Парадигмы программирования - императивная и декларативная

Это серия статей о функциональном программировании:

1. Парадигмы программирования (рассматривается в этой статье)
2. Композиция
3. Функторы
4. Каррирование
5. Чистые функции
6. Функции первого класса

Парадигмы программирования

Парадигма программирования — это стиль или "способ" программирования. Поэтому некоторые языки заставляют нас писать в определенной парадигме. Другие языки оставляют варианты открытыми для программиста, где каждая парадигма следует набору понятий. За всю историю компьютерного программирования инженеры разработали разные языки. Каждый язык основывался на одной или нескольких парадигмах. Эти парадигмы принадлежат к одной из следующих двух основных категорий:

1. Императивная парадигма

В императивных языках программирования поток управления является явным, где программист инструктирует программу, как изменить ее состояние. В императивную парадигму также включается:

• Структурная парадигма
• Объектно-ориентированная парадигма

2. Декларативная парадигма

В декларативной парадигме поток управления является неявным, когда программист указывает программе, что следует делать, не указывая, как это должно быть сделано. В декларативную парадигму также включается:

• Функциональная парадигма
• Логическая парадигма
• Математическая парадигма
• Реактивная парадигма

Большинство языков принадлежат либо к императивной, либо к декларативной парадигме, где каждая парадигма имеет набор понятий, которым необходимо следовать. Рассмотрим подробнее каждую парадигму.

Императивная парадигма

Императивная парадигма немного изменилась из-за структурной парадигмы, но у нее все еще есть проблемы:

• Указание программе, как что-то делать (поток управления является явным)
• Общее состояние

Чтобы понять эти проблемы рассмотрим примеры.

Проблема 1: Указание программе, как что-то делать (поток управления является явным)

Кейс: представьте себе 1000 сотрудников с руководителем, который ведет их по проекту. Руководитель начинает рассказывать 1000 сотрудников, как делать вещи одну за другой. Как вы думаете, насколько это будет плохо? Я почти уверен, что вы видите, что этот стиль управления на микроуровне имеет большие риски, ловушки и даже не сработает. Решение: Сгруппировать людей по зонам ответственности и делегировать в каждую группу руководителя группы. Руководитель каждой группы должен знать, как делать что-то для достижении цели. Это значительно уменьшит сложность, узкие места и станет намного проще в управлении. В этой аналогии

• Руководитель = Программист
• Руководители групп = Функции более высокого уровня
• Сотрудники в каждой группе = Строки кода

Вывод: когда мы применяем организационную структуру более высокого порядка на программном уровне, наша жизнь становится проще.

Проблема 2: Общее состояние

Кейс: Представьте отца, у которого двое детей. У них есть общий банковский счет. Каждый месяц отец кладет на этот счет 1000 долларов. Оба ребенка не знают, что учетная запись используется совместно. Таким образом, они оба думают, что у каждого есть 1000 долларов, которые он может потратить на себя. В конце месяца оказывается, что на этом счету осталось -1000 долларов. Решение: У каждого ребенка должна быть отдельная учетная запись и указанная ежемесячная сумма. В этой аналогии:

• Дети = Функции
• Общий банковский счет = общее состояние

Вывод: Когда ваши функции имеют одно и то же состояние, они используют его неосознанно. Это испортит состояние вашей программы даже с двумя функциями. Так что всегда лучше, чтобы каждая функция имела собственное независимое состояние для использования.

Пример императивной парадигмы

Давайте посмотрим, как функция для суммирования может быть реализована в императивной парадигме.

const sum = (list) => {
  let result = 0
  for (let i = 0; i < list.length; i++) {
    result += list[i]
  }
  return result
}

Почему этот код считается императивным?

1. Указание программе, как что-то делать (поток управления является явным): мы явно сообщаем циклу for, как работать. Также мы обращаемся к каждому элементу в массиве явно.
2. Совместное состояние: результирующая переменная является общим состоянием, изменяющимся на каждой итерации (с общим состоянием в более крупных решениях будет гораздо сложнее справиться).

