Императивное программирование — это, безусловно, самая известная парадигма. По сути, многие программисты знакомы только с ней. Она также является естественным отражением способа, которым работают люди: мы используем эту парадигму для описания кулинарного рецепта, плана ремонта и других повседневных процедур. Когда нам лень выполнять скучную работу, мы переносим инструкции в программу, и компьютер выполняет их за нас. Программистская лень серьезно помогла прогрессу.
Программирование машинного кода. Первым программистам приходилось вводить код в компьютер вручную, используя единицы и нули, но они тоже были ленивы. Они решили, что будет намного лучше записывать последовательность команд ЦП при помощи мнемоник, таких как CP для команды «копировать», MOV для команды «переместить», CMP для команды «сравнить» и т. п. Затем они написали программу, преобразующую мнемонический код в соответствующие ему двоичные числа процессорного кода. Так родился язык ассемблера (или ASM).
Программа, написанная с использованием этого мнемокода, гораздо понятнее для человека, чем соответствующий набор единиц и нулей. Старинный мнемокод и стиль программирования по-прежнему широко используются. По мере того как более совершенные ЦП начинали поддерживать новые команды, создавался дополнительный мнемокод, но основной принцип оставался неизменным.
ASM используется, например, для программирования микроволновых печей или компьютерных систем в автомобиле. Этот язык также идеален для создания частей программы, где необходима предельная производительность и имеет значение экономия даже нескольких циклов ЦП.
Например, представьте, что вы занимаетесь оптимизацией высокопроизводительного веб-сервера и столкнулись с серьезным узким местом. Вы можете переписать его на ASM, проинспектировать, а затем раз за разом изменять, чтобы уменьшить число используемых команд. Некоторые языки поддерживают вставку в свой код фрагментов на машинном языке для такой тонкой оптимизации. Поддержка машинного кода дает вам неограниченный контроль над тем, что именно и как будет делать процессор.
Структурное программирование. Когда-то давно программисты использовали команду GOTO для управления потоком выполнения. Она заставляет процесс перепрыгивать в другую часть кода. По мере того как программы усложнялись, стало почти невозможно понимать, что она делает. Различные потоки выполнения переплетались с командами GOTO и JUMP, создавая то, что называется запутанным кодом или спагетти-кодом
[87]. В 1968 году Дейкстра написал свой знаменитый манифест «О вреде оператора GOTO», и это вызвало революцию. Программный код стали разделять на логические части. Вместо ситуативных GOTO программисты начали использовать управляющие структуры (if, else, while, for). Это позволило намного упростить написание и отладку программ.
Процедурное программирование. Следующим шагом в искусстве программирования стало процедурное программирование. Оно позволяет организовать код в процедуры, избежать повторов и сделать более удобным его многократное использование. Например, вы можете создать функцию, преобразующую единицы метрической системы мер в единицы британской системы, принятые в США, а затем вызывать свою функцию, многократно используя один и тот же код, когда это потребуется. Процедуры усовершенствовали структурное программирование еще больше. Их использование сильно упростило разбиение связанных кусков программного кода на группы.
Декларативное программирование
Парадигма декларативного программирования позволяет объявить желаемый результат, не разбираясь с каждым отдельным шагом, ведущим к нему. Эта парадигма связана с объявлением того, что (а не как) вы хотите сделать. Во многих ситуациях она позволяет сильно сократить и упростить программы. Кроме того, нередко их бывает легче читать.
Функциональное программирование. В парадигме функционального программирования функции — это больше, чем просто процедуры. Они используются для объявления связи между двумя или более элементами, почти как математические уравнения. В функциональной парадигме первоклассными объектами являются функции. Они обрабатываются так же, как любой другой примитивный тип данных, например строки и числа.
Функции могут получать другие функции в аргументах и возвращать функции в виде результата. Функции, имеющие такие признаки, называются функциями высшего порядка. Многие основные языки программирования включают такие элементы из функциональной парадигмы. Вам следует непременно воспользоваться их выразительностью при первой возможности.
Например, большинство языков функционального программирования поставляются вместе с универсальной функцией sort. Она может сортировать любую последовательность элементов. Функция sort на входе принимает другую функцию, которая определяет, как элементы будут сравниваться в процессе сортировки. Например, переменная coordinates содержит список географических точек. При наличии двух точек функция closer_to_home сообщает, какая из них находится ближе к вашему дому. Вы можете отсортировать список точек по критерию близости к вашему дому, как это сделано тут:
sort(coordinates, closer_to_home)
Функции высшего порядка часто используются для фильтрации данных. Языки функционального программирования также предлагают универсальную функцию filter, получающую набор элементов, и функцию, которая указывает, следует ли отбросить заданный элемент или нет. Например, удаление четных чисел из списка можно записать так:
odd_numbers ← filter(numbers, number_is_odd)
number_is_odd — это функция, которая получает число и возвращает True, если число является нечетным, и False в противном случае.
Еще одна типичная задача, которая возникает во время программирования, — применение специальной функции ко всем элементам в списке. В функциональном программировании она называется отображением. Многие языки имеют встроенную функцию map, предназначенную для этой задачи. Например, вычисление квадрата каждого числа в списке можно организовать так:
squared_numbers ← map(numbers, square)
Функция square возвращает квадрат заданного числа. Операции отображения и фильтрации встречаются так часто, что многие языки программирования предлагают возможность записи этих выражений в более простой форме. Например, в языке программирования Python вычислить квадраты чисел в списке можно так:
squared_numbers = [x**2 for x in numbers]
Эта форма записи называется «синтаксическим сахаром»: дополнительной синтаксической конструкцией, позволяющей записывать выражения короче и понятнее. Многие языки программирования предоставляют несколько форм «синтаксического сахара». Применяйте их и злоупотребляйте ими.
Наконец, когда нужно обработать список значений так, чтобы свести процесс к единственному результату, вы можете воспользоваться функцией reduce. На входе она получает список, начальное значение и редуцирующую функцию. Начальное значение инициирует «аккумуляторную» переменную, которая будет обновляться редуцирующей функцией для каждого элемента в списке, а в конце — возвращена:
