Funktionale Programmierung in 5 Minuten erklärt [Mit Beispielen]

Die Entwicklung von Software ist ein sehr technischer und anspruchsvoller Prozess, der Planung und Strategie erfordert, um den richtigen Weg zur Lösung eines Problems mithilfe der Software zu finden.

In dieser Hinsicht ist es ein wichtiger Schritt, vor der Entwicklung einer Software das Programmierparadigma der Wahl zu berücksichtigen.

Ein Programmierparadigma ist ein Modell oder eine Herangehensweise an die Programmierung, das Funktionen, Muster, Prinzipien, Regeln und Stile für das Design, die Strukturierung und das Schreiben von Computerprogrammen bereitstellt.

Beispiele für gängige Programmierparadigmen sind u.a. objektorientierte Programmierung (OOP), prozedurale Programmierung, ereignisgesteuerte Programmierung und funktionale Programmierung.

Insbesondere die funktionale Programmierung hat in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt, da sie weniger fehlerhaften Code verspricht, der in hohem Maße wiederverwendbar und leicht zu pflegen ist. Was also ist funktionale Programmierung?

Die funktionale Programmierung ist ein Unterparadigma des deklarativen Programmierparadigmas. Die deklarative Programmierung ist ein Paradigma, das sich darauf konzentriert, Code zu schreiben, der beschreibt, was ein Programm tun soll, und nicht, wie das Programm es tun soll.

Ein Beispiel dafür ist die Abfrage von SQL-Datenbanken nach Daten. Anstatt explizit zu sagen, wie die Daten abgerufen werden sollen, geben Sie nur die Daten an, die Sie abrufen möchten.

Die funktionale Programmierung selbst ist ein Paradigma zur Erstellung von Computerprogrammen unter Verwendung von Ausdrücken und reinen Funktionen, die nacheinander angewendet werden, um Probleme zu lösen oder gewünschte Ergebnisse zu erzielen.

Bei der funktionalen Programmierung wird die gesamte Funktionalität eines Programms in wiederverwendbare, reine Funktionen mit einer einzigen Verantwortlichkeit aufgeteilt. Alles im Programm geschieht durch die Verwendung von reinen Funktionen.

Eine reine Funktion ist eine deterministische Funktion, die bei gleichen Eingabewerten die gleiche Ausgabe zurückgibt und keine anderen Teile der Anwendungen beeinflusst.

Das Ergebnis einer reinen Funktion hängt also ausschließlich von ihrer Eingabe ab und nicht von einer globalen Variablen in der Anwendung, die die Ergebnisse der Funktion verändern kann.

Diese reinen Funktionen empfangen Eingaben, verarbeiten sie lokal und erzeugen eine Ausgabe, ohne einen anderen Teil des Programms zu verändern.

Die funktionale Programmierung verwendet unveränderliche Daten, d.h. Daten, die nach ihrer Erstellung nicht mehr geändert werden können, und sie vermeidet auch gemeinsame Zustände, bei denen verschiedene Teile eines Programms auf dieselben Daten zugreifen und sie ändern können.

Da sich die funktionale Programmierung stark auf Funktionen stützt, werden Funktionen als Bürger erster Klasse bezeichnet, d.h. sie können als Argument übergeben, in einer Variable gespeichert und auch von einer anderen Funktion zurückgegeben werden.

Außerdem setzt die funktionale Programmierung stark auf Ausdrücke anstelle von Anweisungen und vermeidet daher Schleifenanweisungen wie for und while. Dies geschieht, um die Logik des Programms leicht nachvollziehbar zu machen und zu debuggen.

Arten von funktionalen Programmiersprachen

Es gibt zwei Haupttypen von funktionalen Programmiersprachen. Dazu gehören:

• Rein funktionale Sprachen – Dies sind Programmiersprachen, die die Verwendung funktionaler Paradigmen unterstützen, erzwingen und fördern, wie z.B. die Verwendung von reinen Funktionen erster Klasse, die Unveränderlichkeit von Zuständen und Daten und Funktionen, die keine Seiteneffekte auf andere Teile des Programms haben. Beispiele für rein funktionale Sprachen sind u.a. Haskell, Agda, Clean, Idris, Futhark und Elm.
• Unreine funktionale Sprachen – Dies sind Sprachen, die funktionale Programmierparadigmen unterstützen, aber auch die Verwendung von unreinen Funktionen, Mutationen des Programmzustands und Operationen mit Seiteneffekten erlauben. Beispiele für unreine funktionale Sprachen sind u.a. Javascript, Rust, Erlang, Python, Ruby, Java, Kotlin und Clojure.

