البرمجة الوظيفية (FP) هي نموذج برمجة يتمحور حول استخدام الوظائف النقية والبيانات غير القابلة للتغيير وتجنب الحالة المشتركة أو الآثار الجانبية. يرتكز FP على مبادئ المنطق الرياضي، مما يؤدي إلى اتباع نهج منهجي ويمكن التنبؤ به للبرمجة والذي يمكن أن يعزز بشكل كبير وضوح التعليمات البرمجية وقابلية الصيانة وقابلية الاختبار.
الأصول والتطور المبكر للبرمجة الوظيفية
تعود أصول البرمجة الوظيفية إلى ثلاثينيات القرن العشرين وعمل ألونزو تشيرش على حساب التفاضل والتكامل لامدا، وهو نظام رسمي في المنطق الرياضي للتعبير عن الحساب. ومع ذلك، لم تجد البرمجة الوظيفية موطئ قدم لها في مجال الحوسبة حتى الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي مع تطور LISP، أول لغة برمجة وظيفية.
تم تصميم LISP، وهو اختصار لـ "LISt Processing"، بواسطة جون مكارثي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لأبحاث الذكاء الاصطناعي. قدمت اللغة العديد من المفاهيم الأساسية للبرمجة الوظيفية، مثل وظائف الدرجة الأولى والوظائف العليا، والتكرار، ومعالجة الرموز بدلاً من البيانات الرقمية.
شهدت السبعينيات ظهور لغات برمجة وظيفية أكثر تخصصًا، مثل ML وScheme، وجلبت الثمانينيات ظهور ميراندا وهاسكل، والتي غالبًا ما تعتبر لغة البرمجة الوظيفية المثالية.
توسيع الموضوع: البرمجة الوظيفية
تتميز البرمجة الوظيفية بتركيزها على الوظائف وثبات البيانات. في FP، يتم التعامل مع الوظائف كمواطنين من الدرجة الأولى، مما يعني أنه يمكن تمريرها كوسائط إلى وظائف أخرى، وإرجاعها كقيم، وتخزينها في هياكل البيانات. تكون الوظائف عادةً "نقية"، مما يعني أنها لا تحتوي على آثار جانبية ويتم تحديد مخرجاتها فقط من خلال مدخلاتها.
يعد استخدام البيانات غير القابلة للتغيير ركيزة أخرى للبرمجة الوظيفية. بمجرد إنشاء البيانات، لا يمكن تغييرها. وبدلاً من ذلك، تنتج أي تحويلات بيانات جديدة. يساهم هذا النهج في إمكانية التنبؤ وموثوقية البرنامج.
تعتمد لغات البرمجة الوظيفية أيضًا بشكل كبير على التكرار كبنية تحكم أساسية، وذلك بسبب عدم وجود هياكل تحكم نموذجية أمرية مثل الحلقات. تستخدم العديد من اللغات الوظيفية التقييم البطيء، حيث لا يتم تقييم التعبيرات حتى تكون نتائجها مطلوبة، مما يسمح بالتعبير الفعال عن هياكل البيانات والحسابات التي يحتمل أن تكون لا حصر لها.
الهيكل الداخلي للبرمجة الوظيفية
تختلف البرمجة الوظيفية بشكل أساسي عن النماذج السائدة الأخرى، مثل البرمجة الإجرائية والموجهة للكائنات.
بدلاً من تغيير الحالة والبيانات القابلة للتغيير، يهدف FP إلى الحفاظ على اتساق البرامج وإمكانية التنبؤ بها باستخدام وظائف خالصة وتجنب الحالة المشتركة. تنتج الدالة النقية دائمًا نفس النتيجة لنفس المدخلات ولا تنتج أي آثار جانبية، وهي عبارة عن تغييرات في الحالة لا تتعلق بالقيمة المرجعة للدالة.
