktionella programmeringsspråk:
- **Rent funktionella språk**: Dessa språk stödjer och uppmuntrar användningen av funktionella paradigm, som till exempel rena funktioner, oföränderlighet av tillstånd och data, samt funktioner som inte har bieffekter på andra delar av programmet. Exempel på rent funktionella språk inkluderar Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark och Elm.
- **Orena funktionella språk**: Dessa språk har stöd för funktionella programmeringsparadigm men tillåter också användningen av orena funktioner, ändringar i programmets tillstånd och operationer som har bieffekter. Exempel på orena funktionella språk inkluderar Javascript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin och Clojure.
Både rent funktionella och orena funktionella språk används av utvecklare. Att byta till ett rent funktionellt språk kan dock kräva en betydande investering i tid och ansträngning, särskilt om du inte har tidigare erfarenhet av funktionell programmering.
Funktionella programmeringsspråk och bibliotek
Här följer några populära funktionella programmeringsspråk och bibliotek:
#1. Haskell
Haskell är ett statiskt typat, lat och rent funktionellt programmeringsspråk som ofta betraktas som en inkarnation av det funktionella programmeringsparadigmet.
Utöver typinferens erbjuder språket stöd för lat evaluering, vilket innebär att uttryck endast utvärderas när deras resultat faktiskt behövs. Haskell erbjuder även stöd för samtidig programmering, och dess kompilator levereras med en högpresterande skräpsamlare och ett bibliotek för enkel samtidighet.
Genom att strikt följa funktionella programmeringsprinciper kan Haskell underlätta utvecklingen av komplexa mjukvarusystem och göra dem lättare att underhålla.
Haskell är ett populärt språk inom branschen för att bygga fristående system och domänspecifika språk, och används även flitigt inom akademin och forskning. Företag som Microsoft, Github, Hasura och Lumi använder Haskell i sin verksamhet.
#2. Ramda
Ramda är ett funktionellt programmeringsbibliotek för JavaScript. Ramda gör det enklare att bygga komplex logik genom funktionell komposition och tillhandahåller en uppsättning verktygsfunktioner som stödjer användningen av funktionella programmeringsprinciper i JavaScript.
Ramda ger också ett enkelt sätt att hantera oföränderliga objekt och funktioner utan bieffekter, vilket är centrala koncept inom funktionell programmering.
Eftersom JavaScript inte är ett rent funktionellt programmeringsspråk som Haskell, kan du genom att använda ett bibliotek som Ramda tillämpa funktionell programmering och dra nytta av dess prestandafördelar medan du fortfarande arbetar med JavaScript.
#3. Elixir
Elixir är ett generellt, samtidigt och funktionellt programmeringsspråk som är designat för att vara skalbart, lätt att underhålla och feltolerant. Språket skapades 2011 av Jose Valim och körs på den virtuella BEAM-maskinen. Företag som Heroku, Discord, change.org och Duffel använder Elixir.
Som ett funktionellt programmeringsspråk uppmuntrar Elixir oföränderlighet av tillstånd och data, användningen av rena funktioner och transformation av data.
Nyckelbegrepp inom funktionell programmering
#1. Rena funktioner
Funktionell programmering använder sig i stor utsträckning av rena funktioner. En ren funktion kännetecknas av två viktiga egenskaper. För det första producerar den alltid samma utdata för samma indata, oavsett externa faktorer. Detta gör dem deterministiska och förutsägbara.
För det andra har rena funktioner inga bieffekter. Det innebär att de inte påverkar den omgivande miljön utanför sin egen kontext.
Några exempel på rena funktioner:
// Funktion för att beräkna kvadraten av ett tal
function square(x) {
return x * x;
}
// Funktion för att addera två variabler
function add(a, b) {
return a + b
}
Ovanstående funktioner returnerar samma utdata för samma indata och har inga bieffekter utanför sin egen kontext.
#2. Oföränderlighet
Inom funktionell programmering betraktas data som oföränderlig. Det innebär att när variabler väl har initialiserats kan de inte modifieras. Detta säkerställer att en variabels tillstånd bevaras genom hela programmet.
Om du behöver göra någon ändring av en variabel eller utföra en operation på den, skapar du en ny variabel för att lagra den uppdaterade datan, utan att modifiera den ursprungliga variabeln.
#3. Funktioner av högre ordning
Funktioner av högre ordning är funktioner som accepterar en eller flera funktioner som argument, och/eller returnerar en funktion.
Funktioner av högre ordning är användbara inom funktionell programmering, då de möjliggör kombination av flera funktioner för att skapa nya funktioner. De tillåter även användning av callbacks, abstraktion av vanliga mönster till återanvändbara funktioner, samt ger möjligheten att skriva mer koncis och uttrycksfull kod.
Ett exempel på en funktion av högre ordning:
// En funktion av högre ordning som returnerar en funktion som multiplicerar
// ett tal med en given faktor
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. Rekursion
Eftersom funktionell programmering bygger på uttryck snarare än satser, undviks kontrollflödesstrukturer som `for` och `while`-loopar. Dessa loopar ersätts istället av rekursion, vilket är den metod som används för iterationer inom funktionell programmering.
Rekursion innebär att en funktion anropar sig själv upprepade gånger tills ett visst villkor är uppfyllt. Med hjälp av rekursion delas ett komplext problem upp i mindre delproblem som sedan löses rekursivt tills ett basfall uppnås, vilket ger en lösning på det ursprungliga, komplexa problemet.