Sowohl rein funktionale als auch unrein funktionale Sprachen werden von Entwicklern verwendet. Der Umstieg auf eine rein funktionale Sprache kann jedoch viel Zeit und Mühe kosten, wenn Sie noch nie mit funktionaler Programmierung gearbeitet haben.

Funktionale Programmiersprachen und Bibliotheken

Einige beliebte funktionale Programmiersprachen und Bibliotheken sind:

#1. Haskell

Haskell ist eine statisch typisierte, faule, rein funktionale Programmiersprache, die als Verkörperung des funktionalen Programmierparadigmas gilt.

Neben der Typinferenz bietet die Sprache auch Unterstützung für eine träge Auswertung, bei der Ausdrücke nur dann ausgewertet werden, wenn ihre Ergebnisse benötigt werden. Haskell bietet auch Unterstützung für nebenläufige Programmierung und seine Kompilierung enthält einen leistungsstarken Garbage Collector und eine leichtgewichtige Nebenläufigkeitsbibliothek.

Durch seine Verwendung und die strikte Einhaltung funktionaler Programmierprinzipien kann Haskell die Erstellung komplexer Softwaresysteme vereinfachen und ist zudem leicht zu warten.

In vielen Branchen ist Haskell die Sprache der Wahl, wenn es darum geht, in sich geschlossene Systeme oder domänenspezifische Sprachen zu entwickeln. Auch im akademischen Bereich und in der Forschung ist sie weit verbreitet. Zu den Unternehmen, die Haskell verwenden, gehören Microsoft, Github, Hasura und Lumi, neben vielen anderen.

#2. Ramda

Ramda ist eine funktionale Programmierbibliothek für die Sprache JavaScript. Ramda vereinfacht den Aufbau komplexer Logik durch funktionale Komposition und bietet eine Reihe von Hilfsfunktionen, die die Verwendung funktionaler Programmierprinzipien in JavaScript fördern und unterstützen.

Ramda bietet auch eine einfache Möglichkeit, unveränderliche Objekte und Funktionen ohne Seiteneffekte zu verwenden, die Schlüsselkonzepte der funktionalen Programmierung sind.

Da JavaScript keine rein funktionale Programmiersprache wie Haskell ist, können Sie mit einer Bibliothek wie Ramda die funktionale Programmierung nutzen und von den Leistungsvorteilen der funktionalen Programmierung profitieren, während Sie JavaScript verwenden.

#3. Elixir

Elixir ist eine universelle, nebenläufige, funktionale Programmiersprache, die skalierbar, einfach zu pflegen und fehlertolerant ist. Die Sprache wurde 2011 von Jose Valim entwickelt, läuft auf der virtuellen Maschine BEAM und wird u.a. von Unternehmen wie Heroku, Discord, change.org und Duffel verwendet.

Als funktionale Programmiersprache fördert Elixir die Unveränderlichkeit von Zuständen und Daten, die Verwendung von reinen Funktionen beim Schreiben von Code und die Transformation von Daten.

Schlüsselkonzepte der funktionalen Programmierung

#1. Reine Funktionen

Die funktionale Programmierung macht ausgiebig Gebrauch von reinen Funktionen. Reine Funktionen haben zwei Hauptmerkmale. Erstens erzeugen sie unabhängig von externen Faktoren dieselbe Ausgabe für dieselbe Eingabe, wodurch sie deterministisch und somit vorhersehbar sind.

Zweitens: Reine Funktionen haben keine Nebeneffekte. Das heißt, sie verändern die externe Umgebung außerhalb ihres Anwendungsbereichs in keiner Weise.

Einige Beispiele für reine Funktionen sind:

//Funktion zur Berechnung des Quadrats einer Zahl
function square(x) {
 return x * x;
}

//Funktion zur Addition zweier Variablen
function add(a, b) {
 return a b
}

Die obigen Funktionen geben für dieselben Eingaben dieselbe Ausgabe zurück und haben keine Nebeneffekte außerhalb ihres Anwendungsbereichs.

#2. Unveränderlichkeit

In der funktionalen Programmierung sind die verwendeten Daten unveränderlich. Das bedeutet, dass Variablen, die einmal initialisiert wurden, nicht mehr verändert werden können. Dadurch wird sichergestellt, dass der Zustand einer Variablen während des gesamten Programms erhalten bleibt.

Falls Sie eine Änderung an der Variable vornehmen oder eine Operation mit ihr durchführen möchten, können Sie eine neue Variable erstellen, um die aktualisierten Daten zu speichern, ohne die ursprüngliche Variable zu verändern.