يستخدم FP أيضًا في كثير من الأحيان التكرار للتحكم في التدفق. العودية هي عملية دالة تطلق على نفسها اسم روتين فرعي. يمكن أن يكون هذا أداة قوية لحل المشكلات التي تتضمن هياكل بيانات معقدة أو تتطلب حسابات متكررة.
قلب البرمجة الوظيفية هو التكوين - بناء وظائف معقدة من خلال الجمع بين وظائف أبسط. يؤدي هذا إلى تعليمات برمجية معيارية وسهلة الاختبار والفهم والتصحيح.
الميزات الرئيسية للبرمجة الوظيفية
فيما يلي الميزات الرئيسية للبرمجة الوظيفية:
-
وظائف نقية: تعتبر الدالة نقية إذا كانت قيمة الإرجاع الخاصة بها هي نفسها لنفس الوسائط ولا تنتج أي آثار جانبية.
-
بيانات غير قابلة للتغيير: بمجرد إنشاء بنية البيانات بلغة وظيفية، لا يمكن تغييرها.
-
وظائف من الدرجة الأولى والأعلى: يمكن استخدام الوظائف في FP مثل أي متغير آخر. يمكن تعريفها في أي نطاق، وتمريرها كوسائط، وإعادتها من وظائف أخرى.
-
العودية: استخدام العودية كهيكل تحكم أولي للتكرار.
-
الشفافية المرجعية: يُقال إن التعبير شفاف مرجعيًا إذا كان من الممكن استبداله بقيمته دون تغيير سلوك البرنامج.
-
تقييم كسول: تقييم التعبيرات فقط عندما تكون قيمها مطلوبة لمواصلة البرنامج.
أنواع البرمجة الوظيفية
في حين أن جميع لغات البرمجة الوظيفية تلتزم بالمبادئ الأساسية الموضحة أعلاه، إلا أنها غالبًا ما تختلف في مستوى الصرامة والميزات التي تقدمها. فيما يلي ثلاث فئات يجب مراعاتها:
-
اللغات الوظيفية البحتة: تتبع هذه اللغات مبادئ البرمجة الوظيفية بشكل صارم ولا تسمح بأي شكل من أشكال الحالة أو الآثار الجانبية القابلة للتغيير. ومن الأمثلة على ذلك هاسكل وإلم.
-
اللغات الوظيفية غير النقية: هذه اللغات وظيفية في المقام الأول، لكنها تسمح بمستوى معين من الآثار الجانبية والحالة القابلة للتغيير. وتشمل الأمثلة اللثغة والمخطط.
-
لغات متعددة النماذج مع عناصر وظيفية: العديد من اللغات الحديثة متعددة النماذج، أي أنها تسمح بالبرمجة بعدة أنماط. غالبًا ما تتضمن هذه اللغات عناصر البرمجة الوظيفية. تشمل الأمثلة JavaScript وPython وRuby وScala.
| فئة | اللغات |
|---|---|
| وظيفية نقية | هاسكل، إلم |
| وظيفية غير نقية | ليسب، مخطط |
| نموذج متعدد مع عناصر وظيفية | جافا سكريبت، بايثون، روبي، سكالا |
استخدامات البرمجة الوظيفية والمشكلات والحلول المرتبطة بها
يمكن استخدام البرمجة الوظيفية في مجموعة متنوعة من السياقات، بدءًا من تطوير الويب الأمامي (على سبيل المثال، باستخدام مكتبات JavaScript مثل React وRedux) إلى التطوير من جانب الخادم (على سبيل المثال، باستخدام Scala أو Elixir) إلى معالجة البيانات وتحليلها (على سبيل المثال، باستخدام أباتشي سبارك أو الباندا مع بايثون).
