Парадигма программирования

Парадигма программирования — это совокупность правил, принципов и методик, используемых при разработке программного обеспечения. Это высокоуровневый способ концептуализации и структуризации реализации компьютерной программы. Парадигма программирования определяет стиль написания программы, способ организации кода и подход к решению задач.​

Языки программирования не привязаны к конкретной парадигме — один язык может поддерживать одну или несколько парадигм одновременно. Это называется мультипарадигменностью.​

Две основные ветви парадигм

Все парадигмы программирования условно разделяются на две основные категории:​

Императивные парадигмы (Imperative)

Императивные парадигмы основаны на том, что код прямо контролирует порядок выполнения и изменение состояния программы. Программист дает явные инструкции, как выполнить задачу.​

Характеристики:​

• Четко определенный порядок операций
• Явное изменение состояния программы
• Побочные эффекты (side effects) разрешены
• Коммуникация между частями кода часто неявная

Декларативные парадигмы (Declarative)

Декларативные парадигмы основаны на описании желаемого результата без указания деталей того, как его достичь. Программист описывает ЧТО нужно сделать, а не КАК.​

Характеристики:​

• Описание свойств желаемого результата
• Порядок операций не определен явно
• Система сама выбирает порядок выполнения
• Более высокий уровень абстракции

Основные парадигмы программирования

Процедурное программирование (Procedural)

Процедурное программирование — это парадигма, которая организует программу как последовательность процедур (функций или подпрограмм), вызывающих друг друга.​

Основные идеи:​

• Разбиение монолитного кода на подпрограммы с определёнными инструкциями
• Замена конструкций goto на более структурированные конструкции (циклы, условия)
• Улучшение модульности и поддерживаемости кода
• Соблюдение структурированного программирования

Пример в псевдокоде:

textfunction pourIngredients()
  // Налить муку в миску
  // Добавить яйца
  // Добавить молоко

function mixAndBake()
  // Смешать ингредиенты
  // Залить тесто в форму
  // Печь 35 минут

pourIngredients()
mixAndBake()

Языки: C, Pascal, COBOL, FORTRAN​

Объектно-ориентированное программирование (Object-Oriented)

ООП — парадигма, при которой программа организована как набор объектов, содержащих как данные (свойства), так и поведение (методы). Каждый объект создается из класса, который служит шаблоном.​

Основные концепции:​

• Классы — шаблон для создания объектов
• Объекты — конкретные экземпляры класса
• Инкапсуляция — группировка данных и методов
• Наследование — переиспользование кода через иерархию классов
• Полиморфизм — способность объектов принимать разные формы
• Абстракция — скрытие внутренних деталей

Преимущества:​

• Разделение программы между специалистами упрощено
• Код проще поддерживать и тестировать
• Естественное отражение реальных объектов в коде
• Моделирование бизнес-проблем в коде

Языки: Java, C++, Python, C#, JavaScript, PHP​

Функциональное программирование (Functional)

Функциональное программирование — парадигма, при которой программа структурируется как последовательность вычислений функций, а не как последовательность операций изменения состояния.​

Основные концепции:​

• Функции как первоклассные объекты — функции могут присваиваться переменным, передаваться как аргументы, возвращаться из других функций
• Чистые функции (Pure Functions) — функция зависит только от своих входных параметров и всегда дает одинаковый результат при одинаковых входных данных
• Отсутствие побочных эффектов — функция не изменяет внешнее состояние программы
• Неизменяемость данных (Immutability) — данные не изменяются, вместо этого создаются новые копии
• Рекурсия — часто используется вместо циклов

Пример в JavaScript:

javascriptconst nums = [1,4,3,6,7,8,9,2]
const result = nums.filter(num => num > 5)
console.log(result) // [6, 7, 8, 9]

Здесь функция filter — чистая функция, которая не изменяет исходный массив, а возвращает новый.

