Programação Funcional: o que é e como impulsiona a performance do software

A Programação Funcional é um paradigma de programação que trata a computação como uma avaliação de funções matemáticas, evitando mudanças de estado e dados mutáveis. Nesse sentido, na criação de produtos digitais, sua relevância é significativa, pois contribui para o desenvolvimento de software mais robusto e menos propenso a erros. Além disso, a Programação Funcional facilita a concorrência e a execução de operações simultâneas, melhorando a eficiência e o desempenho das aplicações.

Todo desenvolvedor concorda que um dos objetivos ao escrever código é mantê-lo livre de bugs e comportamentos inesperados. Pensando nisso, nos últimos anos, diversos conceitos fundamentais da Programação Funcional foram incorporados em famosas linguagens de programação. No artigo a seguir, iremos entender o que são esses paradigmas, além de algumas das características fundamentais da Programação Funcional.

O que é Programação Funcional?

Diferente dos Paradigmas Imperativos, onde o foco está em como as tarefas são realizadas, a Programação Funcional se concentra em “o que” deve ser realizado, utilizando funções puras, composição de funções e recursão. Afinal, esse estilo de programação facilita a criação de códigos mais previsíveis, modulares e testáveis.

Na prática, a Programação Funcional oferece diversos benefícios que podem impulsionar a inovação e proporcionar vantagem competitiva. Entre os principais estão:

• Código mais limpo e modular: a Programação Funcional facilita a manutenção e a escalabilidade de produtos digitais. Funções puras, que não dependem de estados externos, podem ser facilmente testadas e reutilizadas.
• Redução de erros: ao evitar estados mutáveis e efeitos colaterais, é possível reduzir a probabilidade de bugs e comportamentos inesperados. Isso resulta em um software mais confiável e estável.
• Concorrência e paralelismo: a natureza imutável dos dados na Programação Funcional facilita a implementação de concorrência e paralelismo. Isso é especialmente importante, pois pode levar a significativas melhorias de desempenho.
• Maior facilidade na depuração e testes: funções puras simplificam o processo de depuração e testes, permitindo identificar e corrigir problemas de forma mais ágil.
• Inovação contínua: a Programação Funcional incentiva novas abordagens e tecnologias, influenciando o desenvolvimento de ferramentas e linguagens e promovendo soluções digitais mais inovadoras.
• Adaptação às mudanças: a modularidade e a clareza do código funcional permitem respostas rápidas às necessidades dos clientes, oferecendo vantagem competitiva em um mercado dinâmico.

Esses benefícios tornam a Programação Funcional uma ferramenta essencial para empresas que buscam inovação efetiva e vantagem competitiva no desenvolvimento de software e aplicativos.

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Paradigma Funcional vs Outros Paradigmas

No começo de qualquer curso da área de desenvolvimento, é ensinado o conceito de algoritmo, com a clássica explicação de que, para resolver um problema, deve-se criar um fluxo de atividades e executar etapa por etapa. Por exemplo, se o objetivo é calcular o resultado obtido por um estudante no final do semestre, o professor pode propor: somem as notas X e Y, e depois dividam esse valor por dois. Se a soma for maior que sete o aluno está aprovado, caso contrário, será reprovado. Mesmo sem saber, o aluno está sendo instruído a seguir um paradigma de programação.

Assim como as linguagens naturais têm similaridades, as linguagens de programação podem ser categorizadas conforme sua sintaxe e abordagem. Um paradigma reflete a visão do programador sobre o problema e como ele pensa em resolvê-lo. No exemplo citado, somos introduzidos ao Paradigma Procedural, onde o programa é uma lista de instruções seguidas em ordem pela máquina. Linguagens como C, C++ e Pascal pertencem a essa categoria.

Ao se envolver em novos projetos e buscar soluções, o Programador encontra outros paradigmas, como o orientado a objetos e o funcional. O Paradigma Orientado a Objetos, exemplificado por linguagens como Java e C#, é amplamente utilizado por profissionais. Já o Paradigma Funcional, antes restrito ao meio acadêmico, está ganhando cada vez mais destaque no mercado de trabalho.

Em resumo, a Programação Funcional difere significativamente de outros paradigmas. Enquanto o orientado a objetos organiza o código em torno de objetos que encapsulam dados e comportamentos, a Programação Funcional se baseia em funções puras, imutabilidade e a ausência de efeitos colaterais. Essa abordagem resulta em código mais previsível e modular, facilitando a manutenção e a escalabilidade.

Linguagens Funcionais e suas aplicações

Os princípios da Programação Funcional não se limitam a um pequeno grupo de linguagens e podem ser aplicados como guias mesmo em linguagens mais procedurais. No entanto, seu potencial é maximizado quando utilizados em linguagens de Programação Funcional, que são totalmente equipadas para lidar com esses cenários. Entre essas linguagens, destacam-se Haskell, Scala, Clojure e F#.

