Utvikling av programvare er en krevende og teknisk prosess som krever omhyggelig planlegging og strategisk tilnærming. Dette for å finne den optimale måten å løse et problem ved hjelp av programvare.
I denne sammenheng er det avgjørende å evaluere programmeringsparadigmet før man starter selve utviklingsprosessen.
Et programmeringsparadigme fungerer som en modell eller tilnærmingsmåte til programmering. Det tilbyr metoder, strukturer, prinsipper, regler og stilistiske retningslinjer for hvordan man utformer, strukturerer og skriver dataprogrammer.
Populære eksempler på programmeringsparadigmer inkluderer objektorientert programmering (OOP), prosedyreorientert programmering, hendelsesdrevet programmering, og funksjonell programmering.
Særlig funksjonell programmering har i det siste fått stor oppmerksomhet. Dette skyldes dens potensial for å generere mindre feilbefengt kode som er svært gjenbrukbar og lett å vedlikeholde. Men hva innebærer egentlig funksjonell programmering?
Funksjonell programmering er et underparadigme av det deklarative programmeringsparadigmet. Deklarativ programmering fokuserer på å skrive kode som beskriver hva et program skal utføre, i stedet for å detaljert forklare hvordan oppgaven skal løses.
Et konkret eksempel på dette finner vi i spørringer mot SQL-databaser. Her spesifiserer man hvilke data man ønsker å hente ut, uten å måtte definere den underliggende prosessen for hvordan dataene skal hentes.
Funksjonell programmering i seg selv er en tilnærming for å konstruere dataprogrammer ved bruk av uttrykk og rene funksjoner. Disse anvendes sekvensielt for å håndtere problemer eller oppnå ønskede resultater.
I funksjonell programmering er hele programmets funksjonalitet oppdelt i gjenbrukbare, rene funksjoner med et spesifikt ansvarsområde. Alle operasjoner i programmet utføres med rene funksjoner.
En ren funksjon er en deterministisk funksjon som, gitt de samme inngangsverdiene, alltid vil generere den samme utdataen. Den har heller ingen påvirkning på andre deler av applikasjonen.
Med andre ord er resultatet av en ren funksjon kun avhengig av dens inngangsparametere, og ikke av globale variabler i applikasjonen som kan forårsake varierende resultater.
Disse rene funksjonene mottar input, bearbeider den lokalt og genererer en utdata, uten å endre tilstanden til andre deler av programmet.
Funksjonell programmering benytter seg av uforanderlige data, det vil si data som ikke kan endres etter opprettelsen. Den unngår også delt tilstand, der den samme dataen kan nås og endres fra ulike deler av et program.
Siden funksjonell programmering er sterkt avhengig av funksjoner, anses funksjoner som førsteklasses elementer. Dette betyr at de kan overføres som argumenter, lagres i variabler og returneres fra andre funksjoner.
I tillegg prioriterer funksjonell programmering bruk av uttrykk fremfor utsagn, og unngår dermed bruken av løkker som «for» og «while». Dette bidrar til å forenkle programmets logikk, noe som gjør den lettere å følge og feilsøke.
Typer funksjonelle programmeringsspråk
Det finnes hovedsakelig to kategorier av funksjonelle programmeringsspråk. Disse er:
- Rent funksjonelle språk: Disse programmeringsspråkene understøtter, håndhever og oppmuntrer til bruk av funksjonelle paradigmer. Dette inkluderer bruken av rene funksjoner som førsteklasses elementer, uforanderlighet av tilstand og data, og funksjoner som ikke forårsaker bivirkninger i andre deler av programmet. Eksempler på rent funksjonelle språk er Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark og Elm.
- Urene funksjonelle språk: Disse språkene støtter funksjonelle programmeringsparadigmer, men tillater også bruk av urene funksjoner, endringer i programmets tilstand og operasjoner som kan forårsake bivirkninger. Eksempler på urene funksjonelle språk er Javascript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin og Clojure.
Både rent og urent funksjonelle språk er i bruk blant utviklere. Overgang til et rent funksjonelt språk kan imidlertid kreve betydelig tid og innsats hvis man ikke har erfaring med funksjonell programmering.
Funksjonelle programmeringsspråk og biblioteker
Her er noen kjente funksjonelle programmeringsspråk og biblioteker:
#1. Haskell
Haskell er et statisk typet, «lazy», rent funksjonelt programmeringsspråk. Det anses som et prakteksempel på det funksjonelle programmeringsparadigmet.
Haskell tilbyr støtte for typeinferens og lat evaluering, der uttrykk kun evalueres når resultatet er nødvendig. Språket støtter også samtidig programmering. Kompilatoren inkluderer en høytytelses søppeloppsamler og et lett bibliotek for samtidighet.
Gjennom sin bruk og strenge overholdelse av funksjonelle programmeringsprinsipper, kan Haskell forenkle konstruksjonen av komplekse programvaresystemer, samtidig som det gjør dem enklere å vedlikeholde.
