Razvoj softvera predstavlja složen i tehnički zahtevan proces koji iziskuje pažljivo planiranje i strategiju kako bi se pronašao najefikasniji način za rešavanje problema uz pomoć softverskih rešenja.
U tom kontekstu, razmatranje odgovarajuće programske paradigme pre započinjanja bilo kakvog razvoja softvera je ključan korak.
Programska paradigma je, u suštini, model ili pristup programiranju koji pruža karakteristike, obrasce, principe, pravila i stilove za dizajniranje, strukturiranje i pisanje kompjuterskih programa.
Među popularnim programskim paradigmama nalaze se objektno orijentisano programiranje (OOP), proceduralno programiranje, programiranje vođeno događajima i funkcionalno programiranje.
Funkcionalno programiranje, posebno, privlači veliku pažnju u novije vreme zbog obećanja o smanjenju grešaka u kodu, većoj mogućnosti ponovnog korišćenja i lakšem održavanju. Dakle, šta je zapravo funkcionalno programiranje?
Funkcionalno programiranje predstavlja potparadgimu deklarativne programske paradigme. Deklarativno programiranje se fokusira na pisanje koda koji opisuje šta program treba da uradi, a ne kako program to treba da uradi.
Primer toga može se videti prilikom upita za podacima u SQL bazama. Umesto da se eksplicitno navodi kako želite da se podaci preuzmu, jednostavno se navode podaci koji su potrebni.
Samo funkcionalno programiranje predstavlja paradigmu za izgradnju kompjuterskih programa korišćenjem izraza i čistih funkcija koje se primenjuju u nizu kako bi se rešio problem ili postigao željeni rezultat.
U funkcionalnom programiranju, celokupna funkcionalnost programa podeljena je na više ponovljivih, čistih funkcija sa jasno definisanom jednom odgovornošću. Sve u programu odvija se korišćenjem čistih funkcija.
Čista funkcija je deterministička funkcija koja, za identične ulazne vrednosti, uvek vraća isti izlaz i ne utiče na druge delove aplikacije.
Rezultat čiste funkcije zavisi isključivo od njenog ulaza, a ne od globalne promenljive u aplikaciji koja može da izmeni rezultate funkcije.
Ove čiste funkcije primaju ulaz, obrađuju ga lokalno i proizvode izlaz bez menjanja bilo kog drugog dela programa.
Funkcionalno programiranje koristi nepromenljive podatke, odnosno podatke koji se ne mogu menjati nakon što su kreirani, i izbegava deljena stanja, gde istim podacima mogu pristupiti i menjati ih različiti delovi programa.
S obzirom da se funkcionalno programiranje u velikoj meri oslanja na funkcije, funkcije se nazivaju građanima prve klase, što znači da se mogu prosleđivati kao argumenti, čuvati u promenljivim i vraćati iz druge funkcije.
Pored toga, funkcionalno programiranje se oslanja na izraze umesto na iskaze i na taj način izbegava petlje kao što su „for“ i „while“. Ovo je urađeno da bi se olakšalo praćenje i otklanjanje grešaka u logici programa.
Tipovi funkcionalnih programskih jezika
Postoje dve glavne kategorije funkcionalnih programskih jezika. To su:
- Čisto funkcionalni jezici – To su programski jezici koji podržavaju, primenjuju i promovišu korišćenje funkcionalnih paradigmi kao što su upotreba prvoklasnih čistih funkcija, nepromenljivost stanja i podataka, kao i funkcija koje nemaju neželjene efekte na druge delove programa. Primeri čisto funkcionalnih jezika uključuju Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark i Elm.
- Nečisto funkcionalni jezici – To su jezici koji imaju podršku za funkcionalne programske paradigme, ali takođe dopuštaju upotrebu nečistih funkcija, mutacije stanja programa i operacije koje imaju neželjene efekte. Primeri nečisto funkcionalnih jezika uključuju JavaScript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin i Clojure.
