FUNKTIONALE PROGRAMMIERUNG: MERKMALE, BEISPIELE, VOR- UND NACHTEILE - TECHNOLOGIE - 2025

Die funktionale Programmierung entspricht der Musterprogrammierung und basiert auf dem Konzept, das Verhalten eines Programms als funktionales mathematisches Modell anzugeben, und nicht auf expliziten Befehlsfolgen für einen Prozessor, was das Hauptkonzept bei der imperativen Programmierung ist.

Die funktionale Sprache betont Anweisungen und Begriffe, anstatt Anweisungen auszuführen. Bei dieser Programmierung hängt das Ergebnis nur von den Parametern ab, die an eine Funktion übergeben werden, im Gegensatz zu anderen Typen, die einem lokalen oder globalen Status gehorchen.

Diagramm, wie die Zuordnungsfunktion in der funktionalen Programmiersprache Haskell funktioniert. Quelle: Von Pluke - Eigene Arbeit, CC0 commons.wikimedia.org.

Sein Name stammt von den mathematischen Funktionen, bei denen eine Reihe von Eingaben einer Reihe von Ausgaben zugeordnet wird. Eine mathematische Funktion macht eigentlich keine Arbeit, sondern beschreibt das Modell eines Prozesses und erklärt anhand einer Formel, was eine Menge von Eingaben in einer Funktion erzeugt.

Grundideen

Grundlage der funktionalen Programmierung war der Lambda-Kalkül, der im dritten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, um Funktionen zu definieren und anzuwenden. LISP war die erste Programmiersprache dieser Art, die 1960 entwickelt wurde.

Obwohl die meisten Programmiersprachen aus Eingaben, Ausgaben und externen Variablen bestehen, die innerhalb von Funktionen festgelegt oder verwendet werden können, wird dies durch funktionale Programmierung vermieden. Die Idee ist, dass jedes Mal, wenn eine Funktion mit denselben Parametern aufgerufen wird, sie denselben Wert zurückgeben sollte.

Eigenschaften

Funktionale Programmiersprachen werden als Anwendungen bezeichnet, da die Funktionen auf ihre Parameter sowie deklarativ und nicht prozedural angewendet werden, da die Definitionen angeben, was berechnet werden soll und nicht, wie es berechnet wird.

Reine Funktionen

Eine Funktion ist rein, wenn sie keine beobachtbaren Nebenwirkungen hat, z. B. das Ändern externer Variablen, Änderungen des Dateisystems usw.

Diese Funktionen gelten als überzeugend, da sie keine Variablen ausdrücklich ändern, von denen andere Teile des Codes irgendwann abhängen könnten. Es erscheint unangenehm, mit diesen Einschränkungen zu codieren, aber diese Funktionen sollten als deterministisch, vorhersehbar und zusammensetzbar angesehen werden.

Erstklassige Funktionen

Funktionen werden als Werte betrachtet, die Variablen zugewiesen werden können, sodass sie an andere Funktionen übergeben und von diesen zurückgegeben werden können. Das heißt, eine Funktion kann so verwendet werden, als wäre sie ein Parameter oder als Wert, der zurückgegeben wird.

Dies bedeutet, dass die Funktion als solche übergeben werden kann und nicht nur das Ergebnis der Funktion. Betrachten Sie beispielsweise die Funktion double (x), die den doppelten Wert ihres Eingabeparameters zurückgibt. Somit würde double (2) 4 zurückgeben.

Da es sich um eine erstklassige Funktion handelt, entspricht der Code (double (double (2))) dem double (4) -Code. Auf diese Weise können Sie eine Funktion als Parameter einer anderen verschachteln usw.

Referentielle Transparenz

Es bezieht sich auf die Tatsache, dass es in diesem Programmiermuster keine Zuweisungsanweisungen gibt. Das heißt, Sie müssen neue Variablen definieren, wenn Sie zusätzliche Werte speichern möchten. Daher ist der Zustand einer Variablen jederzeit konstant.