Декларативная парадигма

Декларативная парадигма — это когда программист указывает программе, что должно быть сделано, не указывая, как. В декларативной парадигме мы пишем функции, которые:

• Описывают, что должна выполнять программа, а не как (неявный поток управления).
• Не производят побочных эффектов (о которых мы поговорим позже).

Пример декларативной парадигмы

Мы увидели, как функция sum может быть реализована в императивной парадигме. Давайте посмотрим, как ее можно реализовать декларативно.

const add = (a, b) => a + b
const sum = (list) => list.reduce(add)

Похоже на магию? Но почему это считается декларативным?

• Описано, что программа должна выполнять, а не как (неявный поток управления): нет явного итератора, нет явного указания циклу, как работать или как получить доступ к элементам. Это было достигнуто с помощью метода reduce.
• Не производит побочных эффектов: общее состояние — это форма побочных эффектов, которая была полностью устранена с помощью метода reduce и функции add.

Еще одно сравнение

Что, если мы хотим суммировать только четные числа? Разберем эту задачу на примерах в разных парадигмах.

Императивная реализация

const evenSum = (list) => {
  let result = 0
  for (let i = 0; i < list.length; i++){
    if(list[i] % 2 === 0) {
      result += list[i]
    }
  }
  return result
}

Декларативная реализация

const evenSum = (list) => {    
  const isEven = (n) => n % 2
  const add = (a, b) => a + b
  return list.filter(isEven).reduce(add)
}

Как видим, если мы хотим сравнить обе парадигмы (императивную и декларативную), то декларативная парадигма (в нашем случае Функциональная парадигма) больше похожа на шестеренки. Вы разрабатываете свои шестеренки как отдельные единицы, затем добавляете их туда, где они вам нужны. Но в императивной парадигме это больше похоже на тесто. Почти все смешано и слито в один и тот же кусок код. В целом декларативная парадигма — это:

• Предсказуемость
• Тестируемость
• Многоразовость
• Настраиваемость
• Кэшируемость
• Поддерживаемость
• Компонуемость

Некоторые из этих моментов не обязательно имеют смысл в контексте примера с функцией sum, но будут иметь смысл в следующих статьях о функциональном программировании.

Эволюция парадигм

Итак, у нас есть 2 основные парадигмы: императивная и декларативная, каждая из которых имеет подпарадигмы. Теперь поговорим подробнее о структурной, объектно-ориентированной и функциональной парадигмах. с эволюционной точки зрения. Каждая парадигма ограничивала способ программирования, вводя что-то новое.

• Структурная парадигма: ограниченное использование goto и «потока передачи управления» за счет введения в наш код такой структуры, как if/else/then/loop и других. Другими словами, он ограничивает поток передачи управления.
• Объектно-ориентированная парадигма: ограничение полиморфизма с использованием указателей на функции за счет введения полиморфизма с использованием наследования.
• Функциональная парадигма: ограничения общего состояния и побочные эффекты за счет введения иммутабельности.

Имейте в виду, что каждая парадигма может использовать одну или несколько концепций других парадигм (например, как объектно-ориентированная, так и функциональная парадигмы используют концепции структурной парадигмы).

Итоги

В реальной жизни у нас разные парадигмы с разными стилями, которые требуют разного уровня мастерства. Практика большего количества парадигм даст вам больше возможностей. У объектно-ориентированной парадигмы есть свои особенности, у функционального программирования - свои. Чем сильнее вы становитесь в этих парадигмах, тем мощнее будут ваши решения.

Это серия статей о функциональном программировании:

1. Парадигмы программирования
2. Композиция
3. Функторы
4. Каррирование (рассматривается в этой статье)
5. Чистые функции
6. Функции первого класса

Что такое каррирование?

Каррированная функция — это функция, которая продолжает возвращать функции до тех пор, пока не будут отправлены все ее параметры.