Programeri koriste i čisto funkcionalne i nečisto funkcionalne jezike. Međutim, prelazak na čisto funkcionalni jezik može zahtevati mnogo vremena i truda, posebno ako se ranije niste susretali sa funkcionalnim programiranjem.
Funkcionalni programski jezici i biblioteke
Neki od popularnih funkcionalnih programskih jezika i biblioteka su:
#1. Haskell
Haskell je statički tipiziran, lenj, čisto funkcionalni programski jezik koji se smatra oličenjem funkcionalne programske paradigme.
Pored zaključivanja tipa, ovaj jezik nudi podršku za lenju evaluaciju, gde se izrazi procenjuju samo kada su njihovi rezultati potrebni. Haskell takođe pruža podršku za konkurentno programiranje, a njegova kompilacija dolazi sa sakupljačem smeća visokih performansi i laganom bibliotekom za konkurentnost.
Kroz svoju upotrebu i striktno pridržavanje principa funkcionalnog programiranja, Haskell olakšava izgradnju kompleksnih softverskih sistema i omogućava njihovo lako održavanje.
U industriji, Haskell se često koristi pri izgradnji samostalnih sistema ili jezika specifičnih za domen. Takođe je u širokoj upotrebi u akademskim krugovima i istraživanjima. Neke od kompanija koje koriste Haskell su Microsoft, GitHub, Hasura i Lumi.
#2. Ramda
Ramda je funkcionalna programska biblioteka za JavaScript jezik. Ona olakšava izgradnju složene logike kroz funkcionalnu kompoziciju i obezbeđuje skup korisnih funkcija koje podstiču i podržavaju upotrebu principa funkcionalnog programiranja u JavaScriptu.
Ramda takođe pruža jednostavan način za rad sa nepromenljivim objektima i funkcijama bez neželjenih efekata, što su ključni koncepti u funkcionalnom programiranju.
S obzirom da JavaScript nije čisto funkcionalan programski jezik kao Haskell, korišćenjem biblioteke kao što je Ramda, možete koristiti funkcionalno programiranje i iskoristiti prednosti koje ono pruža dok radite u JavaScriptu.
#3. Elixir
Elixir je konkurentan, funkcionalan programski jezik opšte namene koji je dizajniran da bude skalabilan, lak za održavanje i otporan na greške. Jezik je kreirao Jose Valim 2011. godine. Radi na BEAM virtuelnoj mašini, a koriste ga kompanije kao što su Heroku, Discord, change.org i Duffel.
Kao funkcionalni programski jezik, Elixir podstiče nepromenljivost stanja i podataka, korišćenje čistih funkcija prilikom pisanja koda i transformaciju podataka.
Ključni koncepti u funkcionalnom programiranju
#1. Čiste funkcije
Funkcionalno programiranje u velikoj meri koristi čiste funkcije. Čiste funkcije imaju dve glavne karakteristike. Prvo, one proizvode isti izlaz za isti ulaz bez obzira na bilo kakve spoljašnje faktore, što ih čini determinističkim i stoga predvidivim.
Drugo, čiste funkcije nemaju neželjene efekte. To jest, ni na koji način ne menjaju spoljašnje okruženje izvan svog domena.
Neki primeri čistih funkcija su:
// funkcija za izračunavanje kvadrata broja
function kvadrat(x) {
return x * x;
}
// funkcija za sabiranje dve varijable
function saberi(a, b) {
return a + b;
}
Gore navedene funkcije vraćaju isti izlaz za iste ulaze i nemaju nikakve nuspojave izvan svog domena.
#2. Nepromenljivost
U funkcionalnom programiranju, podaci koji se koriste su nepromenljivi. To znači da se nakon što su promenljive inicijalizovane, one ne mogu menjati. Ovo osigurava očuvanje stanja promenljive tokom celog programa.
U slučaju da želite da izvršite bilo kakvu modifikaciju promenljive ili operaciju nad njom, možete da kreirate novu promenljivu za čuvanje ažuriranih podataka bez promene početne promenljive.
#3. Funkcije višeg reda
Funkcije višeg reda su funkcije koje prihvataju jednu ili više funkcija kao argumente i/ili vraćaju funkciju.