Haskell er et sentralt språk for mange i bransjen, spesielt ved utvikling av frittstående systemer eller domenespesifikke språk. Det er også utbredt innen akademia og forskning. Noen av selskapene som bruker Haskell er Microsoft, Github, Hasura og Lumi.
#2. Ramda
Ramda er et funksjonelt programmeringsbibliotek for JavaScript. Det forenkler utviklingen av kompleks logikk gjennom funksjonell komposisjon. Ramda tilbyr et sett med verktøyfunksjoner som støtter bruken av funksjonelle programmeringsprinsipper i JavaScript.
Ramda gjør det også enkelt å bruke uforanderlige objekter og funksjoner uten bivirkninger, som er viktige konsepter i funksjonell programmering.
Siden JavaScript ikke er et rent funksjonelt programmeringsspråk som Haskell, kan man ved å bruke biblioteker som Ramda benytte funksjonell programmering og dra nytte av ytelsesfordelene det gir, mens man likevel benytter JavaScript.
#3. Elixir
Elixir er et generelt, samtidig, funksjonelt programmeringsspråk som er designet for å være skalerbart, enkelt å vedlikeholde og feiltolerant. Språket ble skapt i 2011 av Jose Valim. Det kjører på den virtuelle BEAM-maskinen, og brukes av selskaper som Heroku, Discord, change.org og Duffel.
Som et funksjonelt programmeringsspråk, oppmuntrer Elixir til uforanderlighet av tilstand og data, bruk av rene funksjoner og transformasjon av data.
Nøkkelbegreper i funksjonell programmering
#1. Rene funksjoner
Funksjonell programmering er i stor grad avhengig av rene funksjoner. Disse har to hovedegenskaper. For det første genererer de samme utdata for samme inndata, uavhengig av eksterne faktorer. Dette gjør dem deterministiske og forutsigbare. For det andre har rene funksjoner ikke bivirkninger. Dette betyr at de ikke endrer omgivelsene utenfor sitt eget virkeområde.
Eksempler på rene funksjoner er:
//Funksjon for å beregne kvadratet av et tall
function square(x) {
return x * x;
}
//Funksjon for å addere to variabler
function add(a, b) {
return a + b;
}
Funksjonene over returnerer den samme utdataen for de samme inndataene, og har ingen bivirkninger utenfor sitt eget omfang.
#2. Uforanderlighet
I funksjonell programmering er dataene som brukes uforanderlige. Dette betyr at når variabler først er initialisert, kan de ikke endres. Dette sikrer at en variabels tilstand beholdes gjennom hele programmet.
Hvis du ønsker å endre en variabel eller utføre en operasjon på den, oppretter du en ny variabel for å lagre den oppdaterte dataen, uten å endre den opprinnelige variabelen.
#3. Funksjoner av høyere orden
Funksjoner av høyere orden er funksjoner som aksepterer en eller flere funksjoner som argumenter, og/eller returnerer en funksjon.
Funksjoner av høyere orden er nyttige i funksjonell programmering fordi de gjør det mulig å kombinere flere funksjoner for å skape nye funksjoner. De tillater også bruk av tilbakekallinger, abstraksjon av vanlige mønstre til gjenbrukbare funksjoner, og til slutt muliggjør de skriving av mer konsis og uttrykksfull kode.
Et eksempel på en funksjon av høyere orden:
// En funksjon av høyere orden som returnerer en funksjon som multipliserer
// et tall med en gitt 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. Rekursjon
Siden funksjonell programmering er basert på uttrykk i stedet for setninger, unngås kontrollflyt-setninger som for- og while-løkker. Disse løkkene erstattes i stedet med rekursjon, som brukes for å utføre iterasjoner i funksjonell programmering.
Rekursjon innebærer at en funksjon kaller seg selv gjentatte ganger inntil en sluttbetingelse er oppfylt. Ved hjelp av rekursjon brytes et komplekst problem ned i mindre, enklere delproblemer. Disse løses deretter rekursivt inntil et grunnleggende tilfelle er nådd. Dette gir til slutt en løsning på det større komplekse problemet.
#5. Deklarativ programmering
Funksjonell programmering er et underparadigme innenfor det deklarative programmeringsparadigmet. Deklarativ programmering omfatter tilnærminger som fokuserer på å skrive kode som beskriver *hva* som skal gjøres, i stedet for eksplisitt å angi *hvordan* det skal gjøres.
Når du bruker det funksjonelle programmeringsparadigmet, bør koden beskrive hva som må oppnås, eller hvilket problem som skal løses.
Hvordan dette skal oppnås er opp til programmeringsspråket du bruker. Dette bidrar til å skrive mer konsis og lettleselig kode.
#6. Tilstandsløs
Funksjonell programmering vektlegger tilstandsløs kode, der koden ikke opprettholder en global tilstand som kan modifiseres av funksjoner. Resultatene av funksjoner er kun avhengig av inndata, og påvirkes ikke av avhengigheter fra andre deler av koden.
