Wat is declaratief programmeren?

Declaratieve programmering is een paradigma dat zich richt op wat het programma zou eerder moeten presteren dan hoe het zou het moeten bereiken. Veelvoorkomende voorbeelden zijn SQL voor databasequery's en HTML voor webpaginastructuur.

Wat is declaratief programmeren?

Declaratief programmeren is een programmeerparadigma waarbij de focus ligt op het beschrijven van de gewenste uitkomsten of doelen in plaats van het gedetailleerd beschrijven van de specifieke stappen om ze te bereiken. In deze aanpak schrijft een programmeur code die wat het programma zou moeten doen, zonder expliciet te programmeren hoe het zou moeten gebeuren. Dit wordt bereikt door de logica van de berekening te definiëren zonder de controlestroom te dicteren, waardoor het onderliggende systeem de meest efficiënte manier bepaalt om de instructies uit te voeren.

Een voorbeeld van declaratieve programmering

Een van de meest voorkomende voorbeelden van declaratieve programmering is het gebruik van SQL (gestructureerde querytaal) een vraag stellen databankMet SQL kunt u opgeven wat Gegevens die u wilt ophalen zonder details hoe De database moet het ophalen uitvoeren.

SELECT name, age

FROM users

WHERE age > 30;

In dit voorbeeld haalt de SQL-query de naam en leeftijd op van alle gebruikers uit de tabel met gebruikers die ouder zijn dan 30 jaar:

• Declaratief aspectDe code specificeert de gewenste uikomst—dat wil zeggen de naam en leeftijd van gebruikers boven de 30.
• Geen controlestroom. Het specificeert niet hoe de database door de data moet zoeken, hoe de query moet worden geoptimaliseerd of hoe de records moeten worden gesorteerd. Dat wordt allemaal afgehandeld door de database-engine.

Hoe werkt declaratief programmeren?

Zo werkt declaratief programmeren:

1. Hoogwaardige abstracties. Declaratief programmeertalen of frameworks bieden abstracties op hoog niveau waarmee u de gewenste uitkomsten direct kunt uitdrukken. In plaats van elke stap van de berekening te detailleren, definieert u de eigenschappen, voorwaarden of regels die de uiteindelijke staat of uitvoer beschrijven.
2. Uitdrukking van logica. Bij declaratieve programmering beschrijft u de logica van de berekening. In SQL drukt u bijvoorbeeld de voorwaarden uit waaronder gegevens moeten worden opgehaald, of in HTML, beschrijft u de structuur van een webpagina. De logica wordt uitgedrukt in termen van wat u wilt bereiken in plaats van hoe u het wilt bereiken.
3. Onderliggende uitvoering. Het onderliggende systeem, zoals een database-engine, een browser of een compiler, interpreteert de declaratieve code en bepaalt de beste manier om het uit te voeren. Dit systeem is verantwoordelijk voor het afhandelen van de controlestroom, optimalisatie en uitvoeringsstrategieën op basis van de verstrekte declaratieve instructies.
4. Staatsbeheer. Declaratieve programmering abstraheert doorgaans state management. U hoeft de state changes of transitions niet expliciet te beheren. Bijvoorbeeld, in functionele programmering (een subset van declaratieve programmering) zijn functies puur, wat betekent dat ze geen bijwerkingen hebben of afhankelijk zijn van externe state. Dit zorgt voor meer voorspelbare en begrijpelijke code.
5. Evaluatiestrategieën. Veel declaratieve talen gebruiken specifieke evaluatiestrategieën om prestaties en uitvoering te optimaliseren. Zo vertraagt ​​lazy evaluation in functionele programmeertalen de berekening van expressies totdat hun waarden daadwerkelijk nodig zijn. Dit kan leiden tot prestatieverbeteringen en verminderd resourceverbruik.
6. Concentreer je op het wat, niet op het hoe. Uiteindelijk stelt declaratieve programmering ontwikkelaars in staat zich te concentreren op wat het eindresultaat zou moeten zijn dat de complexiteit van hoe om het te bereiken in het onderliggende systeem. Deze scheiding van zorgen leidt vaak tot code die bondiger, gemakkelijker te begrijpen en beter te onderhouden is.

