Programmēšanas paradigmas: imperatīvā, deklaratīvā, funkcionālā, objektorientētā

Iepazīstieties ar programmēšanas paradigmu salīdzinājumu — imperatīvā, deklaratīvā, funkcionālā un objektorientētā: principiem, piemēriem un pielietojumu.

Programmēšanas paradigmas ir veids, kā sagrupēt programmēšanas valodas pēc to darbības jomām. Valodas var būt vairāk nekā vienā paradigmā.

Dažās paradigmās tiek aplūkots koda izpildes veids, piemēram, blakusparādību atļaušana vai nepieciešamība veikt darbības noteiktā secībā. Citas paradigmas aplūko veidu, kā kods tiek grupēts, piemēram, kodu sadalot vienā vai divās daļās (vai daudzos mazos gabaliņos). Dažas citas paradigmas aplūko kārtību un daļas, kas veido programmu tādu, kāda tā ir.

Pastāv divas galvenās paradigmu grupas - imperatīvā un deklaratīvā. Viena valoda var būt abas vienlaikus; mūsdienu programmēšanas valodas bieži atbalsta vairākas paradigmas, ļaujot izvēlēties piemērotāko pieeju konkrētam uzdevumam.

Imperatīvā programmēšana

Imperatīvajās programmās programmētāji datoram uzdod sakārtotu darbību kopumu, kas jāveic, lai kaut ko izdarītu. Ja kāds vēlas, lai dators uzzīmē kaķa seju, viņš varētu dot norādījumus, piemēram, "Uzzīmē apli šeit, uzzīmē divus mazākus apļus tur, uzzīmē divus trīsstūrus virsū" un tā tālāk. Imperatīvajām programmām dažkārt ir daudz blakusparādību.

Imperatīvā pieeja balstās uz stāvokļa (state) un izpildes soļu (statements) konceptiem: programma maina datu stāvokli pa soļiem, izmantojot piešķiršanas operācijas, ciklus un izvērtēšanas. Šī pieeja ir intuitīva, ja jāapraksta konkrētas darbības vai algoritmi, un tā bieži nodrošina labu veiktspēju un precīzu kontroli pār izpildi.

Pastāv divas galvenās imperatīvās paradigmas, un daudzos gadījumos valodai ir abas:

• Strukturēts - datoram tiek doti norādījumi, kas vienmēr ir noteiktā secībā. Tādi soļi kā "atgriezties pie 3. soļa" (tā sauktie goto paziņojumi) nav atļauti.
• Procedūras - Programma ļauj programmētājam dot nosaukumu rīkojumu sarakstam, kas šos rīkojumus pārvērš par "procedūru", kuru var izmantot vēlāk. Lielākā daļa strukturēto valodu arī ir procedurālas.
• Objektorientēts - idejas datoram tiek skaidrotas, izmantojot objektus, koda daļas, kurām ir noteikts rīkojumu kopums un informācija par tiem.

Objektorientētā programmēšana (OOP) ir imperatīvas paradigmās bieži izmantota pieeja. Tā strukturē programmas kā objektu kopu, katram objektam ir dati (lauki) un uz tiem attiecināmas metodes (uzvedība). Galvenie OOP principi ir enkapsulācija, mantošana un polimorfisms. OOP ļauj labi modelēt reālās pasaules sistēmas un atbalsta koda atkārtotu izmantošanu un paplašināmību. Tipiski piemēri valodām, kas atbalsta imperatīvu vai OOP stilu: C, C++, Java, Python, C#.

Priekšrocības:

• Precīza kontrole pār izpildes secību un resursu pārvaldību.
• Plaša valodu un rīku ekosistēma, laba veiktspēja.
• OOP sniedz strukturētu pieeju lielu sistēmu modelēšanai.

• Blakusparādības un globālais stāvoklis var apgrūtināt programmu saprašanu un testēšanu.
• Grūtāk paralelizēt kodu bez papildu piesardzības, ja tiek mainīts kopīgs stāvoklis.