Funkcije višeg reda su korisne u funkcionalnom programiranju jer omogućavaju kombinovanje više funkcija za kreiranje novih funkcija, dozvoljavaju upotrebu povratnih poziva, omogućavaju apstrakciju uobičajenih obrazaca u funkcije koje se mogu ponovo koristiti, i konačno, funkcije višeg reda omogućavaju pisanje sažetijeg i ekspresivnijeg koda.
Primer funkcije višeg reda prikazan je u nastavku:
// Funkcija višeg reda koja vraća funkciju koja množi broj sa datim faktorom
function množitelj(faktor) {
return function (broj) {
return broj * faktor;
}
}
const dupliraj = množitelj(2);
const utrostruči = množitelj(3);
const učetvorostruči = množitelj(4);
console.log(dupliraj(5)); // Izlaz: 10
console.log(utrostruči(5)); // Izlaz: 15
console.log(učetvorostruči(5)); // Izlaz: 20
#4. Rekurzija
S obzirom da se funkcionalno programiranje oslanja na izraze umesto na iskaze, u ovoj paradigmi se izbegavaju izrazi toka kontrole kao što su „for“ i „while“ petlje. Ovi izrazi petlje se zamenjuju rekurzijom, koja se koristi za izvođenje iteracija u funkcionalnom programiranju.
Rekurzija uključuje funkciju koja sama sebe poziva sve dok se ne ispuni uslov za izlazak. Korišćenjem rekurzije, kompleksan problem se razlaže na manje, jednostavnije podprobleme koji se zatim rešavaju rekurzivno dok se ne postigne osnovni slučaj, pružajući rešenje za veći kompleksan problem.
#5. Deklarativno programiranje
Funkcionalno programiranje je potparadigma u široj paradigmi deklarativnog programiranja koja obuhvata programske paradigme koje se fokusiraju na pisanje koda u smislu onoga što treba da se uradi umesto da se eksplicitno navodi kako se to radi.
U tom smislu, kada koristite funkcionalnu programsku paradigmu, vaš kod treba da opiše šta treba postići ili problem koji treba rešiti.
Kako će se to postići zavisi od programskog jezika koji koristite. Ovo pomaže u pisanju sažetijeg i lakše čitljivog koda.
#6. Bez stanja
Funkcionalno programiranje naglašava kod bez stanja, gde kod ne održava globalno stanje koje se može modifikovati funkcijama. Ishodi funkcija se oslanjaju isključivo na prosleđeni ulaz i ne mogu na njih uticati zavisnosti od drugih delova koda.
Korišćene funkcije ne mogu da modifikuju stanje ili promenljivu u programu koji su izvan njenog domena.
#7. Paralelno izvršenje
S obzirom da funkcionalno programiranje koristi nepromenljiva stanja, čiste funkcije i nepromenljive podatke, ono omogućava paralelno izvršavanje više proračuna istovremeno.
Pošto svaka funkcija mora da se bavi samo datim unosom bez brige o tome da će izazvati neželjene efekte drugih delova programa, složeni problemi se mogu razbiti na manje podprobleme i izvršavati istovremeno paralelno, što omogućava poboljšane performanse i efikasnost.
Prednosti funkcionalnog programiranja
Neke od prednosti funkcionalnog programiranja uključuju:
Manje softverskih grešaka
Pored toga što je kod koji implementira funkcionalnu programsku paradigmu čitljiviji i lakši za razumevanje zbog upotrebe čistih funkcija, funkcionalno programiranje omogućava pisanje koda sa manje grešaka.
S obzirom da funkcionalno programiranje radi sa nepromenljivim stanjima, nikada nećete imati nekoliko delova programa koji menjaju stanje promenljive ili celog programa. Ovo, zauzvrat, dovodi do manjeg broja grešaka koje su mogle nastati usled modifikovanja podataka iz više oblasti zbog deljenih stanja.
