Какие языки программирования относятся к декларативным языкам

к декларативным языкам программирования относится

К декларативным языкам программирования относятся языки, которые описывают, что нужно сделать, а не как это сделать. Это означает, что программист объявляет желаемый результат, а система сама решает, как его достичь.

Один из наиболее известных декларативных языков программирования — SQL (Structured Query Language). SQL используется для работы с базами данных и позволяет программисту описывать, какую информацию нужно получить или изменить, не задумываясь о том, как это реализовать. Например, чтобы получить список всех клиентов с определенными характеристиками, в SQL достаточно написать запрос, описывающий условия отбора, и система сама выполнит необходимые операции.

Еще одним примером декларативного языка программирования является язык HTML (HyperText Markup Language), используемый для создания веб-страниц. В HTML программист описывает структуру страницы и размещение элементов, не задумываясь о том, как они будут отображаться на экране. Весь процесс визуализации контента браузером выполняется автоматически.

Другими примерами декларативных языков программирования являются XSLT (eXtensible Stylesheet Language Transformations) для преобразования XML-документов, CSS (Cascading Style Sheets) для стилизации веб-страниц и Prolog для логического программирования.

Основное преимущество декларативных языков программирования заключается в их простоте и интуитивном понимании. Они позволяют программисту сосредоточиться на описании требуемого результата, а не на том, как этот результат достичь. Кроме того, декларативные языки обычно обладают высокой степенью переиспользуемости, поскольку код, написанный на таких языках, может быть легко модифицирован или адаптирован для других задач.

Однако декларативные языки программирования имеют и некоторые ограничения. Они не всегда подходят для сложных и высокопроизводительных задач, требующих точного контроля над процессом выполнения. Кроме того, некоторые задачи сложно или невозможно описать в декларативной форме, что может потребовать использования императивных языков программирования.

В целом, декларативные языки программирования широко применяются в различных областях, где важно описать желаемый результат, а не задавать конкретный алгоритм его достижения. Они позволяют программистам более эффективно и интуитивно описывать и решать задачи, упрощая процесс разработки программного обеспечения и повышая его качество.

Референсный запрос: “что такое декларативные языки программирования”.

Проблема логических языков программирования

Некоторое время назад я писал про «Интернациональное программирование на естественных языках», в которой попытался представить достойную цель для абстрактного языка программирования, попробовав примерить на него роль связующего звена между миром программистов с компьютерами и не программистов.

Но в результате оказалось, что это не нужно в принципе, т.к. «не программистам» просто не требуется учиться писать программы. А если иногда такое желание и возникает, то вполне хватает обычных формализованных языков программирования, которых уже сейчас насчитывается наверно более десяти тысяч.

И пользователи, как программисты, так и не программисты, просто хотят решать возникающие перед ними задачи. И хотя задачи бывают совершенно разные, но если способ (алгоритм) её решения известен, то выбрать язык для её решения не составит никакого труда.

За исключением одного класса задач. Задач, решение которых нельзя описать в виде алгоритма. Но можно указать некие критерии, которым должно удовлетворять искомое решение. Я имею ввиду логические языки программирования и Пролог, как самый яркий представитель этого класса.

Еще помню воспоминание из юности, когда удалось достать дискету с этим языком. Ух, с каким задором горели мои глаза, когда мне казалось, ну вот, еще чуть-чуть и будет создана система с базой знаний, у которой и можно будет получить заветный ответ 42 на любой вопрос.

Так почему этого так и не случилось? В чем проблема Пролога, да и любой системы / языка программирования, назначение которых анализировать факты и искать ответы на вопросы?

Эта проблема называется «Комбинаторный взрыв» — экспоненциальная (или более) зависимость времени работы алгоритма от количества входных данных. И есть как минимум два решения этой проблемы.

Подходы к написанию программ

Прежде чем переходить к частностям, следует сказать пару слов про парадигмы программирования. Обычно противопоставляют между собой два разных стиля в написании программ: императивный и декларативный.

Императивный — это классический вариант написания программы, при котором программист сам задает шаги алгоритма для получения конечного результата. А сам текст программы состоит из последовательности команд, которые читают, сохраняют и обрабатывают данные или вызывают другие команды.

Декларативный — в этом стиле программист описывает условия задачи и правила для получения требуемого результата, но не требуется детально описывать все шаги работы алгоритма, оставляя их на усмотрения компьютера.

Именно к декларативному стилю относится язык Пролог, да и все остальные логические языки программирования. К декларативному стилю написания программ следует относить и язык структурированных запросов (SQL).

И проблема под называнием «Комбинаторный взрыв» сильнее всего оказывает негативное влияние как раз на подобные языки. Ведь в императивном подходе программист сам отвечает за последовательность выполняемых команд, и если он запрограммировал алгоритм полного перебора всех возможных вариантов решений, то он сам себе злобный Буратино.

Другое дело, программирование в декларативном стиле. Разработчик хоть и может указать ограничения, которые следует применять при поиске решения, но это возможно только в том случае, когда известен алгоритм решения задачи. Но если алгоритм решения известен, то проще использовать императивный стиль, как раз и реализуя этот алгоритм!

Поэтому основное применения языков программирования в декларативном стиле — отказаться от необходимости описания четкого алгоритма поиска решения, отдав это компьютеру на откуп. Для которого самое простое решение «в лоб» — полный перебор возможных вариантов.

Именно в этом случае и начинается экспоненциальный рост времени выполнения алгоритма. И начиная с определенного порога, время ожидания ответа становится неприемлемым для реального использования. Это и означает «Комбинаторный взрыв», резкий («взрывной») рост времени выполнения алгоритма при увеличении размера входных данных.

Проблема поиска решений

В языке Пролог эта проблема решалась за счет использования механизма отката и отсечений. Иногда еще уточняли про «красное» и «зеленое» отсечение решений. Но в любом случае, это были алгоритмические механизмы для ограничения количества размера дерева возможных решений, а необходимость их применения все равно остается на программисте.

Но чтобы их правильно реализовывать, нужно знать алгоритм решения, что опять возвращает нас к утверждению о том, что если известен алгоритм, то и программировать его удобнее в императивном стиле.

А если полный алгоритм решения задачи не известен (или не подходит, например из-за большого времени для его работы), то в результате остается либо увеличивать производительность системы, чтобы сократить время выполнения алгоритма, либо искать другое решение, в том числе, сокращая вычислительную сложность поиска решений, например, исключая заведомо не подходящие данные, чтобы уменьшить возможные комбинации их перебора.

Масштабирование производительности

Увеличение производительности тоже бывает разным и работает не во всех случаях. Вертикальное масштабирование производительности одного узла вычислительной среды имеет свой естественный предел. И даже многократное увеличение скорости работы компьютера может лишь отдалить порог терпения пользователя при ожидании получения результата, но не в состоянии принципиально решить саму проблему.

Другое дело горизонтальное масштабирование, при котором выполнение алгоритма запускается на отдельных узлах, которые параллельно решают одну и ту же задачу. Такой способ масштабирования позволяет уже значительно сократить время получения итогового результата для сложных вычислительных задач. И хотя это способ является решением «в лоб», но успехи в области data science доказывают успешность такого подхода.

Конечно, у горизонтального масштабирования тоже есть подводные камни. В первую очередь, сам алгоритм должен допускать возможность параллельного выполнения независимо от других узлов. Также требуется автоматизация управления заданиями, самими вычислительными узлами, да и всей системой в целом.

Тут частично может помочь парадигма функционального программирования, которая ограничивает результат вычисления функций только входными параметрами и результатом выполнения других функций, но сам результат не зависит от состояния системы или иных внешних данных.

Поиск обобщенного решения

Вторым способом решения решения проблемы комбинаторного взрыва является уменьшение вычислительной сложности решения. Тут имеется ввиду не выбор другого алгоритма или решение задачи в символьном виде. Если такое возможно, то все опять сразу сведется к императивному стилю программированию.

Я имею ввиду возможность поиска самого алгоритма решения. Точнее не совсем алгоритма, а возможность применения к входным данным различные методы отбора, чтобы исключить необходимость их полного перебора. По сути, это сводится к применению различных методов и механизмов обработки входных данных с учетом различных закономерностей.