Funksjonene som brukes kan ikke endre tilstand eller variabler i programmet som er utenfor deres eget omfang.
#7. Parallell utførelse
Siden funksjonell programmering benytter uforanderlige tilstander, rene funksjoner og uforanderlig data, tillater den parallell utførelse av flere beregninger samtidig.
Ettersom hver funksjon kun trenger å forholde seg til et gitt input uten å bekymre seg for bivirkninger fra andre deler av programmet, kan komplekse problemer deles opp i mindre delproblemer og utføres parallelt. Dette gir forbedret ytelse og effektivitet.
Fordeler med funksjonell programmering
Noen av fordelene med funksjonell programmering:
Færre programvarefeil
Kode som er skrevet med det funksjonelle programmeringsparadigmet er ikke bare mer lesbar og forståelig på grunn av bruken av rene funksjoner. Funksjonell programmering gjør det også mulig å skrive kode med færre feil.
Siden funksjonell programmering arbeider med uforanderlige tilstander, unngår du situasjoner der flere deler av et program endrer tilstanden til en variabel eller hele programmet. Dette reduserer risikoen for feil som kunne ha oppstått som følge av dataendringer fra flere steder i programmet, på grunn av delte tilstander.
Forbedrer kodelesbarheten
Funksjonell programmering er en underkategori av det deklarative paradigmet, som fokuserer på å skrive kode som beskriver hva som skal gjøres, i stedet for hvordan det skal gjøres. Dette, kombinert med bruken av rene funksjoner, resulterer i kode som er selvforklarende, lettere å lese og forstå, og enkel å vedlikeholde.
Forbedre gjenbrukbarheten av kode
Implementering av funksjonell programmering innebærer å dele opp komplekse problemer i mindre delproblemer, og løse disse problemene ved hjelp av rene funksjoner. Disse funksjonene kan enkelt settes sammen og gjenbrukes for å løse andre komplekse problemer. Ved å bruke rene funksjoner og uforanderlige tilstander, tillater funksjonell programmering skriving av svært gjenbrukbar kode.
Enklere testing og feilsøking
Funksjonell programmering benytter rene funksjoner som ikke har bivirkninger, som kun er avhengig av sin input, og som produserer konsistente, deterministiske resultater for det samme settet med input.
Dette gjør funksjonell programmering enkelt å teste og feilsøke, ettersom du slipper å spore en variabel og hvordan den endres gjennom ulike deler av programmet.
Siden det ikke finnes noen avhengigheter i funksjonell programmering, blir feilsøking og testing enklere, da man kan målrette spesifikke deler av et program.
Støtter samtidighet og parallellitet
Funksjonell programmering oppmuntrer til tilstandsløshet og uforanderlighet av data. Dette gjør det mulig å utføre flere rene funksjoner trygt parallelt eller samtidig. Evnen til å kjøre flere operasjoner parallelt gir forbedret behandlingshastighet og bedre utnyttelse av prosessorer med flere kjerner.
Som et programmeringsparadigme kan funksjonell programmering hjelpe til med å skrive mer lesbar og forståelig kode, med færre feil, og med utmerket støtte for parallellitet som muliggjør effektiv bruk av flerkjerneprosessorer. Funksjonell programmering gjør det mulig å bygge mer pålitelige og skalerbare programvaresystemer.
Begrensninger ved funksjonell programmering
Selv om funksjonell programmering har mange fordeler, følger det med en læringskurve som krever at utviklere investerer tid og innsats for å mestre paradigmet. Dette er fordi det introduserer nye måter å strukturere kode på, og nye programmeringskonsepter.
Koding med funksjonell programmering kan være svært komplisert og krevende, da det ikke bruker mer intuitive funksjoner som for- og while-løkker. Å skrive programmer rekursivt er ikke enkelt.
Som et resultat kan utviklere bruke lengre tid på å mestre funksjonell programmering, spesielt hvis de kommer fra språk som benytter foranderlige tilstander, som i objektorientert programmering.
En annen begrensning ved funksjonell programmering skyldes kjerneprinsippet om uforanderlighet. Siden data og tilstander ikke kan endres, og nye datastrukturer opprettes i stedet for å modifisere eksisterende, resulterer dette i at funksjonell programmering bruker mer lagringsplass. Den uforanderlige karakteren til funksjonell programmering kan også føre til dårligere ytelse i enkelte applikasjoner.
Konklusjon
Selv om funksjonell programmering har eksistert lenge, har det blitt et trendparadigme i nyere tid. Selv om det kan være litt vanskelig å lære, vil utviklere ha stor nytte av å lære om paradigmet, og utforske ulike måter å implementere funksjonell programmering når de skriver programmer.
Det er ikke nødvendig å bruke rent funksjonelle språk som Haskell. Du kan implementere funksjonelle programmeringskonsepter i språk som JavaScript, Java, Python og Kotlin, og dra nytte av fordelene i dine prosjekter.
Du kan også utforske noen ressurser for å lære Python for nybegynnere.