Poboljšava čitljivost koda
Funkcionalno programiranje je potparadigma deklarativne paradigme, koja naglašava pisanje koda koji opisuje šta treba da se uradi, a ne kako se to radi. Ovo, zajedno sa upotrebom čistih funkcija, rezultira kodom koji je sam po sebi razumljiv, lakši za čitanje i razumevanje i lak za održavanje.
Poboljšava ponovnu upotrebu koda
Implementacija funkcionalnog programiranja zahteva razbijanje složenih problema na manje podprobleme i rešavanje ovih problema korišćenjem čistih funkcija. Ove funkcije se lako mogu sastaviti i ponovo koristiti za rešavanje drugih složenih problema. Korišćenjem čistih funkcija i nepromenljivih stanja, funkcionalno programiranje omogućava pisanje koda koji se može ponovo koristiti.
Lakše testiranje i otklanjanje grešaka
Funkcionalno programiranje koristi čiste funkcije koje nemaju nuspojave, samo zavise od svojih ulaza i proizvode konzistentne determinističke izlaze za isti skup ulaza.
Ovo čini funkcionalno programiranje inherentno lakim za testiranje i otklanjanje grešaka jer ne morate da pratite promenljivu i kako se ona menja u različitim delovima programa.
Pošto u funkcionalnom programiranju nema zavisnosti, otklanjanje grešaka i testiranje postaju lakši jer možete ciljati određene delove programa.
Podržava konkurentnost i paralelizam
S obzirom da funkcionalno programiranje podstiče bezdržavnost i nepromenljivost podataka, omogućava bezbedno izvršavanje više čistih funkcija paralelno ili istovremeno. Mogućnost paralelnog pokretanja više operacija dovodi do boljih brzina obrade i boljeg korišćenja procesora sa više jezgara.
Kao programska paradigma, funkcionalno programiranje može pomoći u pisanju čitljivijeg i lakše razumljivog koda sa manje grešaka i odličnom podrškom za paralelizam omogućavajući efikasnu upotrebu višejezgrenih procesora. Funkcionalno programiranje omogućava izgradnju softverskih sistema koji su pouzdaniji i lakši za skaliranje.
Ograničenja funkcionalnog programiranja
Iako funkcionalno programiranje ima mnogo toga da ponudi, dolazi sa krivom učenja koja zahteva od programera da ulože mnogo vremena i truda u učenje kako da koriste paradigmu. To je zato što uvodi nove načine strukturiranja koda i nove koncepte programiranja.
Kodiranje korišćenjem funkcionalnog programiranja može biti izuzetno složeno i teško jer ne koristi intuitivnije funkcije kao što su „for“ i „while“ petlje. Rekurzivno pisanje programa nije lako.
Kao rezultat toga, programerima može biti potrebno više vremena da savladaju funkcionalno programiranje, posebno kada dolaze iz jezika koji koriste promenljiva stanja, kao što je objektno orijentisano programiranje.
Još jedno ograničenje funkcionalnog programiranja proizilazi iz njegovog osnovnog principa nepromenljivosti. S obzirom da su podaci i stanja nepromenljivi, a nove strukture podataka se kreiraju umesto da se menjaju postojeće, ovo rezultira funkcionalnim programiranjem koje koristi više prostora za skladištenje. Nepromenljiva priroda funkcionalnog programiranja takođe može rezultirati lošijim performansama u aplikacijama.
Zaključak
Iako funkcionalno programiranje postoji već dugo vremena, ono je postalo popularna paradigma u novije vreme. Koliko god to moglo biti teško shvatiti, programeri će imati ogromne koristi od učenja o paradigmi i različitim načinima na koje mogu da implementiraju funkcionalno programiranje prilikom pisanja programa.
S obzirom da ne morate da koristite čisto funkcionalne programske jezike kao što je Haskell, možete implementirati koncepte funkcionalnog programiranja u jezicima kao što su JavaScript, Java, Python i Kotlin i iskoristiti prednosti funkcionalnog programiranja u svojim projektima.
Takođe možete istražiti neke resurse da naučite Python za početnike.