Haskell é uma linguagem de Programação Funcional pura, conhecida por sua forte tipagem estática. Aplicações:

• Desenvolvimento de sistemas: usada em sistemas críticos pela segurança e previsibilidade.
• Finanças: adotada por empresas financeiras para sistemas robustos e confiáveis.
• Compiladores e análise: ideal para criar compiladores e ferramentas de análise de código devido à sua natureza matemática.

Já o Scala combina Programação Funcional e orientação a objetos, sendo versátil e compatível com Java, aproveitando seu vasto ecossistema de bibliotecas. Aplicações:

• Big Data: principal linguagem do Apache Spark para processamento de grandes volumes de dados.
• Desenvolvimento web: usada para construir back-ends escaláveis com frameworks como Play.
• Fintech: aplicada no setor financeiro pela robustez e capacidade de lidar com alta concorrência.

Por outro lado, o Clojure é uma linguagem funcional que roda na JVM, conhecida por suportar imutabilidade e programação concorrente. Aplicações:

• Desenvolvimento de aplicações web: utilizada para construir aplicações robustas e escaláveis com frameworks como Ring e Compojure.
• Data Science: empregada em projetos de ciência de dados devido à sua sintaxe expressiva e capacidade de lidar com grandes conjuntos de dados.
• Automação e DevOps: escolhida para criar ferramentas de automação e scripts pela eficiência e simplicidade que oferece.

Além dessas, Elixir (criado por um brasileiro) também merece menção especial. Essas linguagens exemplificam como a Programação Funcional pode ser aplicada efetivamente em diversas áreas de produtos digitais, pois oferecem vantagens significativas em termos de escalabilidade, manutenção e desempenho.

Funções puras: previsibilidade e facilidade de teste

Primeiramente, o que é uma função? Recordando os conceitos matemáticos, podemos pensar como uma expressão em que dado o valor X, ele retorna Y. X não retorna Z, mas apenas Y. Pense em uma função chamada ‘dobrar’, em que ela recebe um valor e retorna este multiplicado por dois. Caso for enviado o valor ‘2’, o único retorno possível é ‘4’, e nada mais. Por meio disso, entendemos outra definição importante, o de funções puras e impuras.

Uma função pura segue essa lógica: só existe um retorno para um determinado valor. Isso evita os chamados efeitos colaterais, que nada mais são do que interações com o ambiente fora da função e que podem gerar comportamentos indesejados. A imagem abaixo ilustra bem esse cenário. No primeiro caso, a função ‘dobrar’ pode ser classificada como impura, pois ela altera um valor de fora do escopo; diferente do segundo caso, que utiliza de um argumento para gerar um novo valor.

O terceiro caso já mostra um exemplo mais comum, o de salvar informações no banco de dados. Pensemos no seguinte: é possível garantir que o retorno sempre será o mesmo? Como existe uma comunicação com algo externo à função – no caso, a conexão com o banco de dados –, então irão existir efeitos colaterais que podem mudar o valor do retorno. Em um momento pode ser armazenado com sucesso, em outro pode haver uma perda de conexão, dentre outras situações. Logo, essa função também é categorizada como impura.

Dessa forma, destacamos que as funções puras contribuem significativamente para a confiabilidade do software de várias maneiras:

1. Determinismo;
2. Testabilidade;
3. Modularidade;
4. Imutabilidade.

Portanto, ao utilizar funções puras, os desenvolvedores podem construir sistemas mais confiáveis, previsíveis e fáceis de entender e manter ao longo do tempo.

Imutabilidade: evitando efeitos colaterais

Além das funções impuras, ter um estado compartilhado é outro ponto sensível numa aplicação. Mas, e se esse estado não estiver sincronizado entre as partes que o consomem? O Paradigma Funcional também propõe a imutabilidade, ou seja, evitar o uso de variáveis ou alterar as propriedades de um objeto. Quando é necessária uma alteração de estado, nunca se altera o seu valor, mas sim cria-se um.

Para isso, muitas linguagens adotam o conceito de constantes. A partir da versão ES2016 do JavaScript, foi adicionado a palavra-chave ‘const’, que impede que um dado uma vez atribuído receba um novo valor.

A imutabilidade é fundamental na Programação Funcional por várias razões:

1. Evita efeitos colaterais: dados imutáveis garantem que, uma vez criados, seus valores não podem ser modificados, eliminando o risco de efeitos colaterais não intencionais.
2. Facilita o entendimento e manutenção do código: como não há mudanças nos dados após sua criação, é mais fácil entender como e onde os dados são utilizados, facilitando a manutenção.
3. Suporte a concorrência e paralelismo: dados imutáveis eliminam a necessidade de sincronização explícita entre threads ou processos, pois não há risco de corrupção de dados devido a modificações concorrentes.
4. Promove a modularidade: incentiva a criação de funções puras, que operam apenas com seus argumentos e que não têm efeitos colaterais. Isso facilita a composição de funções e o desenvolvimento de código modular e reutilizável.
5. Melhora a performance: o uso de dados imutáveis pode otimizar a performance do programa, pois evita cópias desnecessárias de dados mutáveis e simplifica o gerenciamento de memória.

Em síntese, a imutabilidade não apenas fortalece os princípios da Programação Funcional, como também ajuda a evitar problemas comuns em desenvolvimento de software, como bugs difíceis de reproduzir, dificuldades na manutenção de código e problemas de concorrência.

Programação Declarativa

Unido também ao objetivo de tornar um código mais legível, o código programado de forma declarativa usa de funções e composição de funções para explicitar o que o programa está fazendo. Isso difere de um código imperativo, em que o programador define o passo a passo que a máquina deve tomar.

Em resumo, um código imperativo é escrito mostrando como chegar a um objetivo. Já um código declarativo mostra o que está acontecendo. Em comparação, é muito mais fácil dar manutenção a um código claro e explícito do que ler um programa em que se precisa percorrer as variáveis do sistema para entender o que está acontecendo.

A importância das funções

Essa abordagem se harmoniza muito bem com o Paradigma Funcional, pois essas linguagens provêm funções especiais em que é possível realizar o encadeamento de processos e a transformação de dados. É o caso, por exemplo, de três funções bem conhecidas: map, filter e reduce, responsáveis respectivamente por transformar, filtrar e reduzir uma lista ou vetor.

Veja nos exemplos abaixo como elas podem ser usadas para melhorar a legibilidade. Digamos que o objetivo seja formar uma frase com palavras capitalizadas: “Programação Funcional é vida”.

No primeiro exemplo, fica o questionamento: ao ter a primeira impressão do código, fica claro o que ele está fazendo? Não precisaríamos analisar o loop, as funções e as variáveis com cuidado para entender melhor? O código recorre a um baixo nível para chegar no resultado, até mesmo manipulando o índice e a posição do vetor. Por outro lado, é um código que utiliza das funções especiais comentadas.

Já no exemplo acima, a situação é diferente. As funções deixam explícita qual é a intenção do código e os passos são definidos por meio do encadeamento de processos. Primeiramente, ele filtra apenas letras e então transforma cada palavra ao capitalizá-la, depois reduz a lista de palavras a uma única cadeia de caracteres e, por último, remove espaços desnecessários.

No segundo caso, também vemos uma demonstração de dois conceitos importantes para o paradigma: (1) First Class Functions: uma função é tratada como tipo e, portanto, pode ser armazenada também em uma variável/constante. No exemplo, as constantes ‘Only Letters’, ‘capitalized’ e ‘concatWords’ referenciam funções. (2) Higher Order Functions: uma função pode receber outra função como argumento ou retornar uma nova. É o que acontece nas funções filter, map e reduce, que possuem as funções mencionadas como parâmetros.

Exemplos e aplicações reais

Conforme o próprio site diz, o “Elixir é uma linguagem de Programação Funcional dinâmica, feita para construir aplicações escaláveis e de fácil manutenção”. Sua sintaxe simples e funcionalidades como o pattern matching facilitam a legibilidade do código. Já a tolerância a falhas (fault tolerance) e o modelo de atores (actor model) tornam natural programar visando concorrência e distribuição. Não é por nada que grandes empresas como o Pinterest e Discord estão utilizando essa tecnologia e têm seus cases publicados em blogs. Logo, Elixir é uma boa indicação para aqueles que querem explorar mais o paradigma.

Com um crescimento exponencial de usuários e conteúdo, o Pinterest precisava de uma arquitetura que pudesse escalar de maneira eficiente e manter alta performance, especialmente em seus sistemas de notificação e feed. Para isso, adotou Elixir para construir sistemas que exigem alta concorrência e distribuição.

De forma prática, a adoção de linguagens funcionais, como Elixir e Erlang, permite que as empresas lidem com altos volumes de tráfego e operações concorrentes de maneira eficiente. Além disso, a simplicidade e legibilidade das linguagens funcionais facilitam a manutenção e a extensão do código. Isso é vital para empresas que precisam iterar rapidamente e introduzir novas funcionalidades sem comprometer a estabilidade do sistema.

Conclusão

Em suma, a Programação Funcional é crucial para gestores de tecnologia, devido aos seus benefícios significativos: criação de código mais robusto e estável por meio de funções puras e imutáveis, facilitando testes e reduzindo erros. Ela também otimiza a concorrência e paralelismo, melhorando a eficiência das aplicações, além de promover inovação efetiva e adaptação ágil às mudanças do mercado. Ou seja, essas vantagens fazem da Programação Funcional uma estratégia essencial para impulsionar a qualidade e competitividade de produtos digitais.

Significa, então, que todo programador deve dominar conhecimentos em Programação Funcional? Não, pois consideram todos como meios para chegar a um fim. Mas, qual desses meios gera maiores desafios? Cabe ao profissional decidir, levando em conta o contexto do projeto e suas aspirações pessoais.

Na SoftDesign, Pessoas Programadoras participam desde a fase de Experimentação de Mercado até o Desenvolvimento de Software. Para isso, profissionais competentes, colaborativos e com conhecimentos em diversas linguagens de programação são essenciais. Logo, se você precisa de ajuda para desenvolver produtos de sucesso, entre em contato com nossos especialistas. Juntos, criamos produtos digitais de impacto.

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