编程范式（Programming paradigm）是指某种编程语言典型的编程风格或编程方式。 编程范式是编程语言的一种分类方式，它并不针对某种编程语言。就编程语言而言，一种编程语言也可以适用多种编程范式。

编程范式有很多种，常见的就几种，包括面向过程（结构化），函数式（声明式），面向对象。

{% asset_img relationship.png 编程范式关系 %}

但是为什么会有这么多种编程范式？

通过将现实问题映射至数学问题，在利用图林机就可以使用程序解决现实生活中问题

但是现实问题到图灵机中程序之间存在着映射为数学问题的过程，这一过程中的问题就有程序员来实现，但是在实现的方法上，也就是编程范式就会存在不同，因此诞生了多种编程范式。 这些编程范式作为编程的思维底座，程序员在其之上进行编程解决问题；思维底座越高，程序员需要进行的操作越少。

但是不同编程范式都有优劣，同时对硬件的消耗也不同，应当更根据不同的需求进行选择。

编程范式的发展

{% asset_img paradigm-history.png 发展历史 %}

非结构化编程

从最底层的开始说就是机械语言，即 0 和 1。使用这种二进制的序列进行指令的表达和数据的存储。基本没有阅读性。 然后向上就是汇编，使用助记符号进行指令表示，虽然有了可读性，但是仍然很痛苦。

这两种语言硬说编程范式，那就是非结构化编程。程序中充斥着 goto，难以维护，最终达成共识 goto 有害。

{% asset_img none-struct.png 非结构化编程 %}

结构化编程

结构化编程中最重要也是最主要的也就是 c 语言了，它对计算机进行了恰当的抽象，并且掩盖了诸多细节。

当高级语言大行其道以后，人们开发的程序规模逐渐膨胀，这时如何组织程序变成了新的挑战。有一种语言搭着 C 语言的便车将面向对象的设计风格带入主流视野，这就是 C++，它完全兼容 C 语言。在很长一段时间内，C++ 风头十足，成为行业中最主流的编程语言。后来，计算机硬件的能力得到了大幅提升，Java 语言脱颖而出。Java 语言假设程序的代码空间是开放的，在 JVM 虚拟机上运行，一方面支持面向对象，另一方面支持 GC 功能。

{% asset_img structed.png 结构化编程 %}

函数式编程

前面的编程范式发展是程序语言发展的主要路径，但是还有一只非主流的，即函数式编程。 作为代表的就是 Lisp。主要理论基础就是 Lambda 演算。 它使用的是抽象代数的思维。更贴近自然科学，更靠近使用数学问题解决现实问题。

但是在实际情况中，越是抽象的计算，离计算机硬件越远，其执行效率也越低，在以往的环境下，运行性能并不能得到支撑，所以很长一段时间内函数式编程被认作工程上不成熟的编程范式。

当硬件的性能不再成为阻碍，如何解决问题开始变得越来越重要时，函数式编程终于和编程语言发展的主流路径汇合了。促进函数式编程引起广泛重视还有一些其他因素，比如多核 CPU 和分布式计算。

{% asset_img functional-programm.png 函数式编程 %}

多范式编程

无论在以结构化编程为主的语言中引入面向对象编程，还是在以面向对象编程为主的语言中引入函数式编程，在一个程序中应用多范式已经成为一个越来越明显的趋势。 不仅仅在设计中，越来越多的编程语言逐步将不同编程范式的内容融合起来。C++ 从 C++ 11 开始支持 Lambda 表达式，Java 从 Java 8 开始支持 Lambda 表达式，同时新诞生的语言一开始就支持多范式，比如 Scala，Go 和 Rust 等。

面向过程编程（procedure oriented programming）

分析出解决问题所需要的步骤，然后用函数把这些步骤一步一步实现，使用的时候一个一个依次调用就可以了。

将程序抽象成算法+数据结构 数据结构描述待处理数据的组织形式，而算法描述具体的操作过程。

优点：

• 性能高，比如单片机、嵌入式开发、 Linux/Unix 等一般采用面向过程开发，性能是最重要的因素
• 符合自然逻辑，更易理解

缺点：

• 临时变量多
• 不易维护
• 复用程度低
• 不易扩展
• 可读性低
• 由于设计问题可能存在大量耦合

面向对象编程（object oriented programming）

把构成问题的事务分解成各个对象，建立对象的目的不是为了完成一个步骤，而是为了描叙某个事物在整个解决问题的步骤中的行为。

将程序抽象为对象+关系

面向对象的特点

• 封装：属性和方法封装在类里，掩盖细节，某种程度上的解耦，面向对象的根基
• 继承：类型系统，子类对父类的属性和方法的继承，子类也会有自己的属性和方法，代码的复用
  • 实现继承：从子类角度看
  • 接口继承：从父类的角度看
• 多态：子类对父类继承来的属性和方法进行调整，重写，接口继承是常见的一种多态的实现方式，面向对象的关键

