Функциональное, декларативное и императивное программирование

На самом деле для них нет однозначного, объективного определения. Вот как я их определил:

Обязательно. Основное внимание уделяется действиям, которые компьютер должен предпринять, а не тому, что он будет делать (например, C, C ++, Java).

Декларативный. Основное внимание уделяется тому, что компьютер должен делать, а не тому, как он должен это делать (например, SQL).

Функциональный - подмножество декларативных языков, в которых большое внимание уделяется рекурсии.

императивный и декларативный описывают два противоположных стиля программирования. императивом является традиционный подход «пошаговый рецепт», в то время как декларативным является больше «это то, что я хочу, теперь вы решаете, как это сделать».

эти два подхода используются во всем программировании - даже с использованием одного и того же языка и одной и той же программы. как правило, декларативный подход считается предпочтительным, потому что он освобождает программиста от необходимости указывать так много деталей, а также имеет меньше шансов для ошибок (если вы описываете желаемый результат, и какой-то хорошо протестированный автоматический процесс может работать в обратном направлении от этого к определите шаги, тогда вы можете надеяться, что это более надежно, чем указывать каждый шаг вручную).

с другой стороны, императивный подход дает вам более низкий уровень контроля - это «подход микроменеджера» к программированию. и это может позволить программисту использовать знания о проблеме, чтобы дать более эффективный ответ. поэтому нет ничего необычного в том, что некоторые части программы пишутся в более декларативном стиле, а части, критичные к скорости, становятся более императивными.

как вы можете себе представить, язык, который вы используете для написания программы, влияет на то, насколько вы можете быть декларативным - язык, который имеет встроенный «ум» для решения, что делать с учетом описания результата, позволит сделать гораздо более декларативным подход, чем тот, где программисту нужно сначала добавить такого рода интеллект с помощью императивного кода, прежде чем он сможет построить более декларативный слой поверх. так, например, такой язык, как пролог, считается очень декларативным, потому что он имеет встроенный процесс, который ищет ответы.

пока вы заметите, что я не упомянул функциональное программирование. это потому, что это термин, значение которого не имеет непосредственного отношения к двум другим. в простейшем случае функциональное программирование означает, что вы используете функции. в частности, что вы используете язык, который поддерживает функции как «значения первого класса» - это означает, что вы можете не только писать функции, но и писать функции, которые пишут функции (которые пишут функции, которые ...) и передают функции в функции. Короче говоря, эти функции так же гибки и распространены, как строки и числа.

Тогда может показаться странным, что функциональное, императивное и декларативное часто упоминаются вместе. Причина этого - следствие доведения идеи функционального программирования до «крайности». функция в чистом смысле слова - это что-то из математики - своего рода «черный ящик», который принимает некоторые входные данные и всегда дает один и тот же результат. и такое поведение не требует хранения изменяющихся переменных. поэтому, если вы разрабатываете язык программирования, целью которого является реализация очень чистой, математически обусловленной идеи функционального программирования, вы в конечном итоге в значительной степени отвергаете идею ценностей, которые могут изменяться (в определенном, ограниченном, техническом смысле).

и если вы сделаете это - если вы ограничите то, как могут изменяться переменные, - то почти случайно вы в конечном итоге вынудите программиста писать программы, которые являются более декларативными, потому что большая часть императивного программирования описывает, как изменяются переменные, и вы больше не можете сделай это! Таким образом, оказывается, что функциональное программирование - в частности, программирование на функциональном языке - имеет тенденцию давать более декларативный код.

резюмируя, то:

• императивный и декларативный - два противоположных стиля программирования (одни и те же имена используются для языков программирования, которые поощряют эти стили)

• Функциональное программирование - это стиль программирования, в котором функции становятся очень важными, и, как следствие, изменение значений становится менее важным. ограниченная возможность указывать изменения в значениях вынуждает использовать более декларативный стиль.

поэтому «функциональное программирование» часто называют «декларативным».

В двух словах:

Императивный язык определяет последовательность инструкций, которые компьютер выполняет последовательно (сделайте то, затем сделайте то).

Декларативный язык объявляет набор правил о том, какие выходные данные должны быть результатом каких входов (например, если у вас есть A, то результатом будет B). Двигатель будет применять эти правила к входам и выдавать выходные данные.

Функциональный язык объявляет набор математических / логических функций, которые определяют, как ввод преобразуется в вывод. например. f (y) = y * y. это тип декларативного языка.

Настоятельно необходимо: как достичь нашей цели

   Take the next customer from a list.
   If the customer lives in Spain, show their details.
   If there are more customers in the list, go to the beginning

Декларативно: чего мы хотим достичь.