Deklaratīvā programmēšana

Deklaratīvajās paradigmās programmētājs norāda datoram, kas jādara, nevis kā to darīt. Ja programmētājs vēlas, lai dators uzzīmē kaķa seju, viņš varētu dot norādījumus, piemēram, "Uzzīmē seju, uzzīmē divas acis, divas ausis un muti".

Deklaratīvā pieeja ļauj uzsvērt problēmas semantiku un atstāt izpildes stratēģiju izpildes laikam (kompilatoram vai izpildes videi). Tas veicina īsāku, vieglāk uzturamu kodu un ļauj automatizēt optimizācijas, jo izpildes iekārta var pārkārtot darbības, ja rezultāts nemainās.

Vispazīstamākās deklaratīvās paradigmas ir:

• Funkcionāls - lielāko daļu darba veic funkcijas bez blakusparādībām.
• Loģika - tiek izklāstīts faktu kopums, un tad tiek uzdots viens vai vairāki "jautājumi".
• Notikuma vadīts - koda daļas tiek iestatītas tā, lai tās darbotos, kad notiek noteiktas lietas (piemēram, datora ieslēgšana).

Funkcionālā programmēšana uzsver nepārtrauktas un tīras funkcijas, kas nedara blakusparādības un bieži strādā ar nemainīgiem (immutable) datiem. Tas atvieglo paralelizāciju un kļūdu izolēšanu. Populāras funkcionālās valodas un stili: Haskell, Erlang, Lisp dialekti, OCaml, Clojure, Scala. Funkcionālajā pieejā bieži tiek izmantotas augstākā līmeņa abstrakcijas — augstākās pakāpes funkcijas, kompozīcija, piesegšana (currying) un lazy evaluation.

Loģiskā programmēšana (piem., Prolog) ļauj formulēt problēmu kā faktu un noteikumu kopu; izpildes vide meklē risinājumus, izmantojot atpakaļmeklēšanu un konsekvenču izslēgšanu. Deklaratīvais stils aptver arī valodas un tehnoloģijas kā SQL (datu vaicāšana), HTML/CSS (prezentācijas apraksts) — tajās tiek norādīts, kas jāsasniedz, nevis kā to soli pa solim izpildīt.

Priekšrocības:

• Augstāks abstrakcijas līmenis — vieglāk izteikt sarežģītas domāšanas shēmas īsā formā.
• Vieglāka testēšana un formalizācija, ja nav blakusparādību.
• Labāka paralelizācijas un optimizācijas iespēja funkcionālajās valodās.

• Dažkārt grūtāk precīzi kontrolēt veiktspēju vai zemu līmeņa resursus (piem., atmiņas pārvaldību) bez īpašām zināšanām.
• Nākotnes izpildes stratēģijas atkarībā var radīt negaidītas sekas, ja netiek saprasts izpildes modelis (piem., lazy vs eager).

Citas paradigmas

Dažas paradigmas var atrast gan imperatīvajās, gan deklaratīvajās valodās. Šīs paradigmas parasti ir sastopamas kopā ar kādu no iepriekš minētajām paradigmām, nevis atsevišķi.

Papildus galvenajām grupām pastāv vairākas specializētas pieejas, kas risina noteiktus problēmjautājumus:

• Notikumu vadīta (event-driven) programmēšana — izmanto klausītājus un notikumu apstrādātājus; plaši lietota lietotāja saskarnēs un tīmekļa serveros (piem., JavaScript, Node.js).
• Paralēlā un konkurentā programmēšana — ietver modeļus kā pavedieni, procesa orientēta programmēšana, aktoru modelis (Erlang, Akka). Šie modeļi palīdz droši koordinēt vairākas izpildes vienības.
• Datu plūsmas (dataflow) un reaktīvā programmēšana — programs tiek raksturota kā datu plūsma, kas tiek transformēta; piemērota strāvu apstrādei un reaģēšanai uz notikumiem.
• Aspect-oriented — ļauj izdalīt šķērsgriezuma aspektus (piem., žurnālošana, kešošana) no pamatbiznesa loģikas.
• Constraint un declerative constraint paradigmas — definē ierobežojumus, un iekārta atrod risinājumus, piemēram, prolog-stila pieejas vai optimizācijas rīki.

Pārskats

Paradigma nav tikai tehniska kategorija — tā ietekmē, kā programmētājs domā par problēmu, kā tiek organizēts kods, kādas kļūdas parasti parādās un kā tiek risināta uzturēšana. Prakse rāda, ka labākie risinājumi bieži sastāv no dažādu paradigmu kombinācijas — piemēram, galvenā programma var būt imperatīva, biznesa loģika funkcionāla, un konfigurācija deklaratīva (SQL vai konfigurācijas faili).

Izvēloties paradigmu vai valodu, jāņem vērā:

• Projekta prasības (veiktspēja, paralēlisms, uzturēšana).
• Komandas pieredze un esošā ekosistēma.
• Rīku un bibliotēku pieejamība konkrētā valodā vai paradigmā.

Paradigmu problēmas

Nereti paradigmas mijiedarbība rada praktiskas problēmas:

• Impedances disbalanss starp paradigmu prasībām — piemēram, objektorientēta datu modelēšana un relāciju datubāze (ORM problēmas).
• Jauktas pieejas radītā sarežģītība — ja vienā projektā tiek izmantotas ļoti atšķirīgas paradigmas bez skaidras konvencijas, tas var apgrūtināt koda lasāmību un uzturēšanu.
• Veiktspējas kompromisi — deklaratīvās abstrakcijas var slēpt intensīvas datu kopēšanas vai neefektīvas darbības, ja nav izpratnes par izpildes modeli.
• Debugēšanas un profila rīku trūkums dažām mazāk izplatītām paradigmām vai valodu kombinācijām.

Vēsture

Programmēšanas paradigmas ir attīstījušās kopš datoru pirmsākumiem, reaģējot uz tehniskajām vajadzībām un jaunu ideju par labāku problēmu noformulēšanu.

Mašīnas kods

Sākumā programmas rakstīja tieši mašīnas kodā un asemblerī — tieši norādot, kādā secībā procesors veic instrukcijas. Tas deva lielu kontroli, bet bija smagi lasāms un viegli kļūdīgs.

Procedurālās valodas

Augstākā līmeņa procedurālās valodas (piem., Fortran, COBOL, Pascal, C) ieviestas, lai atvieglotu programmu strukturēšanu un atkārtotu izmantošanu, uzsverot procedūras/funkcijas un strukturētās kontroles konstrukcijas.

Objektorientēta programmēšana

OOP attīstījās, lai labāk modelētu sarežģītas sistēmas ar datiem un uzvedību kopā. Valodas kā Smalltalk, C++ un vēlāk Java popularizēja objektorientētu domāšanu plašākā mērogā.

Deklaratīvās paradigmas

Deklaratīvās pieejas (funkcionālās un loģiskās) tika attīstītas gan akadēmiskos, gan praktiskos virzienos. Funkcionālās valodas (Lisp, Haskell, ML) uzsvēra funkciju virs stāvokļa pārvaldības; loģiskā programmēšana (Prolog) demonstrēja jaunu veidu, kā izteikt problēmas un meklēt risinājumus.

Kopš tā laika valodas ir kļuvušas par hibrīdiem, kas apvieno labāko no vairākiem pasaules — mūsdienu programmētāji bieži izmanto imperatīvus, objektorientētus, funkcionālus un deklaratīvus elementus vienā projektā.