#5. Deklarativ programmering
Funktionell programmering är ett delparadigm inom det bredare deklarativa programmeringsparadigmet. Deklarativ programmering fokuserar på att skriva kod som beskriver *vad* som behöver göras, istället för att specificera *hur* det ska göras.
När du använder det funktionella programmeringsparadigmet ska din kod beskriva vad som ska uppnås eller vilket problem som ska lösas.
Hur det ska uppnås överlåts till det programmeringsspråk du använder. Detta bidrar till att skapa mer koncis och lättläst kod.
#6. Tillståndslöshet
Funktionell programmering betonar tillståndslös kod, vilket innebär att koden inte upprätthåller ett globalt tillstånd som kan modifieras av funktioner. Resultatet av funktioner beror uteslutande på de inmatade värdena och kan inte påverkas av beroenden från andra delar av koden.
De funktioner som används får inte ändra tillståndet eller en variabel i programmet som ligger utanför deras kontext.
#7. Parallell exekvering
Eftersom funktionell programmering använder oföränderliga tillstånd, rena funktioner och oföränderlig data, möjliggör det parallell exekvering av flera beräkningar samtidigt.
Eftersom varje funktion bara behöver hantera sin egen indata utan att bekymra sig om bieffekter från andra delar av programmet, kan komplexa problem delas upp i mindre delproblem och exekveras parallellt. Detta ger förbättrad prestanda och effektivare användning av flerkärniga processorer.
Fördelar med funktionell programmering
Några av fördelarna med funktionell programmering:
Färre programbuggar
Kod som implementerar det funktionella programmeringsparadigmet är inte bara mer läsbar och lättare att förstå tack vare användningen av rena funktioner, utan också mindre benägen att innehålla fel.
Eftersom funktionell programmering arbetar med oföränderliga tillstånd, kommer du aldrig att ha flera delar av programmet som modifierar tillståndet för en variabel eller hela programmet. Detta minskar risken för fel som kan uppstå till följd av att data modifieras från flera ställen på grund av delade tillstånd.
Förbättrar kodläsbarheten
Funktionell programmering är ett delparadigm inom det deklarativa paradigmet som betonar att skriva kod som beskriver *vad* som behöver göras, istället för *hur* man gör det. Detta i kombination med användningen av rena funktioner resulterar i kod som är självförklarande, lättare att läsa, förstå och underhålla.
Förbättrad återanvändbarhet av kod
Att implementera funktionell programmering innebär att komplexa problem bryts ner i mindre delproblem som sedan löses med hjälp av rena funktioner. Dessa funktioner kan enkelt kombineras och återanvändas för att lösa andra komplexa problem. Genom att använda rena funktioner och oföränderliga tillstånd, möjliggör funktionell programmering att skriva mycket återanvändbar kod.
Enklare testning och felsökning
Funktionell programmering använder rena funktioner som inte har några bieffekter. De beror enbart på sina indata och genererar konsekventa, deterministiska utdata för samma indata.
Detta gör funktionell programmering enklare att testa och felsöka, då du inte behöver spåra hur variabler förändras i olika delar av programmet.
Eftersom det inte finns beroenden i funktionell programmering, blir testning och felsökning enklare, då du kan fokusera på specifika delar av programmet.
Stöd för samtidighet och parallellitet
Eftersom funktionell programmering uppmuntrar till tillståndslöshet och oföränderlighet av data, möjliggör den säker exekvering av flera rena funktioner parallellt. Möjligheten att köra flera operationer parallellt ger bättre bearbetningshastighet och bättre användning av flerkärniga processorer.
Som programmeringsparadigm kan funktionell programmering bidra till att skriva mer läsbar och lättförståelig kod med färre fel och utmärkt stöd för parallellitet, vilket möjliggör effektiv användning av flerkärniga processorer. Funktionell programmering gör det möjligt att bygga mjukvarusystem som är mer tillförlitliga och enkla att skala.
Begränsningar med funktionell programmering
Även om funktionell programmering har mycket att erbjuda, medför det en inlärningskurva som kräver att utvecklare investerar tid och ansträngning för att lära sig tillämpa paradigmet. Detta beror på att det introducerar nya sätt att strukturera kod och nya programmeringskoncept.
Att koda med funktionell programmering kan upplevas som komplext och utmanande, då det inte använder sig av intuitiva konstruktioner som `for` och `while`-loopar. Att skriva program rekursivt är inte alltid enkelt.
Detta innebär att utvecklare behöver tid för att behärska funktionell programmering, särskilt om de kommer från språk som använder föränderliga tillstånd, såsom i objektorienterad programmering.
En annan begränsning med funktionell programmering härrör från dess kärnprincip om oföränderlighet. Eftersom data och tillstånd är oföränderliga, och nya datastrukturer skapas istället för att modifiera befintliga, kan funktionell programmering kräva mer lagringsutrymme. Den oföränderliga karaktären hos funktionell programmering kan också resultera i sämre prestanda i vissa applikationer.
Slutsats
Även om funktionell programmering har funnits länge, har det på senare tid blivit ett alltmer populärt paradigm. Trots att det kan vara lite utmanande att ta till sig, kommer utvecklare att dra stor nytta av att lära sig mer om paradigmet och de olika sätt som man kan implementera funktionell programmering på.
Du behöver inte nödvändigtvis använda rent funktionella programmeringsspråk som Haskell, utan kan även implementera funktionella programmeringskoncept i språk som JavaScript, Java, Python och Kotlin för att dra nytta av fördelarna med funktionell programmering i dina projekt.
Du kan även utforska resurser för att lära dig Python för nybörjare.