#3. Funktionen höherer Ordnung

Funktionen höherer Ordnung sind Funktionen, die eine oder mehrere Funktionen als Argumente akzeptieren und/oder eine Funktion zurückgeben.

Funktionen höherer Ordnung sind in der funktionalen Programmierung nützlich, da sie es ermöglichen, mehrere Funktionen zu kombinieren, um neue Funktionen zu erstellen, Rückrufe zu verwenden, allgemeine Muster in wiederverwendbare Funktionen zu abstrahieren und schließlich ermöglichen Funktionen höherer Ordnung das Schreiben von prägnanterem und aussagekräftigerem Code.

Ein Beispiel für eine Funktion höherer Ordnung sehen Sie unten:

// Eine Funktion höherer Ordnung, die eine Funktion zurückgibt, die
// eine Zahl mit einem bestimmten Faktor multipliziert
function multiplier(factor) {
 return function (number) {
 return number * factor;
 }
 }
  
const double = multiplier(2); 
const triple = multiplier(3);
const quadruple = multiplier(4);
  
console.log(double(5)); // Ausgabe: 10
console.log(dreifach(5)); // Ausgabe: 15
console.log(vervierfachen(5)); // Ausgabe: 20

#4. Rekursion

Da die funktionale Programmierung auf Ausdrücken anstelle von Anweisungen beruht, werden in diesem Paradigma Kontrollflussanweisungen wie for- und while-Schleifen vermieden. Diese Schleifenanweisungen werden wiederum durch Rekursion ersetzt, die in der funktionalen Programmierung zur Durchführung von Iterationen verwendet wird.

Bei der Rekursion ruft sich eine Funktion wiederholt selbst auf, bis eine Ausgangsbedingung erfüllt ist. Mit Hilfe der Rekursion wird ein komplexes Problem in kleinere, einfachere Teilprobleme zerlegt, die dann rekursiv gelöst werden, bis ein Basisfall erreicht ist, der eine Lösung für das größere komplexe Problem bietet.

#5. Deklarative Programmierung

Die funktionale Programmierung ist ein Unterparadigma des umfassenderen Paradigmas der deklarativen Programmierung, das Programmierparadigmen umfasst, bei denen der Schwerpunkt auf dem Schreiben von Code in Bezug auf das, was getan werden muss, liegt, anstatt explizit anzugeben, wie es getan werden soll.

Wenn Sie das funktionale Programmierparadigma verwenden, sollte Ihr Code beschreiben, was erreicht werden muss oder welches Problem gelöst werden soll.

Wie das erreicht werden soll, hängt von der Programmiersprache ab, die Sie verwenden. Dies hilft beim Schreiben von prägnantem und leicht lesbarem Code.

#6. Zustandslos

Die funktionale Programmierung legt Wert auf zustandslosen Code, bei dem der Code keinen globalen Zustand beibehält, der durch Funktionen geändert werden kann. Die Ergebnisse von Funktionen hängen ausschließlich von der übergebenen Eingabe ab und können nicht durch Abhängigkeiten von anderen Teilen des Codes beeinflusst werden.

Die verwendeten Funktionen können keinen Zustand oder eine Variable im Programm ändern, die außerhalb ihres Anwendungsbereichs liegt.

#7. Parallele Ausführung

Da die funktionale Programmierung unveränderliche Zustände, reine Funktionen und unveränderliche Daten verwendet, ermöglicht sie die parallele Ausführung von mehreren Berechnungen gleichzeitig.

Da jede Funktion nur eine bestimmte Eingabe verarbeiten muss, ohne sich um die Nebeneffekte anderer Programmteile zu kümmern, können komplexe Probleme in kleinere Teilprobleme zerlegt und gleichzeitig parallel ausgeführt werden, was zu einer besseren Leistung und Effizienz führt.

Vorteile der funktionalen Programmierung

Zu den Vorteilen der funktionalen Programmierung gehören:

Weniger Software-Bugs

Abgesehen davon, dass Code, der das funktionale Programmierparadigma umsetzt, aufgrund der Verwendung reiner Funktionen besser lesbar und leichter zu verstehen ist, ermöglicht die funktionale Programmierung das Schreiben von Code mit weniger Fehlern.

Da die funktionale Programmierung mit unveränderlichen Zuständen arbeitet, gibt es nie mehrere Teile eines Programms, die den Zustand einer Variablen oder des gesamten Programms verändern. Dies wiederum führt zu weniger Fehlern, die dadurch entstehen könnten, dass Daten aufgrund gemeinsamer Zustände von mehreren Bereichen aus geändert werden.