Преимущества:​

• Код легче тестировать (нет неявных зависимостей)
• Проще избежать ошибок, связанных с состоянием
• Отличная поддержка параллельной обработки
• Лучшая модульность

Языки: Haskell, Lisp, Scheme, Erlang, F#, Clojure​

Декларативное программирование (Declarative)

Декларативное программирование — парадигма, при которой программист описывает желаемый результат, а система сама выбирает способ его достижения.​

Основная идея: отличие от императивного подхода в том, что вместо пошаговых инструкций мы описываем свойства результата.​

Пример:

javascript// Декларативно: что нам нужно
const nums = [1,4,3,6,7,8,9,2]
console.log(nums.filter(num => num > 5)) // [6, 7, 8, 9]

// Императивно: как это делать
const nums = [1,4,3,6,7,8,9,2]
const result = []
for (let i = 0; i < nums.length; i++) {
  if (nums[i] > 5) result.push(nums[i])
}
console.log(result) // [6, 7, 8, 9]

Подкатегории декларативного программирования:​

• Функциональное программирование — результат определяется как значение серии вычислений функций
• Логическое программирование — результат определяется как ответ на вопрос о системе фактов и правил
• Реактивное программирование — результат определяется с потоками данных и распространением изменений

Языки и технологии: SQL, HTML, CSS, React, XSLT, Terraform​

Логическое программирование (Logic)

Логическое программирование — парадигма, при которой вычисление рассматривается как автоматизированное логическое рассуждение над телом знания.​

Основная идея:​

• Факты о предметной области выражаются как логические формулы
• Программа выполняется путём применения правил вывода
• Система автоматически ищет решение или доказывает несовместимость формул

Языки: Prolog, Mercury​

Реактивное программирование (Reactive)

Реактивное программирование — парадигма, при которой программа реагирует на потоки данных и изменение состояния.​

Характеристики:​

• Фокус на потоках данных (data streams)
• Распространение изменений через систему
• Асинхронная обработка событий

Технологии: RxJS, React Streams​

Другие парадигмы

Конкурентное программирование (Concurrent Programming)

• Парадигма для работы с многопоточностью, распределенными вычислениями и обменом сообщениями.​

Программирование потока данных (Dataflow Programming)

• Парадигма, при которой пересчет формул происходит автоматически при изменении данных. Пример — электронные таблицы.​

Программирование ограничений (Constraint Programming)

• Парадигма, при которой отношения между переменными выражаются как ограничения.​

Метапрограммирование (Metaprogramming)

• Парадигма, при которой программа может писать или манипулировать другими программами, включая саму себя.​

Визуальное программирование (Visual Programming)

• Парадигма, при которой элементы программы манипулируются графически вместо текстового кода.​

Сравнение основных парадигм

Парадигма	Основной подход	Фокус	Языки-примеры
Процедурная	Как это делать	Пошаговые инструкции	C, Pascal, COBOL
ООП	Как это делать	Объекты и их взаимодействие	Java, C++, Python
Функциональная	Что нужно	Функции и их композиция	Haskell, Lisp, Erlang
Декларативная	Что нужно	Описание результата	SQL, HTML, CSS
Логическая	Что нужно	Логическое рассуждение	Prolog, Mercury

История развития парадигм

Концепция парадигмы программирования была введена в 1978 году в Turing Award лекции Роберта У. Флойда, где он ссылался на понятие парадигмы из работы Томаса Куна «Структура научных революций» (1962).​

Хронология развития:​

• 1960-е: Структурированное программирование
• 1970-е: Объектно-ориентированное программирование начало развиваться
• 1980-е: ООП стал основным подходом
• 1990-е: Функциональное программирование получило новый импульс
• 2000-е: Декларативное и реактивное программирование стали популярны

Мультипарадигменность

Большинство современных языков программирования поддерживают мультипарадигменность — они позволяют использовать элементы разных парадигм в одной программе:​

• JavaScript — процедурное, ООП, функциональное, декларативное
• Python — процедурное, ООП, функциональное
• C++ — процедурное, ООП, функциональное
• Java — ООП, функциональное (в Java 8+)

Критика парадигм

Некоторые исследователи критикуют использование парадигм как классификационной системы, аргументируя тем, что большинство языков не могут быть строго отнесены к одной парадигме и содержат элементы нескольких. Это признание мультипарадигменности является более точным описанием современных языков программирования.