Коротко о каждой парадигме, по одному реальному примеру преимущества и как выбор языка (C++, Haskell, Prolog) влияет на выразительность, безопасность и производительность.
Императивное программирование
- Суть: явное управление состоянием и последовательностью команд (изменяемые переменные, циклы, побочные эффекты).
- Где очевидно преимущество (реальный пример): реализация движка игры, драйвера устройства или аллокатора памяти — нужен детерминизм времени выполнения, управление памятью и низкоуровневые оптимизации.
- Почему: прямой контроль над состоянием и памятью позволяет минимизировать накладные расходы и добиться предсказуемой производительности (например, игровой цикл с обработкой $n$ объектов работает за приблизительно $O(n)$).
- Язык: C++
- Выразительность: высокая для системного кода и шаблонного метапрограммирования.
- Безопасность: низкая по умолчанию — UB, ручное управление памятью. Современные стандарты и RAII повышают безопасность, но программист отвечает.
- Производительность: очень высокая при оптимальном коде и без сборщика мусора; можно достигать близко к аппаратному уровню.
Функциональное программирование
- Суть: вычисления как приложение функций, предпочтение чистых функций, неизменяемости, первые классы функций, часто ленивость.
- Где очевидно преимущество (реальный пример): параллельная и потоковая обработка данных (map/reduce, конвейеры трансформаций), реализация трансформаций AST в компиляторах.
- Почему: ссылочная прозрачность упрощает параллелизм и формальные доказательства корректности; ленивость позволяет работать с бесконечными структурами.
- Пример сложности: преобразование списка длины $n$ с чистым map — часто выражается просто и параллелизуется тривиально, сохраняя сложность порядка $O(n)$.
- Язык: Haskell
- Выразительность: очень высокая для абстракций (монады, higher-order, ленивые структуры).
- Безопасность: сильная статическая типизация, чистота функций уменьшает класс ошибок; меньшая вероятность побочных ошибок.
- Производительность: хорошая для задач с интенсивной алгеброй и оптимизациями компилятора, но GC и абстракции могут давать накладные расходы по сравнению с C++; в некоторых случаях сопоставима с С++ при профильной оптимизации.
Логическое (декларативное) программирование
- Суть: программа как набор фактов и правил; вычисление — поиск моделей/подстановок (унфикация, бэктрекинг).
- Где очевидно преимущество (реальный пример): задачи поиска и ограничений — планирование, расписания, решение головоломок (Sudoku), экспертные системы, прототипирование семантических правил.
- Почему: можно декларативно описать отношения/ограничения, а механизм поиска сделает остальное; код компактный и читабельный для логики задачи. Поиски часто экспоненциальны, примерный рост поиска $O(b^d)$ (где $b$ — branching factor, $d$ — глубина).
- Язык: Prolog
- Выразительность: очень высокая для задач, формулируемых как правила/факты; хорош для прототипов логики и ИИ-правил.
- Безопасность: декларативность облегчает корректность логики, но отсутствие строгой типовости может приводить к ошибкам на уровне данных; контроль за поиском/эффективностью требует дисциплины.
- Производительность: эффективен для символических задач и небольших пространств поиска; при больших пространствах поиска и сложных ограничениях — медленнее и требует оптимизаций (ограничения, пропагация).
Короткие практические выводы
- Если критична низкоуровневая скорость и контроль — императивный C++ (или системный язык).
- Если важна корректность, параллелизм и абстракции — функциональный подход (Haskell или функциональные части в других языках).
- Если задача — декларация отношений/ограничений и быстрый прототип поиска — логическое (Prolog) даёт выигрыш в выразительности и скорости разработки.
- Часто гибридный подход — использовать сильные стороны каждой парадигмы (например, C++ для критичных участков, Haskell для корректных трансформаций, Prolog/CP-SAT для задач ограничения).