Глава 11. Парадигмы программирования

Паради́гма программи́рования — это совокупность идей и понятий, определяющая стиль написания программ. Парадигма программирования определяет то, в каких терминах программист описывает логику программы. Например, в императивном программировании программа описывается как последовательность действий, а в функциональном программировании представляется в виде выражения и множества определений функций (слово определение (англ. definition) следует понимать в математическом смысле). В популярном объектно-ориентированном программировании программу принято рассматривать как набор взаимодействующих объектов. ООП есть по сути императивное программирование, дополненное принципом инкапсуляции данных и методов в объект (принцип модульности) и наследованием (принципом повторного использования разработанного функционала).

Важно отметить, что парадигма программирования не определяется однозначно языком программирования — многие современные языки программирования являются мультипарадигменными, то есть допускают использование различных парадигм. Так на языке Си, который не является объектно-ориентированным, можно писать объектно-ориентированным образом, а на Ruby, в основу которого в значительной степени положена объектно-ориентированная парадигма, можно писать согласно стилю функционального программирования.

Приверженность определённого человека какой-то одной парадигме иногда носит настолько сильный характер, что споры о преимуществах и недостатках различных парадигм относятся в околокомпьютерных кругах к разряду так называемых «религиозных» войн.

Термин «парадигма программирования» впервые применил Роберт Флойд в своей лекции лауреата премии Тьюринга. Парадигмы программирования не являются взаимоисключающими. Если прогресс искусства программирования в целом требует постоянного изобретения и усовершенствования парадигм, то совершенствование искусства отдельного программиста требует, чтобы он расширял свой репертуар парадигм. Таким образом, по мнению Роберта Флойда, в отличие от парадигм в научном мире, парадигмы программирования могут сочетаться, обогащая инструментарий программиста.

Процедурное программирование

Процедурное (императивная парадигма) программирование является отражением архитектуры традиционных ЭВМ, которая была предложена фон Нейманом в 1940-х годах. Теоретической моделью процедурного программирования служит алгоритмическая система под названием Машина Тьюринга.

Основные сведения Программа на процедурном языке программирования состоит из последовательности операторов (инструкций), задающих процедуру решения задачи. Основным является оператор присваивания, служащий для изменения содержимого областей памяти. Концепция памяти как хранилища значений, содержимое которого может обновляться операторами программы, является фундаментальной в императивном программировании. Выполнение программы сводится к последовательному выполнению операторов с целью преобразования исходного состояния памяти, то есть значений исходных данных, в заключительное, то есть в результаты. Таким образом, с точки зрения программиста имеются программа и память, причем первая последовательно обновляет содержимое последней.

Процедурный язык программирования предоставляет возможность программисту определять каждый шаг в процессе решения задачи. Особенность таких языков программирования состоит в том, что задачи разбиваются на шаги и решаются шаг за шагом. Используя процедурный язык, программист определяет языковые конструкции для выполнения последовательности алгоритмических шагов.

Процедурные языки программирования:

Аda (язык общего назначения); Basic (версии начиная с Quick Basic до появления Visual Basic); Си ; КОБОЛ ; Фортран ; Модула-2; Pascal; ПЛ/1 ; Рапира ; REXX .

Функциональное программирование

Функциона́льное программи́рование — раздел дискретной математики и парадигма программирования, в которой процесс вычисления трактуется как вычисление значений функций в математическом понимании последних (в отличие от функций как подпрограмм в процедурном программировании). Противопоставляется парадигме императивного программирования, которая описывает процесс вычислений как последовательность изменения состояний (в значении, подобном таковому в теории автоматов). Функциональное программирование не предполагает изменяемость данных в отличие от императивного, где одной из базовых концепций является переменная. На практике отличие математической функции от понятия «функции» в императивном программировании заключается в том, что императивные функции взаимодействуют и изменяют уже определённые данные. Таким образом, в императивном программировании, при вызове одной и той же функции с одинаковыми параметрами можно получить разные данные на выходе, из-за влияния на функцию внешних факторов. А в функциональном языке при вызове функции с одними и теми же аргументами мы всегда получим одинаковый результат в обоих случаях, входные данные не могут измениться, выходные данные зависят только от них. Наиболее известными языками функционального программирования являются:

• XQuery Haskell — чистый функциональный. Назван в честь Хаскелла Карри.
• LISP (Джон МакКарти, 1958, множество его потомков, наиболее современные из которых — Scheme и Common Lisp).
• ML (Робин Милнер, 1979, из ныне используемых диалектов известны Standard ML и Objective CAML).
• Miranda (Дэвид Тёрнер, 1985, который впоследствии дал развитие языку Haskell).
• Erlang — (Joe Armstrong, 1986) функциональный язык с поддержкой процессов.
• Nemerle — гибридный функционально/императивный язык.
• F# - функциональный язык для платформы .NET

Ещё не полностью функциональные изначальные версии и Lisp и APL внесли особый вклад в создание и развитие функционального программирования. Более поздние версии Lisp, такие как Scheme, а также различные варианты APL поддерживали все свойства и концепции функционального языка.

Как правило, интерес к функциональным языкам программирования, особенно чисто функциональным, был сугубо научный, нежели коммерческий. Однако, таким примечательным языкам как Erlang, OCaml, Haskell, Scheme (после 1986) а также специфическим R (статистика), Mathematica (символическая математика), J и K (финансовый анализ), и XSLT (XML) находили применение в индустрии коммерческого программирования. Такие широко распространенные декларативные языки как SQL и Lex/Yacc содержат некоторые элементы функционального программирования, они остерегаются использовать переменные. Языки работы с электронными таблицами также можно рассматривать как функциональные. Многие нефункциональные языки, такие как C, C++ и C# могут вести себя как функциональные при использовании указателей на функцию, в соответствие с библиотекой <functional> и λ-исчислениями.

Логическое программирование

Логи́ческое программи́рование — парадигма программирования, основанная на автоматическом доказательстве теорем, а также раздел дискретной математики, изучающий принципы логического вывода информации на основе заданных фактов и правил вывода. Логическое программирование основано на теории и аппарате математической логики с использованием математических принципов резолюций. Самым известным языком логического программирования является Prolog. Первым языком логического программирования был язык Planner, в котором была заложена возможность автоматического вывода результата из данных и заданных правил перебора вариантов (совокупность которых называлась планом). Planner использовался для того, чтобы понизить требования к вычислительным ресурсам (с помощью метода backtracking) и обеспечить возможность вывода фактов, без активного использования стека. Затем был разработан язык Prolog, который не требовал плана перебора вариантов и был, в этом смысле, упрощением языка Planner.

От языка Planner также произошли логические языки программирования QA-4, Popler, Conniver и QLISP. Языки программирования Mercury, Visual Prolog, Oz и Fril произошли уже от языка Prolog. На базе языка Planner было разработано также несколько альтернативных языков логического программирования, не основанных на методе поиска с возвратами (backtracking), например, Ether .

Автоматное программирование

Автома́тное программи́рование — это парадигма программирования, при использовании которой программа или её фрагмент осмысливается как модель какого-либо формального автомата. В зависимости от конкретной задачи в автоматном программировании могут использоваться как конечные автоматы, так и автоматы более сложной структуры. Определяющими для автоматного программирования являются следующие особенности:

• временно́й период выполнения программы разбивается на шаги автомата, каждый из которых представляет собой выполнение определённой (одной и той же для каждого шага) секции кода с единственной точкой входа; такая секция может быть оформлена, например, в виде отдельной функции и может быть разделена на подсекции, соответствующие отдельным состояниям или категориям состояний

• передача информации между шагами автомата осуществляется только через явно обозначенное множество переменных, называемых состоянием автомата; между шагами автомата программа (или её часть, оформленная в автоматном стиле) не может содержать неявных элементов состояния, таких как значения локальных переменных в стеке, адреса возврата из функций, значение текущего счётчика команд и т.п.; иначе говоря, состояние программы на любые два момента входа в шаг автомата могут различаться между собой только значениями переменных, составляющих состояние автомата (причём такие переменные должны быть явно обозначены в качестве таковых).

Полностью выполнение кода в автоматном стиле представляет собой цикл (возможно, неявный) шагов автомата. Название автоматное программирование оправдывается ещё и тем, что стиль мышления (восприятия процесса исполнения) при программировании в этой технике практически точно воспроизводит стиль мышления при составлении формальных автоматов (таких как машина Тьюринга, автомат Маркова и др.)