في حين أن البرمجة الوظيفية تجلب العديد من الفوائد، إلا أنها تأتي أيضًا مع تحدياتها الخاصة. تشمل بعض التحديات الشائعة ما يلي:
- منحنى التعلم: تتضمن البرمجة الوظيفية طريقة مختلفة في التفكير ويمكن أن تكون صعبة في البداية بالنسبة للمطورين المطلعين على النماذج الحتمية أو الموجهة للكائنات.
- أداء: نظرًا لاعتمادها على التكرار وهياكل البيانات المستمرة، قد تواجه اللغات الوظيفية مشكلات في الأداء. ومع ذلك، فإن العديد من اللغات الوظيفية الحديثة والمترجمين لديهم تقنيات للتخفيف من هذه المشكلات.
- تصحيح الأخطاء: يمكن أن يكون تصحيح الأخطاء أكثر تعقيدًا في البرمجة الوظيفية بسبب مفاهيم مثل التقييم البطيء والتكرار.
تتضمن حلول هذه المشكلات عادةً التعليم (لمنحنى التعلم)، والاعتماد على اللغات والأدوات الحديثة التي تعمل على تحسين البنيات الوظيفية (للأداء)، واستخدام أدوات تصحيح الأخطاء المصممة للعمل مع مفاهيم البرمجة الوظيفية (لتصحيح الأخطاء).
البرمجة الوظيفية مقارنة بالنماذج الأخرى
| ميزة | البرمجة الوظيفية | البرمجة الشيئية | البرمجة الإجرائية |
|---|---|---|---|
| التركيز الأساسي | الوظائف وثبات البيانات | الكائنات والتغليف | الإجراءات وتغيير الحالة |
| ولاية | غير قابل للتغيير | متقلب | متقلب |
| التحكم في التدفق | العودية واستدعاءات الوظائف | استدعاءات الأسلوب | الحلقات والشروط |
| نمطية | تكوين الوظيفة | التسلسل الهرمي للفئة والكائن | استدعاءات الإجراءات |
| الوحدة الأساسية | وظيفة | هدف | إجراء |
وجهات النظر المستقبلية والتقنيات المتعلقة بالبرمجة الوظيفية
لقد اكتسبت مفاهيم البرمجة الوظيفية قوة جذب في اللغات السائدة وممارسات تطوير البرمجيات، مدفوعة بالأهمية المتزايدة للحوسبة المتزامنة والمتوازية والحاجة إلى تعليمات برمجية أكثر قابلية للتنبؤ والاختبار.
تستفيد تقنيات مثل ReactJS من مفاهيم البرمجة الوظيفية للتعامل مع إدارة الحالة المعقدة بطريقة يمكن التنبؤ بها. تدفع البنى بدون خادم أيضًا نحو الحوسبة عديمة الحالة، وهو مفهوم متجذر في البرمجة الوظيفية.
في معالجة البيانات وتحليلها، تسهل نماذج البرمجة الوظيفية كتابة التعليمات البرمجية الموزعة والمتزامنة. تقنيات مثل Apache Spark لها برمجة وظيفية في جوهرها.
البرمجة الوظيفية والخوادم الوكيلة
يمكن للخوادم الوكيلة بالتأكيد الاستفادة من البرمجة الوظيفية. على سبيل المثال، يمكن تصميم منطق التوجيه والتخزين المؤقت وتسجيل الدخول إلى خادم وكيل باستخدام وظائف خالصة. وهذا من شأنه أن يجعل النظام أكثر قابلية للتنبؤ به، وأسهل في الاختبار، ويمكن أن يبسط التعامل مع الاتصالات المتزامنة.
ضع في اعتبارك الموقف الذي يقوم فيه العديد من العملاء بإرسال طلبات إلى خادم وكيل بشكل متزامن. باستخدام البرمجة الوظيفية، يمكن معالجة كل طلب على حدة، وتجنب التعارضات المحتملة أو التناقضات الناشئة عن الحالة المشتركة.
روابط ذات علاقة
لمزيد من المعلومات حول البرمجة الوظيفية، قم بزيارة الموارد التالية:
