Чи існує програмно-інженерна методологія функціонального програмування? [зачинено]

Інженерія програмного забезпечення, як вона викладається сьогодні, повністю орієнтована на об'єктно-орієнтоване програмування та "природний" об'єктно-орієнтований погляд на світ. Існує детальна методологія, яка описує, як перетворити модель домену в модель класу з декількома кроками та безліччю артефактів (UML), таких як діаграми використання-випадку або діаграми класів. Багато програмістів інтерналізували цей підхід і мають гарне уявлення про те, як спроектувати об’єктно-орієнтований додаток з нуля.

Новий ажіотаж - це функціональне програмування, яке викладається у багатьох книгах та навчальних посібниках. А як щодо функціональної інженерії програмного забезпечення? Читаючи про Ліспа і Клуджуре, я прийшов до двох цікавих тверджень:

1. Функціональні програми часто розробляються знизу вгору, а не зверху вниз ("На Ліпп", Пол Грем)

2. Функціональні програмісти використовують карти, де OO-програмісти використовують об'єкти / класи ("Clojure для Java-програмістів", розмова Річа Хіклі).

Отже, яка методологія систематичного (на основі моделей?) Проектування функціонального додатку, тобто у Ліспі чи Клоджуре? Які загальні кроки, які артефакти я використовую, як їх відобразити з проблемного простору в простір рішення?

Слава Богу, що люди з програмного забезпечення ще не виявили функціонального програмування. Ось кілька паралелей:

• Багато OO «дизайнерські зразки» відображаються як функції вищого порядку. Наприклад, модель відвідувачів у функціональному світі відома як «складка» (або, якщо ви теоретик із цілеспрямованим виглядом, «катаморфізм»). У функціональних мовах типи даних - це переважно дерева або кортежі, і кожен тип дерев пов'язаний із цим природним катаморфізмом.

  Ці функції вищого порядку часто поставляються з певними законами програмування, відомими також як "вільні теореми".

• Функціональні програмісти використовують діаграми набагато менше, ніж програмісти ОО. Значна частина того, що виражається на діаграмах ОО, замість цього виражається у типах або у «підписах», які слід думати як «типи модулів». У Haskell також є "типи класів", що трохи нагадує тип інтерфейсу.

  Ті функціональні програмісти, які використовують типи, як правило, вважають, що "щойно ви отримаєте потрібні типи; код практично пише сам".

  Не всі функціональні мови використовують явні типи, але книга How to Design Programs - відмінна книга для вивчення схеми / Lisp / Clojure, значною мірою покладається на "описи даних", які тісно пов'язані з типами.

Отже, яка методологія систематичного (на основі моделей?) Проектування функціонального додатку, тобто у Ліспі чи Клоджуре?

Будь-який метод проектування, заснований на абстрагуванні даних, працює добре. Мені здається, що це простіше, коли мова має явні типи, але вона працює навіть без. Хороша книга про методи проектування абстрактних типів даних, яка легко адаптується до функціонального програмування, - це абстракція та специфікація в розробці програми Барбари Лісков та Джона Гуттага, перше видання. Лісков виграв нагороду Тюрінга частково за цю роботу.

Інша методологія дизайну, унікальна для Lisp, - це визначити, які розширення мови були б корисні в проблемній області, в якій ви працюєте, а потім використовувати гігієнічні макроси, щоб додати ці конструкції до вашої мови. Гарним місцем для читання про подібний дизайн є стаття Меттью Флатта " Створення мов у ракетці" . Стаття може бути за платною стіною. Ви також можете знайти більш загальні матеріали про подібний дизайн, шукаючи термін "вбудована мова, що залежить від домену"; для конкретних порад та прикладів, що не стосуються Метью Флатта, я б, мабуть, почав із «Гребки» на Ліспе або, можливо, ANSI Common Lisp .

Які загальні кроки, які артефакти я використовую?

Загальні кроки:

1. Визначте дані у вашій програмі та операції над нею та визначте абстрактний тип даних, що представляє ці дані.

2. Визначте загальні дії чи закономірності обчислень та висловіть їх як функції вищого порядку або макроси. Очікуйте зробити цей крок у рамках рефакторингу.

