Парадигмы программирования Денис С. Мигинский

Понятие парадигмы Парадигма (философия науки) – устоявшаяся система научных взглядов, в рамках которой ведутся исследования (Т. Кун) Парадигма программирования – это совокупность принципов, методов и понятий, определяющих способ конструирования программ.

Парадигма программирования Парадигма в первую очередь определяется базовой программной единицей(-ами) и самим принципом достижения модульности программы. Цель: достижение модульности Средства: механизмы абстракции Вопрос: что такое абстракция и модульность?

Абстракция Абстракция (абстрагирование) – процесс определения существенных характеристик некоторой сущности, отличающих ее от других сущностей и значимых в рамках поставленной задачи. Также абстракция (как процесс) включает представление выделенных характеристик моделируемой сущности и представление их в терминах языка моделирования / программирования. Принцип абстракции – каждая существенная область функциональности в программе должна быть реализована всего в одном месте программного кода (Б.Пирс)

Модульность Модульность – разбиение программы (или любой другой сложной технической системы) на составные блоки с относительно замкнутой функциональностью Единица модульности => абстракция

Распространенные ( и не очень ) парадигмы Императивное (процедурное) программирование Структурное программирование Функциональное программирование Логическое программирование Объектно-ориентированное программирование Аспектно-ориентированное программирование Метапрограммирование, ориентированное на языки программирование

Императивное программирование Изменение состояния программы посредством исполнения инструкций Основные механизмы управления / абстракции : Последовательное исполнение команд Ветвление Безусловный переход Вызов подпрограммы ( процедурное программирование ) Элементарные единицы модульности : отсутствуют

Структурное программирование Основные механизмы управления / абстракции : Последовательное исполнение команд Ветвление Цикл Вызов подпрограммы Лексический контекст Элементарные единицы модульности : Подпрограмма с изолированным лексическим контекстом

Лексический контекст Лексический контекст определяет область видимости идентификаторов (переменных и т.д.) Контексты могут быть вложены друг в друга int main (){ int i = 0; int sumSqr = 0; //scope 1 with vars i & sumSqr while(i < 10){ int sqrI = i*i; //scope 2 with inherited vars i & sumSqr //and self var sqrI sum } //global scope with main symbol

Объектно - ориентированное программирование Представление программы в форме взаимодействующих объектов Основные механизмы управления / абстракции : Объект Класс Иерархии классов / объектов Полиморфизм Элементарные единицы модульности : Класс ( примечание : в наиболее распространенной интерпретации )

Объект в ООП Объект характеризуется : поведением ; состоянием ; уникальностью (identity); В трактовке Г. Буча поведение – реакция на сообщение, которая зависит от текущего состояния а также других факторов ( полиморфизм ), и выражается в изменении состояния объекта, а также посылки сообщений другим объектам. Это ООП на основе СП. Примечание : существуют и другие трактовки

Аспектно - ориентированное программирование Представление программы в виде набора аспектов, формирующих классы Основные механизмы управления / абстракции : Элементы ООП Аспекты Динамические контексты / контекстный « полиморфизм » Элементарные единицы модульности : Аспект

Логическое программирование Логический вывод на основе заданных программистов правил / фактов / предикатов Основные механизмы управления / абстракции : Логические формулы Применение правил вывода Элементарные единицы модульности : Логическая формула

Метапрограммирование Использование кодогенерации и / или специализированных языков, создаваемых для решения определенного узкого круга задач Основные механизмы управления / абстракции : Определение языка Макросы Элементарные единицы модульности : Зависит от определения языка

Функциональное программирование Представление программы в форме набора чистых функций, порождающих результаты на основе входных данных Основные механизмы управления / абстракции : Чистая функция, как объект первого класса Вызов функции ( в т. ч. рекурсивный ) Лексический контекст, замыкание Элементарные единицы модульности : Функция ( в т. ч. высшего порядка, обобщенная, мультиметод и т. д.)

Функциональное программирование : основные концепции Неподвижное состояние объектов Чистые функции Функции, как объекты первого класса Функции высших порядков Функции как замыкания

Неподвижность состояния / однократное присваивание При инициализации идентификатора (переменной) ему сопоставляется некоторое значение (объект), которое не может быть изменено. При этом идентификатор с тем же самым именем может быть определен в другом лексическом контексте с другим значением. int main (void){ const int i = 1; //... { const double i = 2.5; //... } //i == 1 return 0; }

Чистые функции Чистая функция (pure function) – функция не имеющая побочных эффектов, т. е. единственным эффектом ее применение является порождение результата, зависящего только от агрументов. К побочным эффектам относятся : изменение переменных вне контекста функции изменение параметров ввод - вывод Чистая функция всегда имеет возвращаемое значение. Чистая функция гарантирует воспроизводимость результата при повторном вызове с теми же аргументами.

Лексическое замыкание (lexical closure) Замыкание (лексическое замыкание) – функция в совокупности с тем лексическим контекстом в рамках которого объявлена. Функция может использовать (быть замкнута на) переменные из этого контекста. Имеет смысл, если функция является объектом первого класса. def f yield end val=5 f{puts val}

Функции высших порядков Функции высших порядков принимают в качестве параметров и / или возвращают другие функции Частные случаи (см. функ.ан.): Функционал – функция, принимающая функцию и возвращающая скаляр. Примеры: определенный интеграл, map, reduce(inject), filter(select) Оператор – функция, принимающая и возвращающая функцию. Примеры: производная, карринг (частичное применение)

Объекты первого класса Объект первого класса (first-class object/citizen) – объект, который : может быть сохранен в переменной ; может быть передан в функцию как параметр ; может быть быть возвращен из функции как результат ; может быть создан во время выполнения программы ; внутренне самоидентифицируем ( независим от именования ).

Объекты первого класса языках C ++ /Java : объект C#: объект, функция Ruby: объект, функция класс, модуль, методы (через элементы MOP ) произвольный код в форме строки (через eval) Clojure: объект, функция (в т.ч. метод / мультиметод) управляющие конструкции языка (через макросы) Java- класс (начиная с v1.2 ) произвольный код в форме S- выражения (через eval)

Объекты в ФП Объект характеризуется : поведением ; неподвижным состоянием == уникальность ; ООП на основе ФП : Поведение - реакция на сообщение, которая зависит от текущего состояния а также других факторов ( полиморфизм ). Метод объекта является чистой функцией от самого объекта и дополнительных параметров. Функциональный мутатор порождает новый объект, а не меняет состояния текущего в отличие от структурного ООП.

Механизмы построения функций высших порядков в языках C++: указатели на функции класс-функции (через перегрузку operator () и template ) Java: через анонимные и вложенные классы (замыкания) C#, Ruby, Clojure: lambda- выражения (замыкания) Вывод: для построения функций высших порядков поддержка функций как объектов первого класса и замыканий не является необходимой но крайне желательна

Преимущества функциональных языков Функциональные программы содержат гораздо меньше скрытых ошибок, легче поддаются формальному анализу и автоматической оптимизации Очень выразительны для алгоритмических абстракций Эффективная поддержка параллелизма Поддержка мемоизации, отложенных вычислений Эффективная поддержка символьных вычислений

Языки с поддержкой ФП Статические: Семейство ML : OCaml, Haskell, F# Scala, C# Динамические: Семейство Lisp: Common Lisp, Scheme, Clojure Erlang Python, Ruby, Groovy Специализированные: XSLT, XQuery, EMACS Lisp, Mathematica, Maple