   Show customer details of every customer living in Spain

Императивное программирование означает любой стиль программирования, в котором ваша программа построена из инструкций, описывающих, как будут происходить операции, выполняемые компьютером.

Декларативное программирование означает любой стиль программирования, в котором ваша программа является описанием проблемы или решения, но не указывает явно, как будет выполняться работа.

Функциональное программирование - это программирование путем оценки функций и функций функций ... Поскольку (строго определенное) функциональное программирование означает программирование путем определения математических функций без побочных эффектов, поэтому оно является формой декларативного программирования, но это не единственный вид декларативного программирования.

Логическое программирование (например, в Прологе) - это еще одна форма декларативного программирования. Он включает в себя вычисления, решающие, истинно ли логическое утверждение (или может ли оно быть выполнено). Программа обычно представляет собой набор фактов и правил, то есть описание, а не набор инструкций.

Перезапись терминов (например, CASL) - это еще одна форма декларативного программирования. Он включает в себя символическое преобразование алгебраических терминов. Это полностью отличается от логического программирования и функционального программирования.

императив - выражения описывают последовательность действий, которые необходимо выполнить (ассоциативно)

декларативное - выражения - это объявления, которые способствуют поведению программы (ассоциативное, коммутативное, идемпотентное, монотонное).

функциональный - выражения имеют значение только как эффект; семантика поддерживает эквациональные рассуждения

Поскольку я написал свой предыдущий ответ, я сформулировал новое определение декларативного свойства, которое цитируется ниже. Я также определил императивное программирование как двойственное свойство.

Это определение превосходит то, что я дал в моем предыдущем ответе, потому что оно лаконично и носит более общий характер. Но это может быть труднее понять, потому что последствия теорем о неполноте, применимые к программированию и жизни в целом, трудно осмыслить людям.

Процитированное объяснение определения обсуждает роль, которую чистое функциональное программирование играет в декларативном программировании.

Все экзотические типы программирования вписываются в следующую классификацию декларативного и императивного программирования, поскольку следующее определение утверждает, что они двойственны.

Декларативное и императивное

Декларативное свойство странно, непонятно, и его трудно уловить в технически точном определении, которое остается общим и недвусмысленным, потому что это наивное представление о том, что мы можем объявить значение (также известное как семантика) программы без непредвиденных побочных эффектов. Существует внутреннее противоречие между выражением смысла и предотвращением непреднамеренных эффектов, и это напряжение фактически происходит от теоремы о неполноте программирования и нашей вселенной.

Было бы слишком упрощенно, технически неточно и часто двусмысленно определять декларативное как «что делать» и императивное как «как делать ”. Неоднозначным случаем является то, что «что» является «как» в программе, которая выводит программу - компилятор.

Очевидно, неограниченная рекурсия, которая делает язык Тьюринга полным, также аналогичным образом присутствует в семантика - не только в синтаксической структуре оценки (также известной как операционная семантика). Логически это пример, аналогичный теореме Гёделя: «любая полная система аксиом также несовместима». Вдумайтесь в противоречивую странность этой цитаты! Это также пример, демонстрирующий, что выражение семантики не имеет доказуемой границы, поэтому мы не можем доказать 2, что программа (и аналогично ее семантика) останавливает, также известную как теорема об остановке.

Теоремы о неполноте проистекают из фундаментальной природы нашей Вселенной, которая, как сказано во втором законе термодинамики, состоит в том, что «энтропия (также известная как количество независимых возможностей) всегда стремится к максимуму ». Кодирование и дизайн программы никогда не заканчиваются - она ​​живая! - потому что она пытается удовлетворить потребности реального мира, а семантика реального мира всегда меняется и стремится к большему количеству возможностей. Люди никогда не перестают открывать для себя что-то новое (включая ошибки в программах ;-).

Чтобы точно и технически уловить это вышеупомянутое желаемое понятие в этой странной вселенной, у которой нет границ (вдумайтесь, «вне» нашей вселенной нет), требуется краткое, но обманчиво-непростое определение, которое будет звучать неверно, пока не будет объяснено. глубоко.

Определение:

---

В декларативном свойстве может существовать только один возможный набор операторов, который может выражать каждую конкретную модульную семантику.

Императивное свойство 3 является двойным, при котором семантика несовместима по составу и / или могут быть выражены вариациями наборов утверждений.

---

Это определение декларативного является явно локальным в семантической области, что означает, что оно требует, чтобы модульная семантика сохраняла свое согласованное значение независимо от того, где и как она создается и используется в глобальной области. Таким образом, каждая декларативная модульная семантика должна быть изначально ортогональна всем возможным другим, а не невозможным (из-за теорем о неполноте) глобальным алгоритмом или моделью для проверки согласованности, что также является точкой « Больше не всегда лучше »Роберта Харпера, профессора компьютерных наук в Университете Карнеги-Меллона, одного из разработчиков Standard ML.