Как работает каррирование?

Предположим, есть функция сложения add.

const add = (a, b) => a + b

Простейшая реализация каррирования — заставить функцию возвращать функцию и т. д.

const add = (a) => (b) => a + b

Эту функцию можно использовать так.

const addOne = add(1) // addOne = (b) => 1 + b

Представим, что у нас есть функция curry, которая принимает функцию и каррирует ее.

const add = curry((a, b) => a + b)

Как мы видим, curry — это функция, которая использует другую функцию для ленивой обработки параметров. Итак, теперь мы можем вызвать ее следующим образом.

const addOne = add(1) // addOne = (b) => 1 + b

Итак, сначала мы создали addOne, передав 1 в качестве первого параметра (a) каррированной функции добавления. Что привело к другой функции, которая ожидает остальные параметры, где логика добавления не будет выполняться, пока не будут предоставлены все параметры.

addOne(2) // 3

Теперь, передавая 2 (как b) в addOne выполняет логику 1 + 2.

Пояснение к функции curry

Функция curry принимает функцию и делает ее параметры ленивыми, другими словами, вы предоставляете эти параметры по мере необходимости. Так же, как addOne. Вы по-прежнему можете вызывать каррированную версию функции добавления следующим образом.

const three = add(1, 2)

Таким образом, он либо принимает аргументы по частям, либо все аргументы сразу.

Для чего нужно каррировать функции?

Каррирование делает код:

• Чище
• Уменьшает количество повторяющихся параметров и делает код более лаконичным
• Более компонуемым
• Переиспользуемым

Почему каррирование делает код лучше?

Некоторые функции принимают конфигурацию в качестве входных данных

Если у нас есть функции, которые принимают конфигурацию (начальные настройки), нам лучше их каррировать, потому что эти конфигурации, вероятно, будут повторяться снова и снова. Предположим, что у нас есть функция перевода, которая принимает локаль и текст для перевода.

const translate = (locale, text) => { /* логика перевода */ }

Использование будет выглядеть так.

translate('ru', 'Hello')
translate('ru', 'Goodbye')
translate('ru', 'How are you?')

Каждый раз, когда мы вызываем translate, мы должны указывать язык и текст. Что является избыточным для предоставления локали при каждом вызове. Но вместо этого давайте каррируем translate следующим образом.

const translate = curry(
  (locale, text) => { /* логика перевода */ }
)

const translateToRu = translate('ru')

Теперь translateToRu имеет ru в качестве locale, предоставленного каррированной функции translate, и ожидает текста. Мы можем использовать это так.

translateToRu('Hello')
translateToRu('Goodbye')
translateToRu('How are you?')

Каррирование действительно внесло улучшения, нам не нужно каждый раз указывать локаль. Вместо этого каррированная функция translateToRu содержит locale из-за каррирования. После каррирования - в этом конкретном примере код стал:

• чище
• менее многословным и менее избыточным.

Потому что мы отделили конфигурацию от фактических данных. Что очень удобно во многих случаях.

На практике

На практике у нас есть динамическая локаль (у каждого пользователя свой язык), может быть fr, en, de или что-то еще. Поэтому вместо этого лучше переименовать translateToRu в translateTo, где translateTo может быть загружен с любой локалью. Теперь у нас есть translate, который принимает locale как конфигурацию и text как данные. Благодаря тому, что translate каррирован, мы смогли отделить параметры конфигурации от данных.

Зачем отделять конфигурации от данных?

Многие компоненты и функции нуждаются в использовании некоторой функциональности (в нашем случае, translateTo), но не должны или не могут знать о части конфигурации (locale). Эти компоненты или функции имеют только часть данных (text). Таким образом, эти функции смогут использовать эту функцию без необходимости знать о части конфигурации. Таким образом, этот компонент или функция будут меньше связаны с системой, что сделает компоненты более компонуемыми и более удобными в сопровождении.

Когда применять каррирование?