3. Якщо ви використовуєте набрану функціональну мову, використовуйте перевірку типу рано і часто. Якщо ви використовуєте Lisp або Clojure, найкраща практика полягає в тому, щоб спочатку писати контракти з функціями, включаючи одиничні тести - це тестова розробка до максимуму. І ви хочете використовувати будь-яку версію QuickCheck, яка була перенесена на вашу платформу, яка у вашому випадку виглядає так, як називається ClojureCheck . Це надзвичайно потужна бібліотека для побудови випадкових тестів коду, яка використовує функції вищого порядку.

Для Clojure я рекомендую повернутися до старого хорошого реляційного моделювання. З-під Tarpit - це натхненне читання.

Особисто я вважаю, що всі звичайні добрі практики розвитку ОО застосовуються і у функціональному програмуванні - лише за допомогою декількох незначних змін, щоб врахувати функціональний світогляд. З точки зору методології, вам не потрібно робити нічого принципово іншого.

Мій досвід походить від переїзду з Яви до Clojure в останні роки.

Деякі приклади:

• Розуміння вашої бізнес-домени / моделі даних - не менш важливо, чи збираєтесь ви розробляти об'єктну модель або створити функціональну структуру даних із вкладеними картами. У чомусь FP може бути простішим, оскільки він спонукає вас думати про модель даних окремо від функцій / процесів, але вам все одно потрібно робити і те, і інше.

• Сервісна орієнтація в дизайні - насправді працює дуже добре з точки зору FP, оскільки типова послуга насправді є лише функцією з деякими побічними ефектами. Я думаю, що погляд на розробку програмного забезпечення «знизу вгору», який іноді підтримується у світі Lisp, насправді є лише хорошими принципами дизайну API, орієнтованими на сервіс, в іншому вигляді.

• Тест-керований розвиток - добре працює на мовах FP, насправді іноді навіть краще, оскільки чисті функції дуже добре піддаються написанню чітких, повторюваних тестів без необхідності створювати благополучне середовище. Ви також можете створити окремі тести, щоб перевірити цілісність даних (наприклад, чи ця карта містить усі ключі, які я очікую, щоб врівноважити той факт, що в мові OO визначення класу буде застосовувати це для вас під час компіляції).

• Прототизування / ітерація - добре працює з FP. Можливо, ви навіть зможете скласти прототип у прямому ефірі з користувачами, якщо вам дуже надзвичайно вдало будувати інструменти / DSL та використовувати їх у системі REPL.

Програмування ОО щільно поєднує дані з поведінкою. Функціональне програмування розділяє два. Отже, у вас немає діаграм класів, але у вас є структури даних, і ви особливо маєте алгебраїчні типи даних. Ці типи можна записати так, щоб вони дуже відповідали вашому домену, включаючи усунення неможливих значень шляхом побудови.

Так що книг і книг про це немає, але існує чітко сформований підхід до того, що, як висловлюється, робить неможливі цінності непредставними.

Роблячи це, ви можете робити вибір щодо представлення певних типів даних як функцій, і навпаки, представляючи певні функції замість цього об'єднання типів даних, щоб ви могли отримати, наприклад, серіалізацію, більш жорстку специфікацію, оптимізацію тощо .

Потім, враховуючи це, ви записуєте функції над рекламою так, щоб встановити якусь алгебру - тобто є фіксовані закони, які відповідають цим функціям. Деякі можуть бути ідентичними - те саме після декількох застосувань. Деякі асоціативні. Деякі є транзитивними тощо.

Тепер у вас є домен, над яким у вас є функції, які складаються згідно з добре поведеними законами. Простий вбудований DSL!

О, і з урахуванням властивостей, ви, звичайно, можете писати автоматизовані рандомізовані тести з них (ала QuickCheck) .. і це лише початок.

Об'єктно-орієнтований дизайн - це не те саме, що інженерія програмного забезпечення. Інженерія програмного забезпечення пов'язана з усім процесом того, як ми переходимо від вимог до робочої системи, вчасно та з низьким рівнем дефектів. Функціональне програмування може відрізнятися від OO, але воно не усуває вимог, високого рівня та детальних конструкцій, перевірки та тестування, метрики програмного забезпечення, оцінки та всього іншого "інженерного забезпечення програмного забезпечення".

Крім того, функціональні програми виявляють модульність та іншу структуру. Ваші детальні конструкції повинні бути виражені в поняттях цієї структури.