Šis īsais pārskats sniedz pamatu sapratnei par galvenajām paradigmu atšķirībām, to priekšrocībām un ierobežojumiem. Izvēloties paradigmu, svarīgākais ir orientēties uz problēmas dabu, komandas kompetenci un ilgtermiņa uzturēšanas prasībām.

Pārskats

Programmēšanas valodas tiek grupētas pēc paradigmām, tāpat kā mašīnas var grupēt pēc to izmantošanas veida.

Dažas valodas atbilst tikai vienai galvenajai paradigmai, piemēram,:

• Smalltalk (objektorientēta)
• Asambleja (imperatīva, bet ne strukturēta vai objektorientēta)
• Haskell (funkcionālā valoda)
• Prolog (loģika)

Lielākā daļa valodu ir vairāk nekā viena paradigma. Dažas no tām izceļas ar to, ka tām ir vairāk nekā viena:

• Scala (objektorientēta, funkcionāla, paralēla)
• Visual Basic (notikumu vadīta, objektorientēta)
• Common Lisp (procesuālais, funkcionālais, objektorientētais, meta)
• Shēmas (funkcionālās, procesuālās, meta)
• Perl (funkcionālā, procesuālā, meta, objektorientētā, uz notikumiem orientētā)
• Python (funkcionālais, objektorientētais, procedurālais)
• Ruby (funkcionālā, objektorientētā, procesuālā)
• Wolfram Language (funkcionālā, procesuālā, vispārīgi deklaratīvā)
• Oz (loģiskais, funkcionālais, imperatīvais, objektorientētais)
• F# (funkcionālā, imperatīvā, objektorientētā, meta)

Vairāk paradigmu ne vienmēr ir labi. Viens gadījums, kad mazāk paradigmu var būt laba lieta, ir tad, ja ir valoda, kas ir tikai funkcionāla. Šādā valodā funkcija dažreiz veic mazāk darba (piemēram, tikai tās grupas daļas, kas tai patiešām ir jāpārbauda), nekā tas būtu jādara, ja valoda būtu arī procedurālā valoda.

Daudzas programmēšanas paradigmas ir tikpat labi pazīstamas gan ar lietām, ko tās neļauj cilvēkiem darīt, gan ar tām, ko tās ļauj cilvēkiem darīt. Viens no gadījumiem, kad tas ir taisnība, ir funkcionālās valodas. Ja funkcionālā valoda ir tikai vai galvenokārt funkcionāla, tā parasti nepieļauj blakusparādības. Cits gadījums, kad tas ir taisnība, ir strukturētā programmēšana: tā atšķiras no parastajām imperatīvajām valodām, jo neļauj programmētājiem izmantot "goto paziņojumus" (paziņojumus, kas norāda programmai pāriet uz iepriekšējo soli). Šā un citu iemeslu dēļ cilvēki dažkārt uzskata, ka jaunās paradigmas nepieļauj pietiekami daudz lietu. Tomēr dažkārt ir labi, ja dators neļauj cilvēkiem darīt lietas: tas var palīdzēt cilvēkiem izvairīties no problēmām ar viņu kodu un ļaut datoram izdarīt minējumus, lai tas varētu ātrāk palaist kodu, vai pat pārbaudīt kodu, vai tajā nav problēmu, pirms tas darbojas!

Pārskats par dažādām programmēšanas paradigmām saskaņā ar Peter Van Roy

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir programmēšanas paradigma?

J: Kādas ir divas galvenās paradigmu grupas?

J: Ar ko atšķiras imperatīvā un deklaratīvā paradigma?

Vai valoda var būt gan imperatīva, gan deklaratīva paradigma?

J: Kā programmēšanas paradigma sagrupē valodas?

J: Vai bez imperatīvās un deklaratīvās programmēšanas paradigmas ir arī citi programmēšanas paradigmu veidi?

Vai katra valoda pieder tikai vienam programmēšanas paradigmas veidam?

Meklēt pēc burta