Когда мы знаем, что в функции есть конфигурация и есть данные, лучше их каррировать. Каррирование даст нам возможность их разделить. И это признак зрелого дизайна системы. Потому что одним из основных столпов качества кода является разделение задач. Даже если функции нужны все параметры для правильной работы, мы все равно лучше знаем, когда передавать параметры и на каком уровне приложения.

Связь между замыканием и каррированием

Замыкание - это функция, возвращаемая «родительской» функцией и имеющая доступ к внутреннему состоянию родительской функции. Каррирование всегда приводит к замыканию. Потому что каждая функция, возвращаемая каррированной функцией, будет снабжена внутренним состоянием родителей.

Примеры каррирования

Перед тем как продолжить

Добавим некоторые утилиты, чтобы мы могли перейти к примерам. Прототип массива имеет такие утилиты, как filter, map и другие. Но они не поддерживают каррирование, потому что используют запись через точку (.). Итак, давайте конвертируем их в каррируемый формат.

const filter = (fn, list) => list.filter(fn)
const map = (fn, list) => list.map(fn)
const startsWith = (starter, s) => s.startsWith(starter)

Теперь мы можем использовать их так.

const lessThan21 = user => user.age < 21

// Вместо такого использования...
const filteredUsers = users.filter(lessThan21 )

// ...будем использовать такое
const filteredUsers = filter(lessThan21, users)

Мы исключили запись через точку и передали обработанные данные в качестве последнего параметра. Затем мы их каррируем. Функция curry будет принимать функцию и возвращать каррированную функцию.

const filter = curry((fn, list) => list.filter(fn))
const map = curry((fn, list) => list.map(fn))
const startsWith = curry((starter, s) => s.startsWith(starter))

Пример 1

Дан список чисел, нужно увеличить все числа на 1. Вход: [1, 2, 3, 4, 5] Выход: [2, 3, 4, 5, 6] Реализация:

// каррированная функция add была определена ранее
const addOne = add(1)
const incrementNumbers = map(addOne)
const incrementedNumbers = incrementNumbers(numbers)

Пример 2

Дана строка, оставить все слова, начинающиеся с буквы c. Вход: "currying javascript function” Выход: “currying” Реализация:

const startsWithC = startsWith('c')
const filterStartsWithC = filter(startsWithC)
const filteredWords = filterStartsWithC(words)

Пример 3

Дан список диапазонов и список чисел. Создайте массив функций, которые могут фильтровать числа на основе предоставленных диапазонов.

const ranges = [
  { min: 10, max: 100 }, 
  { min: 100, max: 500 }, 
  { min: 500, max: 999 }
]
const numbers = [30, 50, 110, 200, 650, 700, 1000]
// 30 и 50 в первом диапазоне
// 110 и 200 во втором диапазоне
// 650 и 700 в третьем диапазоне
// 1000 не принадлежит ни одному диапазону

Выход: массив функций. Каждая функция может принимать числа и возвращать отфильтрованные числа, которые находятся в заданном диапазоне.

const isInRange = curry(
  (range, val) => val > range.min && val < range.max
)

const filters = ranges.map((range) => filter(isInRange(range)))

В этом примере есть двойное каррирование, filter и isInRange. filters теперь представляют собой список функций, каждая из которых ожидает numbers для обработки.

Для лучшего понимания можно развернуть каррирование и вместо этого использовать обычные функции.

const isInRange = (range, val) => val > range.min && val < range.max

const filters = ranges.map(
  (range) => (numbers) => numbers.filter(
    number => isInRange(range, number)
  )
)

Итоги

Каррирование просто делает параметры ленивыми. Когда функция продолжает возвращать функцию до тех пор, пока все ее аргументы не будут выполнены, она вычисляет и возвращает результат. Мы также увидели, как это делает наш код чище, более оаконичным, более компонуемым и даже более пригодным для повторного использования на практических примерах. И это тоже является примером принципа разделения ответственности.