Один із підходів полягає у створенні внутрішнього DSL в обраній мові функціонального програмування. Тоді "модель" - це набір бізнес-правил, виражених у DSL.

Дивіться мою відповідь на інший пост:

Як Clojure підходить до поділу проблем?

Я погоджуюся, що більше питань потрібно написати на тему, як структурувати великі програми, які використовують підхід FP (плюс ще потрібно зробити для документування інтерфейсів, керованих FP)

Хоча це може вважатись наївним та спрощеним, я думаю, що "рецепти дизайну" (систематичний підхід до вирішення проблем, застосований до програмування, як це пропонують Феллейзен та ін. У своїй книзі HtDP ), були б близькими до того, що ви, здається, шукаєте.

Ось декілька посилань:

http://www.northeastern.edu/magazine/0301/programming.html

http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.86.8371

Нещодавно я знайшов цю книгу: Функціональне та реактивне моделювання доменів

Я думаю, що це повністю відповідає вашому питанню.

З опису книги:

Функціональне та реактивне моделювання домену вчить вас думати про модель домену з точки зору чистих функцій та як складати їх для створення великих абстракцій. Ви почнете з основ функціонального програмування і поступово переходите до передових концепцій та моделей, які вам потрібно знати, щоб реалізувати складні доменні моделі. Книга демонструє, як передові схеми ПП, такі як алгебраїчні типи даних, дизайн на основі класного класу та ізоляція побічних ефектів, можуть зробити вашу модель складною для читабельності та перевірки.

Існує стиль "розрахунку програми" / "проектування за допомогою розрахунку", пов'язаний з професором Річардом Бердом та групою "Алгебра програмування" в Оксфордському університеті (Великобританія), я не думаю, що це занадто надумано вважати цю методологію.

Особисто мені подобаються роботи, створені групою AoP, я не маю дисципліни, щоб самому займатися дизайном таким чином. Однак це мій недолік, і не один з програмних розрахунків.

Я виявив, що поведінка, керована розвитком, є природним пристосуванням для швидко розвивається коду як в Clojure, так і в SBCL. Справжня перевага використання BDD з функціональною мовою полягає в тому, що я, як правило, пишуть набагато тонші зернові одиниці тестів, ніж я зазвичай роблю при використанні процедурних мов, тому що я роблю набагато кращу роботу з розкладання проблеми на менші шматки функціональності.

Якщо чесно, якщо ви хочете розробити рецепти функціональних програм, подивіться на стандартні бібліотеки функцій, такі як Прелюдія Haskell. У FP шаблони зазвичай фіксуються самими процедурами вищого порядку (функціями, що функціонують над функціями). Отже, якщо видно візерунок, часто використовується функція вищого порядку для захоплення цього шаблону.

Хороший приклад - fmap. Ця функція приймає функцію як аргумент і застосовує її до всіх "елементів" другого аргументу. Оскільки він є частиною класу типу Functor, будь-який примірник Functor (наприклад, список, графік тощо) може бути переданий як другий аргумент цій функції. Він фіксує загальну поведінку застосування функції до кожного елемента другого аргументу.

Ну,

Як правило, багато мов функціонального програмування довго використовуються в університетах для "проблем із маленькими іграшками".

Вони набувають все більшої популярності зараз, оскільки у OOP виникають труднощі з "паралельним програмуванням" через "стан". І колись функціональний стиль краще для проблем, як Google MapReduce.

Я впевнений, що, коли хлопці-функціонери вдаряться про стіну [спробуйте впровадити системи, що перевищують 1 000 000 рядків коду], деякі з них прийдуть з новими програмно-інженерними методологіями із гучними словами :-). Вони повинні відповісти на старе запитання: як розділити систему на частини, щоб ми могли «кусати» кожен шматок по одному? [працювати ітераційним, інцерементальним еволюційним шляхом], використовуючи функціональний стиль.

Впевнений, що функціональний стиль вплине на наш об’єктно-орієнтований стиль. Ми "все ще" багато концепцій з функціональних систем та адаптовані до наших мов OOP.

Але чи будуть функціональні програми використовуватися для таких великих систем? Вони стануть основним потоком? Це питання .

І ніхто не може придумати реалістичну методологію без застосування таких великих систем, роблячи руки брудними. Спочатку слід забруднити руки, а потім запропонувати рішення. Рішення-пропозиції без "справжніх болів і бруду" будуть "фантазією".