正因为多态的存在，软件设计才有了更大的弹性，能够更好地适应未来的变化。只使用封装和继承的编程方式，我们称之为基于对象编程，而只有把多态加进来，才能称之为面向对象编程。可以这么说，面向对象设计的核心就是多态的设计。

优点：

• 易维护、易复用、易扩展
• 由于面向对象有封装、继承、多态性的特性，可以设计出低耦合的系统
• 更加灵活、更加易于维护  缺点：
• 性能比面向过程低，因为类调用时需要实例化，开销比较大，比较消耗资源

函数式编程（functional programming）

虽然也可以归结到面向过程的程序设计，但其思想更接近数学计算。 其一个特点就是，允许把函数本身作为参数传入另一个函数，还允许返回一个函数！

函数式编程是一种抽象程度很高的编程范式，==纯粹的函数式编程语言编写的函数没有变量==， 因此，任意一个函数，只要输入是确定的，输出就是确定的，这种纯函数我们称之为没有副作用。 而允许使用变量的程序设计语言，由于函数内部的变量状态不确定，同样的输入，可能得到不同的输出，因此，这种函数是有副作用的。

函数式编程的特点

• 函数是一等公民：
  • 它可以按需创建
  • 它可以存储在数据结构中
  • 它可以当作参数传给另一个函数
  • 它可以当作另一个函数的返回值
• 纯函数：
  • 对于相同的输入，返回相同的输出
  • 没有副作用
• 惰性求值：一种求值策略，它将求值的过程延迟到真正需要这个值的时候
• 不可变数据：不变性主要体现在值和纯函数上
  • 值一旦创建，就不能修改，除非重新创建
  • 值保证不会显式修改一个数据，纯函数保证不会隐式修改一个数据
  • 当你深入学习函数式编程时，会遇到无副作用、无状态和引用透明等说法，其实都是在讨论不变性
• 递归：函数式编程用递归作为流程控制的机制，一般为尾递归

高阶函数和闭包

所谓高阶函数就是能够接受函数作为参数，以及将函数作为返回值的函数。

而闭包则是函数+引用环境组成的实体 闭包的特点有：

• 闭包有独立生命周期，能捕获上下文（环境）
• 闭包的设计粒度更小，创建成本更低，很容易做组合式设计
• 易于组合易于重用的，并且是易于应对变化的

闭包是穷人的对象，对象是穷人的闭包 有的语言没有闭包，你没有办法，只能拿对象去模拟闭包。又有一些语言没有对象，但单一接口不能完整表达一个业务概念，你没有办法，只能将多个闭包组合在一起当作对象用。

优点：

• 高度的抽象，易于扩展：函数式编程是数据化表达，非常抽象，在表达范围内是易于扩展的
• 声明式表达，易于理解
• 形式化验证，易于自证
• 不可变状态，易于并发：数据不可变不是并发的必要条件，不共享数据才是，但不可变使得并发更加容易

缺点：

• 对问题域的代数化建模门槛高，适用域受限：现实是复杂的，不是在每个方面都是自洽的，要找到一套完整的规则映射是非常困难的。在一些狭窄的领域，可能找得到，而一旦扩展一下，就会破坏该狭窄领域，你发现以前找到的抽象代数建模方式就不再适用了。
• 在图灵机上性能较差：函数式编程增加了很多中间层，它的规则描述和惰性求值等使得优化变得困难。
• 不可变的约束造成了数据泥团耦合：领域对象是有状态的，这些状态只能通过函数来传递，导致很多函数有相同的入参和返回值。
• 闭包接口粒度过细，往往需要再组合才能构成业务概念

参考资料

面向过程编程（pop），面向对象编程（oop），函数式编程（fp）_大海和天空的博客-CSDN博客_面向过程编程 前端60s 一分钟了解编程范式 - 掘金 聊聊编程范式 - 简书