Примеры этой модульной декларативной семантики включают функторы теории категорий, например. Applicative, номинальная типизация, пространства имен, именованные поля и w.r.t. до операционного уровня семантики, затем чисто функционального программирования.

Таким образом, хорошо разработанные декларативные языки могут более четко выражать смысл, хотя и с некоторыми потеря общности в том, что может быть выражено, но выигрыш в том, что может быть выражено с внутренней последовательностью.

Примером вышеупомянутого определения является набор формул в ячейках программы для работы с электронными таблицами, которые не должны давать одинаковое значение при перемещении в другие ячейки столбца и строки, т. Е. При изменении идентификаторов ячеек. Идентификаторы ячеек являются частью предполагаемого значения, а не лишними. Таким образом, каждый результат в электронной таблице уникален. идентификаторам ячеек в наборе формул. Согласованной модульной семантикой в ​​этом случае является использование идентификаторов ячеек в качестве входных и выходных данных чистых функций для формул ячеек (см. Ниже).

Язык гипертекстовой разметки, также известный как HTML, язык для статических веб-страниц, является примером очень (но не идеального) 3) декларативный язык, который (по крайней мере, до HTML 5) не имел возможности выражать динамическое поведение. HTML, пожалуй, самый простой язык для изучения. Для динамического поведения императивный язык сценариев, такой как JavaScript, обычно сочетался с HTML. HTML без JavaScript соответствует декларативному определению, потому что каждый номинальный тип (то есть теги) сохраняет свое согласованное значение при композиции в рамках правил синтаксиса.

Конкурирующим определением декларативного является определение коммутативного и idempotent семантических утверждений, то есть эти утверждения можно переупорядочивать и дублировать без изменения значения. Например, операторы, присваивающие значения именованным полям, могут быть переупорядочены и дублированы без изменения смысла программы, если эти имена являются модульными w.r.t. на любой подразумеваемый заказ. Иногда имена подразумевают порядок, например идентификаторы ячеек включают их столбец и позицию строки - перемещение итога в электронной таблице меняет его значение. В противном случае эти свойства неявно требуют глобальной согласованности семантики. Как правило, невозможно спроектировать семантику операторов, чтобы они оставались согласованными при случайном порядке или дублировании, потому что порядок и дублирование являются неотъемлемой частью семантики. Например, утверждения «Foo существует» (или конструкция) и «Foo не существует» (и разрушение). Если рассматривать случайную несогласованность, присущую предполагаемой семантике, то это определение принимается как достаточно общее для декларативного свойства. По сути, это определение бессмысленно как обобщенное определение, потому что оно пытается сделать согласованность ортогональной семантике, то есть игнорировать тот факт, что универсум семантики динамически неограничен и не может быть зафиксирован в глобальной согласованности парадигма.

Требование коммутативных и идемпотентных свойств для (порядка структурной оценки) операционной семантики нижнего уровня преобразует операционную семантику в декларативную локализованную модульную семантику, например чистое функциональное программирование (включая рекурсию вместо императивных циклов). Тогда порядок работы деталей реализации не влияет (т. Е. Распространяется глобально) на согласованность семантики более высокого уровня. Например, порядок оценки (и теоретически также дублирование) формул электронной таблицы не имеет значения, потому что выходные данные не копируются во входные данные до тех пор, пока не будут вычислены все выходные данные, то есть аналогично чистым функциям.

C, Java, C ++, C #, PHP и JavaScript не особо декларативны. Синтаксис Copute и синтаксис Python более декларативно связаны с предполагаемыми результатами, т. Е. Согласованной синтаксической семантикой, исключающей посторонние так что можно легко понять код после того, как они его забыли. Copute и Haskell обеспечивают детерминизм операционной семантики и поощряют «не повторяться» (DRY), потому что они допускают только чисто функциональную парадигму.

---

2 Даже если мы можем доказать семантику программы, например в языке Coq это ограничено семантикой, которая выражена в типизации, и типизация никогда не может охватить всю семантику программы - даже для языков, не являющихся полными по Тьюрингу, например с помощью HTML + CSS можно выражать противоречивые комбинации, которые, таким образом, имеют неопределенную семантику.

3 Во многих объяснениях неверно утверждается, что только императивное программирование имеет синтаксически упорядоченные операторы. Я разъяснил эту путаницу между императивным и функциональным программированием. Например, порядок операторов HTML не снижает единообразия их смысла.