Verbessert die Lesbarkeit des Codes

Die funktionale Programmierung ist ein Unterparadigma des deklarativen Paradigmas, bei dem der Schwerpunkt auf dem Schreiben von Code liegt, der beschreibt, was getan werden muss, und nicht, wie es getan werden soll. In Verbindung mit der Verwendung von reinen Funktionen führt dies zu Code, der selbsterklärend, leichter zu lesen und zu verstehen sowie einfach zu pflegen ist.

Verbesserte Wiederverwendbarkeit von Code

Die Umsetzung der funktionalen Programmierung erfordert die Zerlegung komplexer Probleme in kleinere Teilprobleme und die Lösung dieser Probleme mit reinen Funktionen. Diese Funktionen können leicht zusammengesetzt und wiederverwendet werden, um andere komplexe Probleme zu lösen. Durch die Verwendung von reinen Funktionen und unveränderlichen Zuständen ermöglicht die funktionale Programmierung das Schreiben von in hohem Maße wiederverwendbarem Code.

Leichteres Testen und Debuggen

Die funktionale Programmierung verwendet reine Funktionen, die keine Nebeneffekte haben, nur von ihren Eingaben abhängen und konsistente, deterministische Ausgaben für dieselbe Menge von Eingaben erzeugen.

Dadurch ist die funktionale Programmierung von Natur aus einfach zu testen und zu debuggen, da Sie eine Variable und ihre Änderungen in verschiedenen Teilen eines Programms nicht verfolgen müssen.

Da es bei der funktionalen Programmierung keine Abhängigkeiten gibt, werden Debugging und Testen einfacher, da Sie bestimmte Teile eines Programms ansteuern können.

Unterstützt Gleichzeitigkeit und Parallelität

Da die funktionale Programmierung die Zustandslosigkeit und Unveränderlichkeit von Daten fördert, ermöglicht sie die sichere parallele oder gleichzeitige Ausführung mehrerer reiner Funktionen. Die Möglichkeit, mehrere Operationen parallel auszuführen, führt zu einer höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit und einer besseren Auslastung von Prozessoren mit mehreren Kernen.

Als Programmierparadigma kann die funktionale Programmierung dazu beitragen, besser lesbaren und leicht verständlichen Code mit weniger Fehlern zu schreiben und eine hervorragende Unterstützung für Parallelität zu bieten, was die effiziente Nutzung von Mehrkernprozessoren ermöglicht. Die funktionale Programmierung ermöglicht den Aufbau von Softwaresystemen, die zuverlässiger sind und sich leicht skalieren lassen.

Beschränkungen der funktionalen Programmierung

Obwohl die funktionale Programmierung viel zu bieten hat, ist sie mit einer Lernkurve verbunden, die es Entwicklern abverlangt, viel Zeit und Mühe zu investieren, um zu lernen, wie man das Paradigma verwendet. Das liegt daran, dass sie neue Wege der Codestrukturierung und neue Programmierkonzepte einführt.

Die Programmierung mit funktionaler Programmierung kann äußerst komplex und schwierig sein, da sie keine intuitiven Funktionen wie for- und while-Schleifen verwendet. Es ist nicht einfach, Programme rekursiv zu schreiben.

Daher benötigen Entwickler möglicherweise mehr Zeit, um die funktionale Programmierung zu beherrschen, insbesondere wenn sie von Sprachen kommen, die veränderliche Zustände verwenden, wie z.B. die objektorientierte Programmierung.

Eine weitere Einschränkung der funktionalen Programmierung ergibt sich aus ihrem Kernprinzip der Unveränderlichkeit. Da Daten und Zustände veränderbar sind und neue Datenstrukturen erstellt werden, anstatt bestehende zu verändern, führt dies dazu, dass die funktionale Programmierung mehr Speicherplatz benötigt. Die unveränderliche Natur der funktionalen Programmierung kann auch zu einer schlechteren Leistung der Anwendungen führen.

Fazit

Obwohl es die funktionale Programmierung schon seit langem gibt, hat sie sich in letzter Zeit zu einem Trendparadigma entwickelt. Auch wenn der Einstieg etwas schwierig ist, können Entwickler enorm davon profitieren, wenn sie das Paradigma und die verschiedenen Möglichkeiten kennenlernen, wie sie die funktionale Programmierung beim Schreiben von Programmen einsetzen können.

Da Sie keine rein funktionalen Programmiersprachen wie Haskell verwenden müssen, können Sie funktionale Programmierkonzepte in Sprachen wie Javascript, Java, Python und Kotlin implementieren und die Vorteile der funktionalen Programmierung in Ihren Projekten nutzen.

Sie können auch einige Ressourcen erkunden , um Python für Anfänger zu lernen.