Это возможно как алгоритмическими методами (откат и отсечение в Прологе), так и с применением машинного обучения, которое очень хорошо справляется с поиском различных закономерностей.

Естественно, такой способ подходит не для всех классов задач.
Он не подходит для выявления ВСЕХ возможных решений. Но там где это не требуется, подобные способы уменьшения вычислительной сложности имеют право на существование.

Например, не требуется искать все возможные лекарства от конкретной болезни, достаточно одного, с учетом определенных ограничений, которое гарантированно подействует.

К тому же, даже при нахождении частных решений, всегда существует шанс, что с их помощью получится увидеть не очевидные на первый взгляд закономерности, которые помогут показать новые пути алгоритмического уменьшения вычислительной сложности основной задачи.

Область не решаемых задач

Как вы считает, а реально ли создать язык логического программирования, который бы сам умел автоматизировать поиск решений для задач подобных классов? Или хотя бы имел в своем арсенале встроенные механизмы для автоматизации подобной деятельности?

Императивное и декларативное программирование простым языком — объясняют эксперты

Узнаём у экспертов, как простым языком объяснить суть декларативной и императивной парадигмы программирования.

Начинающему программисту несложно запутаться в различных терминах — взять только объектно-ориентированное, динамическое, императивное и декларативное программирование. Спросили у экспертов, что из себя представляют два последних подхода.

Что такое императивное и декларативное программирование?

Павел Романченко
технический директор центра инновационных технологий и решений «Инфосистемы Джет»

Императивные языки, такие, как Java, Python, JavaScript, C, C++ занимают доминирующее положение в индустрии ПО, соответственно императивное программирование — самое распространённое. Смысл его в том, что императивная программа содержит прямые указания, что должен сделать компьютер и в каком порядке должны выполняться инструкции. Этот подход легко понять программисту, а компилятору — легко породить достаточно эффективный код.

Декларативное программирование распространено не так обширно, как императивное, хотя оказывает большое влияние на мейнстрим. Смысл декларативного программирования в том, что программы пишут в виде некоторых ограничений и правил. Логические языки, такие, как Пролог, предлагают описывать ограничения в виде фактов и правил.

В функциональных языках (другой вариант декларативного программирование) описывают программу в виде функций. Отличие от функций в императивном программировании заключается в том, что функции в функциональном языке являются математическими в том смысле, что они устанавливают отношение между аргументом и результатом, и не могут изменять никаких переменных во время вычислений.

Вообще в декларативных языках обычно отсутствует изменение переменных или обычно спрятано за каким-либо специальным механизмом.

Самый популярный язык РСУБД SQL так же является декларативным. На нём описывается конечный результат, а способ его получения генерируется сервером СУБД исходя из множества факторов.

Декларативное программирование может являться более сложным в понимании, но позволяет писать более безопасный и поддерживаемый код, который легко параллелится. А компиляторы декларативных языков имеют больше возможностей при оптимизации программ.

Конечно, практически все основные языки сочетают в себе элементы и декларативного и императивного программирования. Огромное влияние оказывает функциональное программирование на JavaScript, Java, C++, C# и т.д.

Роман Меньшиков
ведущий системный программист компании «Аэродиск»

Декларативное программирование — это парадигма программирования, в которой задаётся спецификация решения задачи: описывается, что представляет собой проблема и ожидаемый результат, но без описания способа достижения этого результата. Зачастую декларативные программы не используют понятия состояния и, в частности, не содержат переменных и операторов присваивания, обеспечивая ссылочную прозрачность. К подвидам декларативного программирования часто относят и функциональное программирование. Декларативные компьютерные языки часто не полны по Тьюрингу, так как теоретически не всегда возможно порождение исполняемого кода по декларативному описанию.

Императивное программирование — это парадигма программирования, в которой задаётся последовательность действий, необходимых для получения результата. В нём используются переменные, операторы присваивания и составные выражения.

Несмотря на то, что исторически первым был применен декларативный подход в программировании, первые языки программирования компьютеров (машинный, ассемблер, фортран, алгол, кобол) были императивными в силу простоты подхода.