Declaratieve programmeertypen

Declaratieve programmering omvat verschillende typen die zich richten op het beschrijven van wat een programma zou moeten doen in plaats van hoe het gedaan zou moeten worden. Deze typen zijn geschikt voor verschillende domeinen en problemen, waarbij gebruik wordt gemaakt van het kernidee van het specificeren van uitkomsten zonder de stappen om ze te bereiken te detailleren. Elk type declaratieve programmering biedt unieke benaderingen en tools die implementatiedetails abstraheren, waardoor ontwikkelaars zich kunnen richten op de logica en relaties binnen hun code.

Functioneel programmeren

Functioneel programmeren is een declaratief paradigma waarbij programma's worden geconstrueerd door functies toe te passen en samen te stellen. Het benadrukt onveranderlijkheid, eersteklas functies en de afwezigheid van bijwerkingen. Bij functioneel programmeren worden functies behandeld als wiskundige functies, die dezelfde uitvoer voor dezelfde invoer produceren zonder enige externe toestand te wijzigen. Dit leidt tot code die voorspelbaarder en gemakkelijker te testen is.

Logisch programmeren

Logisch programmeren omvat het uitdrukken van logica en relaties tussen feiten met behulp van regels. Een programma geschreven in een logische programmeertaal, zoals Prolog, bestaat uit een set regels en feiten. De interpreter van de taal zoekt naar oplossingen door relaties af te leiden en patronen te matchen, waardoor de programmeur de gewenste resultaten kan specificeren zonder de procedurele stappen om ze te bereiken te schetsen. Dit type is met name nuttig in velden zoals kunstmatige intelligentie en probleemoplossing, waarbij regels en relaties centraal staan.

Domeinspecifieke talen (DSL's)

Domeinspecifieke talen zijn gespecialiseerde declaratieve talen die zijn ontworpen voor specifieke probleemdomeinen. Voorbeelden hiervan zijn SQL voor het bevragen van databases, CSS voor het stylen van webpagina's en reguliere expressies voor patroonmatching in strings. DSL's stellen ontwikkelaars in staat om complexe bewerkingen of configuraties op een beknopte en leesbare manier uit te drukken, afgestemd op een bepaald domein, waarbij de implementatiedetails op laag niveau worden weggeabstraheerd.

Dataflow-programmering

Dataflow-programmering modelleert programma's als een gerichte grafiek van gegevens die tussen bewerkingen stromen. Elk knooppunt in de grafiek vertegenwoordigt een bewerking en elke rand vertegenwoordigt de gegevensstroom. In dit paradigma wordt de uitvoeringsvolgorde bepaald door de gegevensstroom in plaats van een vooraf gedefinieerde reeks instructies. Dit is met name handig in scenario's met parallelle verwerking en reactieve programmering, waarbij de focus ligt op hoe gegevens zich door een systeem voortplanten.

Configuration Management

Configuratiebeheer omvat declaratieve talen die de gewenste status van een systeem of infrastructuur beschrijven. Hulpmiddelen zoals Terraform en Ansible ontwikkelaars in staat stellen de gewenste configuratie te definiëren servers, netwerken en toepassingen, en het systeem zorgt ervoor dat de infrastructuur overeenkomt met deze gewenste status. Deze aanpak abstraheert de procedurele stappen die nodig zijn om de configuratie te bereiken, en richt zich in plaats daarvan op de eindstatus.

Reactieve programmering

Reactief programmeren is een declaratieve benadering die zich richt op asynchrone gegevensstromen. Het stelt ontwikkelaars in staat om afhankelijkheden tussen verschillende stukken gegevens te declareren, zodat wijzigingen automatisch door het systeem worden verspreid. Dit type is vooral handig in scenario's waarin gegevens moeten worden verwerkt of waarop moet worden gereageerd in real time, zoals in gebruikersinterfaces of gebeurtenisgestuurde systemen.