Dadurch wird die geringste Möglichkeit unerwünschter Effekte ausgeschlossen, da jede Variable zu jedem Zeitpunkt der Programmausführung durch ihren tatsächlichen Wert ersetzt werden kann.

Rekursion

In der funktionalen Programmierung gibt es keine "for" - und "while" -Schleifen. Stattdessen beruht die Iteration auf einer Rekursion. Die Rekursion wird mit rekursiven Funktionen implementiert, die sich wiederholt aufrufen, bis der Basisfall erreicht ist.

Unveränderlichkeit

Variablen sind unveränderlich, dh es ist nicht möglich, eine Variable nach ihrer Initialisierung zu ändern. Obwohl Sie eine neue Variable erstellen können, ist das Ändern vorhandener Variablen nicht zulässig.

Beispiele

Imperative und deklarative Ansätze

Anhand eines Beispiels können Sie den Unterschied zwischen diesen Ansätzen analysieren, indem Sie in beiden Anordnungen dieselbe Operation ausführen, indem Sie die ungeraden Zahlen aus einer Liste herausfiltern und gerade 5 durch gerade Zahlen unter 5 ersetzen.

Es ist dieselbe Berechnung mit demselben Ergebnis. Wie Sie jedoch sehen können, ist der imperative Code ausführlich und nicht sofort klar. Andererseits ist der deklarative Ansatz lesbar und explizit, da er sich auf das konzentriert, was Sie erhalten möchten.

Reine Funktionen

Was als reine und unreine Funktionen definiert ist, kann anhand einiger grundlegender Beispiele verdeutlicht werden:

Funktioniert als erstklassige Objekte

Es bedeutet, Funktionen genauso zu verwenden, wie Daten verwendet werden. Daher können sie als Parameter an eine andere Funktion übergeben werden. Im folgenden Beispiel kann die int-Funktion als Parameter an die Map-Funktion übergeben werden:

>>> Liste (Karte (int,))

Sie können Variablen zugewiesen und zurückgegeben werden. Im folgenden Code können Sie beispielsweise die Funktion hello_world zuweisen und dann die Variable als Funktion ausführen.

Vorteil

- Konzentrieren Sie sich darauf, was Sie erreichen möchten (deklarativ) und nicht darauf, wie Sie es erreichen möchten (zwingend).

- Sie enthalten keine Zuweisungsanweisungen. Nachdem Variablen einen Wert erhalten haben, ändern sie sich nicht mehr. Daher enthalten die Funktionsprogramme keine Nebenwirkungen.

- Der logische Ablauf ist klar, da der Zustand weniger verteilt ist und nicht implizit geändert wird.

- Unterstützt das Konzept der verzögerten Auswertung, dh der Wert wird nur bei Bedarf ausgewertet und gespeichert.

- Da reine Funktionen keinen Zustand ändern und vollständig von der Eingabe abhängig sind, sind sie leicht zu verstehen. Der von solchen Funktionen angegebene Rückgabewert entspricht dem von ihnen erzeugten Ergebnis.

- Aufgrund der Art der reinen Funktionen, um zu vermeiden, dass sich die Variablen oder externe Daten ändern, wird die Implementierung der Parallelität wirksam.

- Funktionen werden als Werte behandelt und als Parameter an andere Funktionen übergeben. Dies verbessert das Verständnis und die Lesbarkeit des Codes.

- Reine Funktionen übernehmen die Parameter einmal und erzeugen eine unveränderliche Ausgabe. Die Verwendung unveränderlicher Werte erleichtert das Debuggen und Testen.

Kürzer und leichter zu verstehen

Sie sind kürzer und leichter zu verstehen als Imperative. Studien haben gezeigt, dass die durchschnittliche Produktivität von Programmierern in Bezug auf Codezeilen für jede Programmiersprache mehr oder weniger gleich ist, was zu einer höheren Produktivität führt.

Kein Kontrollfluss

Das Aufrufen einer Funktion kann keinen anderen Effekt haben als die Berechnung ihres Ergebnisses. Dies schließt eine Hauptfehlerquelle aus und macht auch die Reihenfolge der Ausführung irrelevant, da kein Nebeneffekt den Wert eines Ausdrucks ändern kann und er jederzeit ausgewertet werden kann.