Сейчас широко распространены как узкоспециализированные декларативные языки программирования (HTML + CSS, SVG, VRML, SQL, lex/VACC), в том числе функциональные (Haskell, Erlang, Scala), так и императивные языки (C/C++/C#, Java, Go, Rust, Python). Однако практически все современные языки программирования общего назначения высокого уровня, за исключением некоторых функциональных, относятся к императивным языкам.

Выбор той или иной парадигмы программирования — императивной или функциональной — определяется, главным образом, требованиями к программе и набором достоинств и недостатков каждой из парадигм. Так, например, независимость функций по данным в функциональных языках и отсутствие побочных эффектов чрезвычайно сокращает количество ошибок и позволяет эффективно распараллеливать код. Поэтому для создания высоконагруженных систем с высоким уровнем параллельных вычислений более оправданно выбирать один из функциональных языков.

С другой стороны, неизменность входных данных в функциональных языках программирования затрудняет создание систем, активно выполняющих ввод-вывод и модификацию уже имеющихся данных. Для реализации таких систем предпочтительнее выбирать императивные языки.

Михаил Козин
руководитель отдела разработки ECM «Техносерв Консалтинг»

Императивное программирование — это парадигма, основанная на составлении алгоритма действий (инструкций/команд), которые изменяют состояние (информацию/данные/память) программы. Первыми языками программирования, основанными на таком подходе, были машинные коды и ассемблеры. Фактически, программа на этих языках — это код, который выполняется компьютером сразу, без предварительной компиляции. Из языков высокого уровня, требующих компиляции исходного кода программы в машинный код (или интерпретации), к императивным можно отнести C, C++, Java.

Декларативное программирование — это парадигма, при которой описывается желаемый результат, без составления детального алгоритма его получения. В пример можно привести HTML и SQL. При создании HTML мы с помощью тегов описываем, какую хотим получить страничку в браузере, а не то, как нарисовать на экране заголовок статьи, оглавление и текст. В SQL, если нам нужно посчитать количество сотрудников с фамилией «Сидоров», мы напишем SELECT count(*) FROM employee WHERE last_name = ‘Сидоров’; . Тут ничего не сказано про то, в каком файле или области памяти находятся данные по сотрудникам, как именно выбрать из них всех Сидоровых и нужно ли вообще это делать для подсчёта их количества.

Рассмотрим ещё один пример. Допустим, мы хотим приготовить обед.

В императивной парадигме это выглядит как-то так:

• купить мясо, огурцы, помидоры, соль;
• порезать мясо, посолить;
• поставить сковородку на плиту;
• …

В декларативной: хочу на обед жареное мясо с овощами (неплохо звучит, правда? :)).

Вроде бы различия очевидны. Однако, императивный язык не мешает обобщить и автоматизировать отдельные задачи. Можно реализовать некий «слой» кода, библиотеки, которые будут «уметь» выполнять отдельные этапы алгоритма: определять по рецепту, есть ли в наличии необходимые продукты, заказывать их доставку, пользоваться плитой и т.д. Получится, что программный код императивного языка программирования, использующий такие библиотеки, уже не будет по своей структуре так уж сильно отличаться от декларативного.

На практике, при написании кода и выбора подхода, разработчик отталкивается не только от возможностей и ограничений языка программирования, но и удобства использования той или иной парадигмы в данном конкретном случае.

Что из себя представляют императивное и декларативное программирование?

Если кратко, то императивная программа содержит прямые указания, что должен сделать компьютер и в каком порядке должны выполняться инструкции. Примерами императивных языков являются Java, Python, JavaScript, C, C++.Декларативная же программа состоит из ограничений и правил, из которых компьютер генерирует способ получения результата. Пример декларативного языка: SQL.

Напоминаем, что вы можете задать свой вопрос экспертам, а мы соберём на него ответы, если он окажется интересным. Вопросы, которые уже задавались, можно найти в списке выпусков рубрики. Если вы хотите присоединиться к числу экспертов и прислать ответ от вашей компании или лично от вас, то пишите на experts@tproger.ru, мы расскажем, как это сделать.

Декларативный и императивный подход написания кода

Сегодня мы коснемся темы функционального программирования, а именно различия между декларативным и императивным программированием.