Gebruiksscenario's voor declaratieve programmering

Declaratieve programmering wordt toegepast in verschillende velden waarbij de focus ligt op het specificeren van de gewenste uitkomst in plaats van het gedetailleerd beschrijven van het stapsgewijze proces om deze te bereiken. Hier zijn enkele belangrijke use cases.

Database-query's

Een van de meest voorkomende use cases voor declaratieve programmering is het bevragen van databases met behulp van talen zoals SQL. In SQL beschrijft u de gegevens die u wilt ophalen of bewerken, en de database-engine bepaalt de meest efficiënte manier om de query uit te voeren. Deze aanpak abstraheert de complexiteit van het ophalen en optimaliseren van gegevens, waardoor ontwikkelaars zich kunnen richten op de logica van hun query's.

Ontwikkeling van het Web

Declaratieve programmering wordt veel gebruikt in webontwikkeling via HTML, CSS en moderne frontend frameworks zoals React. HTML en CSS stellen ontwikkelaars in staat om de structuur en styling van webpagina's te declareren zonder te specificeren hoe de browser zou ze moeten weergeven. Reageren, een JavaScript bibliotheek, gebruikt een declaratieve benadering voor het bouwen gebruikersinterfaces door ontwikkelaars de mogelijkheid te geven de UI-status te beschrijven en hoe deze moet veranderen als reactie op gebruikersinteracties.

Configuration Management

In de infrastructuur en de bedrijfsvoering worden declaratieve talen zoals Terraform en Ansible gebruikt om de configuratie van servers, netwerken en applicaties. Met deze tools kunnen engineers de gewenste status van hun infrastructuur aangeven, zoals het aantal servers, netwerkinstellingen en geïnstalleerde software, en de tool zorgt ervoor dat de werkelijke omgeving overeenkomt met deze status. Deze abstractie vereenvoudigt het beheer van complexe omgevingen en zorgt voor consistentie.

Bouw- en implementatiepijplijnen

Declaratieve programmering wordt ook gebruikt om bouw- en implementatiepijplijnen te definiëren in continue integratie/continue implementatie (CI/CD) systemen. Hulpmiddelen zoals Jenkins, GitLab CI en Travis CI stellen ontwikkelaars in staat om de fasen van hun build- en implementatieprocessen te declareren. Het systeem orkestreert deze fasen en verwerkt afhankelijkheden, triggers en parallelisatie automatisch.

Functioneel programmeren in gegevensverwerking

Functioneel programmeren, een subset van declaratief programmeren, wordt vaak gebruikt bij dataverwerkingstaken. Talen zoals Haskell of bibliotheken in talen zoals Python (bijvoorbeeld pandas) stellen ontwikkelaars in staat om datatransformaties te schrijven in een declaratieve stijl. In plaats van te schrijven loops en het beheren van de status, geven ontwikkelaars aan welke transformaties en filters ze op datasets willen toepassen, waardoor de code beknopter en expressiever wordt.

Reactieve programmering

Bij de ontwikkeling van gebruikersinterfaces en realtimesystemen wordt reactieve programmering gebruikt om asynchrone gegevensstromen declaratief te beheren. Zo stelt RxJS in JavaScript ontwikkelaars in staat om met asynchrone gebeurtenissen te werken, zoals gebruikersinvoer of server reacties, door te verklaren hoe deze gebeurtenissen zich door het systeem moeten verspreiden. Deze aanpak vereenvoudigt het verwerken van complexe gebeurtenisgestuurde logica en zorgt ervoor dat de gebruikersinterface responsief blijft.

Zoekmachines en op regels gebaseerde systemen

Declaratieve programmering wordt ook toegepast in zoekmachines en regelgebaseerde systemen, zoals Prolog. In deze systemen declareer je een set regels en relaties, en het systeem leidt de resultaten af ​​op basis van deze declaraties. Dit is met name handig in vakgebieden als kunstmatige intelligentie, waar logische relaties en patroonherkenning belangrijker zijn dan procedurele logica.

Cloud Infrastructuurbeheer

Cloud providers zoals AWS, Azure en Google Cloud bieden declaratieve hulpmiddelen voor het beheer van bronnen in de cloudBijvoorbeeld AWS CloudFormatie stelt ontwikkelaars in staat om de infrastructuur die zij willen, te declareren (bijv. servers, databases, netwerken) in een JSON of YAML-bestand. De cloud De provider zorgt vervolgens voor de inrichting en het beheer van deze bronnen volgens de opgegeven configuratie, waardoor de handmatige stappen die nodig zijn voor het opzetten en schalen van de infrastructuur, worden weggelaten.

Dataflow-programmering in parallelle verwerking

Dataflow-programmering, die programma's modelleert als een grafiek van data die tussen bewerkingen stroomt, wordt vaak gebruikt in parallelle verwerking en streaming data-applicaties. Apache Kafka Streams stelt ontwikkelaars bijvoorbeeld in staat om te declareren hoe data verwerkt en gerouteerd moet worden door verschillende fasen van een pijplijn, waarbij het systeem de complexiteit van parallelle uitvoering en fouttolerantie afhandelt.

Declaratieve versus imperatieve programmering

Declaratieve programmering richt zich op wat het programma moet uitvoeren, waarbij de implementatiedetails worden weggeabstraheerd en de uitvoeringsstrategie aan het onderliggende systeem wordt overgelaten. Dit resulteert in bondigere, leesbare code die vaak gemakkelijker te onderhouden is.

In tegenstelling tot, imperatief programmeren concentreert zich op hoe om een ​​taak te bereiken door expliciet de volgorde van bewerkingen te definiëren die de status van het programma wijzigen. Hoewel imperatieve programmering meer controle biedt over het uitvoeringsproces, kan het leiden tot complexere en minder intuïtieve code, met name naarmate de logica ingewikkelder wordt.

De keuze tussen de twee hangt af van het probleemdomein en de mate van controle die nodig is over de uitvoering van het programma.

Voor- en nadelen van declaratief programmeren

Bij het overwegen van de adoptie van declaratieve programmering is het belangrijk om zowel de voordelen als de mogelijke nadelen af ​​te wegen. In dit gedeelte worden de voor- en nadelen van declaratieve programmering onderzocht, en wordt inzicht gegeven in de sterke punten ervan bij het vereenvoudigen van code en het verbeteren van de leesbaarheid, evenals de uitdagingen die het kan opleveren op het gebied van prestatie-optimalisatie en flexibility. Inzicht in deze aspecten kan helpen bepalen wanneer declaratieve programmering de juiste keuze is voor een bepaald project of probleemdomein.

VOORDELEN

Declaratieve programmering biedt verschillende voordelen die het een aantrekkelijke keuze maken voor ontwikkelaars in verschillende domeinen. Deze sterke punten dragen bij aan de groeiende populariteit van declaratieve benaderingen in moderne softwareontwikkeling:

• Verbeterde leesbaarheid en onderhoudbaarheid. Declaratieve programmering benadrukt het uitdrukken van de logica van wat er gedaan moet worden in plaats van hoe het gedaan moet worden. Dit resulteert in code die vaak bondiger en gemakkelijker te lezen is. Door de procedurele details weg te abstraheren, kunnen ontwikkelaars zich richten op de logica op hoog niveau, waardoor de codebase gemakkelijker te begrijpen en te onderhouden is, vooral naarmate het project groeit.
• Verminderde complexiteit. Door het onderliggende systeem de controlestroom en uitvoeringsdetails te laten verwerken, vermindert declaratieve programmering de complexiteit die ontwikkelaars moeten beheren. Dit is met name gunstig in grote of complexe systemen waar het beheren van status en procedurele logica snel onhandelbaar kan worden. Het vereenvoudigen van deze aspecten kan leiden tot minder bugs en betrouwbaardere software.
• Verbeterde abstractie. Declaratieve talen en frameworks bieden een hoger abstractieniveau, waardoor ontwikkelaars op een meer conceptueel niveau kunnen werken. Deze abstractie zorgt voor een snellere ontwikkeling, omdat ontwikkelaars zich kunnen richten op het definiëren van de gewenste uitkomsten in plaats van vast te lopen in implementatiedetails op laag niveau.
• Gemakkelijker parallelisme en gelijktijdigheid. Declaratieve programmering leent zich vaak van nature voor parallelle en gelijktijdige uitvoering. Omdat de logica zich richt op de wat in plaats van de hoe, optimaliseert en paralleliseert het onderliggende systeem de uitvoering van taken gemakkelijker. Dit is met name handig bij gegevensverwerking, waar bewerkingen over meerdere kunnen worden verdeeld processors of cores zonder expliciete instructies van de ontwikkelaar.
• Consistentie en voorspelbaarheid. Bij declaratieve programmering leidt de focus op onveranderlijkheid en stateloosheid (met name bij functionele programmering) tot code die zich consistent gedraagt ​​in verschillende runs. Omdat er minder afhankelijkheid is van gedeelde status en bijwerkingen, is de code voorspelbaarder, wat testen, debuggen en redeneren over het programma eenvoudiger maakt.
• Domeinspecifieke efficiëntie. Declaratieve programmeertalen, met name domeinspecifieke talen, zijn afgestemd op specifieke taken of branches en bieden een hoge efficiëntie en expressiviteit binnen dat domein. SQL is bijvoorbeeld sterk geoptimaliseerd voor het bevragen van databases, waardoor ontwikkelaars complexe query's kunnen schrijven met relatief eenvoudige en intuïtieve code.
• Gemakkelijker toepassen van best practices. Declaratieve programmering dwingt vaak best practices af door ontwerp. Declaratieve infrastructuurbeheertools zorgen er bijvoorbeeld voor dat systemen consistent en volgens vooraf gedefinieerde standaarden worden geconfigureerd, waardoor het risico op fouten wordt verminderd en de algehele betrouwbaarheid van het systeem wordt verbeterd.

NADELEN

Hoewel declaratieve programmering aanzienlijke voordelen biedt in termen van eenvoud en leesbaarheid, kent het ook nadelen. De nadelen van dit programmeerparadigma zijn onder andere:

• Beperkte controle over de uitvoering. Declaratieve programmering abstraheert de implementatiedetails, wat betekent dat ontwikkelaars minder controle hebben over hoe het onderliggende systeem de code uitvoert. Dit kan een nadeel zijn in scenario's waarin nauwkeurig afgestemde prestatie-optimalisaties nodig zijn, omdat ontwikkelaars mogelijk niet de precieze stappen kunnen dicteren die het systeem neemt.
• Prestatieoverhead. De abstractie in declaratieve programmering kan prestatieoverhead introduceren, omdat het systeem niet altijd het meest efficiënte uitvoeringspad kiest. Hoewel het doel is om automatisch te optimaliseren, is dit niet altijd gegarandeerd, vooral niet in complexe of resource-intensieve applicaties. Als gevolg hiervan kan de prestatie minder voorspelbaar zijn in vergelijking met imperatieve programmering.
• Steilere leercurve voor domeinspecifieke talen (DSL's). Veel declaratieve systemen vertrouwen op domeinspecifieke talen, die een steilere leercurve kunnen hebben. Ontwikkelaars moeten zich vertrouwd maken met deze DSL's en hun specifieke syntaxis en semantiek, wat tijd en moeite kan kosten, vooral bij de overgang van bekendere imperatieve talen.
• Uitdagingen debuggen. De declaratieve code debuggen kan een grotere uitdaging zijn dan imperatieve code, omdat de logica vaak abstracter en minder expliciet is. Omdat de ontwikkelaar de exacte uitvoeringsstroom niet beheert, kan het lastiger zijn om de bron van een fout of een prestatiebottleneck te identificeren, vooral in complexe systemen.
• Gereduceerd flexibiliteit. Declaratieve programmering legt van nature beperkingen op aan de manier waarop problemen kunnen worden opgelost. Dit kan leiden tot verminderde flexability, aangezien ontwikkelaars beperkt kunnen worden door de abstracties en constructies die door de declaratieve taal of het framework worden geboden. In gevallen waarin een zeer aangepaste of onconventionele oplossing nodig is, kan dit gebrek aan flexHet vermogen om te communiceren kan een aanzienlijke beperking zijn.