Der Programmierer wird von der Last entlastet, einen Kontrollfluss herzustellen. Da Ausdrücke jederzeit ausgewertet werden können, können Variablen durch ihre Werte ersetzt werden.

Diese Autonomie macht funktionale Programme mathematisch besser handhabbar als herkömmliche Programme.

Nachteile

- Das funktionale Programmierparadigma ist nicht einfach, daher ist es für Anfänger schwer zu verstehen.

- Es ist schwierig zu warten, da sich viele Objekte während der Codierung entwickeln.

- In einigen Fällen führt das Schreiben reiner Funktionen zu einer Verringerung der Lesbarkeit des Codes.

- Unveränderliche Werte in Kombination mit Rekursion können zu einer drastischen Verringerung der Systemleistung führen.

- Die Wiederverwendung ist sehr kompliziert und erfordert ein ständiges Refactoring.

- Das Schreiben von Programmen in einem rekursiven Stil anstelle von Schleifen oder Schleifen kann eine sehr entmutigende Aufgabe sein.

- Die Objekte stellen das Problem möglicherweise nicht richtig dar.

- Obwohl sich das Schreiben reiner Funktionen als einfach herausstellt, ist es ziemlich schwierig, sie mit dem Rest der Anwendung und mit den Eingabe- / Ausgabeoperationen zu kombinieren

Anwendungen

Die Programmierung künstlicher Intelligenz erfolgt in funktionalen Programmiersprachen, und Techniken der künstlichen Intelligenz werden in reale Anwendungen migriert.

Es zeichnet sich auch durch die Implementierung komplexer mathematischer Modelle aus. Aus diesem Grund war eine der Hauptanwendungen funktionaler Sprachen traditionell akademisch. Es ist nützlich für die Entwicklung ausführbarer Spezifikationen und Prototypimplementierungen.

Viele funktionale Sprachen zeichnen sich auch durch die Implementierung der Parallelverarbeitung aus. Dies liegt an der Fähigkeit, reine Funktionen zu nutzen, die unabhängig von der Reihenfolge, in der sie ausgeführt werden, immer den gleichen Wert zurückgeben.

Funktionale Methodik

WhatsApp verwendet die Programmiersprache Erlang, die dem funktionalen Programmiermodell folgt, sodass mehr als hundert seiner Mitarbeiter die Daten von rund 1,6 Milliarden Menschen verarbeiten können.

Ein weiterer wichtiger Träger des funktionalen Programmierstils ist Haskell. Es wird von Facebook in seinem Antispam-System verwendet. Selbst JavaScript, eine der am häufigsten verwendeten Programmiersprachen, zeigt die Eigenschaften einer dynamisch typisierten Funktionssprache.

Sprachen, die funktionale Programmierung unterstützen

D.

Es wurde nach C ++ entwickelt, um alle Vorteile zu nutzen und gleichzeitig die beobachteten Schwächen der Kompatibilität mit C zu beseitigen.

Erlang

Es ist hoch skalierbar und gleichzeitig verfügbar und eignet sich daher ideal für Telekommunikations- und andere Anwendungen, die große Datenmengen in unvorhersehbarer Reihenfolge empfangen.

Haskell

Dies ist eine reine funktionale Programmiersprache, die Lambda-Kalkül verwendet.

ML

Es wird in mathematischen, wissenschaftlichen, finanziellen, analytischen und anderen Anwendungen verwendet. Eine seiner Stärken ist die Entwicklung von Software für andere Programme.

Ziel Caml

Es ist eine Open-Source-Sprache, die auf Caml basiert. Es erstellt in der Regel sehr einfache Programme, mit denen sie schneller geladen und ausgeführt werden können als in anderen Sprachen.

Planen

Es basiert auf der LISP-Syntax und der ALGOL-Struktur. Aufgrund seiner Einfachheit wird es in vielen Informatikkursen als Einführung in das Programmdesign verwendet, um einige der Grundlagen der Computerprogrammierung aufzuzeigen.

Verweise

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