Сначала давай быстро пробежимся по терминам, а потом сравним эти стили программирования и посмотрим, как они отражаются в Java и могут ли сосуществовать в данном языке.

Функциональное программирование — это парадигма, в которой процесс вычисления определяется вычислением значений функций в математическом их понимании, а не в понимании подпрограмм, как в процедурном программировании . То есть в этих двух парадигмах значение слова “функция” трактуется по-разному. Это нужно запомнить и не путать. В Java ты с этим не запутаешься: функции в значении подпрограмм — это “методы”, а функции как математические функции — это просто “функции” (также: лямбда-функции или method reference).

На практике в процедурном программировании функции зависят не только от входных переменных, но и от внешних факторов (например, других переменных вне функции или состояния системы). Таким образом при вызове одной и той же функции с одинаковыми аргументами в различном контексте могут получаться разные результаты. В функциональном же программировании при вызове функции с одинаковыми аргументами мы всегда получаем одинаковый результат, так как функции зависят только от входных данных.

Положительные стороны функционального программирования

• Повышение надежности кода
• Удобство организации модульного тестирования
• Возможности оптимизации кода при компиляции
• Возможности параллелизма

Отрицательные стороны функционального программирования

Недостатки функционального программирования вытекают из все тех же его особенностей:

• Отсутствие присваиваний и замена их на порождение новых данных приводят к необходимости постоянного выделения и автоматического освобождения памяти. Поэтому в системе исполнения функциональной программы обязательным компонентом становится высокоэффективный сборщик мусора.
• Нестрогая модель вычислений приводит к непредсказуемому порядку вызова функций, что создает проблемы при вводе-выводе, где порядок выполнения операций важен.

Краткая справка по функциональному программированию завершена, теперь перейдем непосредственно к стилям программирования.

Императивное программирование — это парадигма программирования, для которой характерны следующие черты:

• В исходном коде программы записываются инструкции (команды).
• Инструкции должны выполняться последовательно.
• Данные, получаемые при выполнении предыдущих инструкций, могут читаться из памяти последующими инструкциями.
• Данные, полученные при выполнении инструкции, могут записываться в память.

Основные черты императивных языков:

• Использование именованных переменных.
• Использование оператора присваивания.
• Использование составных выражений.
• Использование подпрограмм.

Императивная программа похожа на приказы, выражаемые повелительным наклонении в естественных языках, то есть представляют собой последовательность команд.

К императивным языкам программирования относятся C, C++.

Декларативное программирование — парадигма программирования, в которой задается спецификация решения задачи, то есть описывается конечный результат, а не способ его достижения. В качестве примеров декларативных языков можно привести язык разметки HTML. При написании тегов в этом языке мы не задумываемся о том, как элементы будут отрисовываться на странице, мы просто описываем, как эта страница должна выглядеть.

Другой язык декларативного программирования — SQL.

Чтобы сравнить два стиля программирования , рассмотрим пример из реальной жизни: как объяснить человек, как добраться до какого-то места?

Представим ситуацию: к нам подошел человек на улице и спросил: “Как пройти к музею N?”

При императивном подходе мы бы объясняли ему алгоритм того, как добраться туда пешком:

• сейчас развернуться
• идти 2 квартала по прямой
• повернуть направо
• …

При декларативном же подходе мы просто называем адрес, а дальше человек сам, своими силами (инструментами) добирается до нужного места.

Java же на данный момент является мультипарадигмальным языком программирования . Мультипарадигменность заключается в том, что язык поддерживает несколько парадигм.

Во время своего долгого развития язык расширял свою объектно-ориентированную модель для того, чтобы его пользователи получали различные инструменты и могли выбрать лучший для решения каждой конкретной задачи.

Поэтому на данный момент Java поддерживает как и императивный (например, написание кода вызовов методов), так и декларативный подход (например, аннотации, доступные в Runtime).

Подведем итог:

• Существуют различные парадигмы программирования.
• Есть декларативный и императивный подходы.
• Выбирать стоит тот, который лучше будет справляться с решением поставленных задач.
• Java — мультипарадигменный язык, поддерживающий оба подхода.