Reaktiivinen ohjelmointi

Tarkastellaan seuraavaksi lyhyesti reaktiivisten sovellusten ohjelmointia. Tutustumme ensin pikaisesti funktionaaliseen ohjelmointiin sekä reaktiiviseen ohjelmointiin, jonka jälkeen nämä yhdistetään. Lopuksi katsotaan erästä tapaa lisätä palvelimen ja selaimen välistä vuorovaikutusta.

Funktionaalinen ohjelmointi

Funktionaalisen ohjelmoinnin ydinajatuksena on ohjelmakoodin suorituksesta johtuvien sivuvaikutusten minimointi. Sivuvaikutuksilla tarkoitetaan ohjelman tai ympäristön tilaan vaikuttavia epätoivottuja muutoksia. Sivuvaikutuksia ovat esimerkiksi muuttujan arvon muuttuminen, tiedon tallentaminen tietokantaan tai esimerkiksi käyttöliittymän näkymän muuttaminen.

Keskiössä ovat puhtaat ja epäpuhtaat funktiot. Puhtaat funktiot noudattavat seuraavia periaatteita: (1) funktio ei muuta ohjelman sisäistä tilaa ja sen ainoa tuotos on funktion palauttama arvo, (2) funktion palauttama arvo määräytyy funktiolle parametrina annettavien arvojen perusteella, eikä samat parametrien arvot voi johtaa eri palautettaviin arvoihin, ja (3) funktiolle parametrina annettavat arvot on määritelty ennen funktion arvon palauttamista.

Epäpuhtaat funktiot taas voivat palauttaa arvoja, joihin vaikuttavat myös muutkin asiat kuin funktiolle annettavat parametrit, jonka lisäksi epäpuhtaat funktiot voivat muuttaa ohjelman tilaa. Tällaisia ovat esimerkiksi tietokantaa käyttävät funktiot, joiden toiminta vaikuttaa myös tietokannan sisältöön tai jotka hakevat tietokannasta tietoa.

Funktionaaliset ohjelmointikielet tarjoavat välineitä ja käytänteitä jotka "pakottavat" ohjelmistokehittäjää ohjelmoimaan funktionaalisen ohjelmoinnin periaatteita noudattaen. Tällaisia kieliä ovat esimerkiksi Haskell, joka on puhdas funktionaalinen ohjelmointikieli eli siinä ei ole mahdollista toteuttaa epäpuhtaita funktioita. Toinen esimerkki on Clojure, jossa on mahdollista toteuttaa myös epäpuhtaita funktiota — Clojureen löytyy myös erillinen nyt jo hieman vanhentunut Helsingin yliopiston kurssimateriaali Functional programming with Clojure.

Funktionaalisen ohjelmoinnin hyötyihin liittyy muunmuassa testattavuus. Alla on annettuna esimerkki metodista, joka palauttaa nykyisenä ajanhetkenä tietyllä kanavalla näkyvän ohjelman.

public TvOhjelma annaTvOhjelma(Opas opas, Kanava kanava) {
    Aikataulu aikataulu = opas.annaAikataulu(kanava);
    return aikataulu.annaTvOhjelma(new Date());
}

Ylläolevan metodin palauttamaan arvoon vaikuttaa aika, eli sen arvo ei määräydy vain annettujen parametrien perusteella. Metodin testaaminen on vaikeaa, sillä aika muuttuu jatkuvasti. Jos määrittelemme myös ajan metodin parametriksi, paranee testattavuus huomattavasti.

public TvOhjelma annaTvOhjelma(Opas opas, Kanava kanava, Date aika) {
    Aikataulu aikataulu = opas.annaAikataulu(kanava);
    return aikataulu.annaTvOhjelma(aika);
}

Funktionaalisessa ohjelmoinnissa käytetään alkioiden käsittelyyn työvälineitä kuten map ja filter, joista ensimmäistä käytetään arvon muuntamiseen ja jälkimmäistä arvojen rajaamiseen. Alla olevassa esimerkissä käydään läpi henkilölista ja valitaan sieltä vain Maija-nimiset henkilöt. Lopulta heiltä valitaan iät ja ne tulostetaan.

List<Henkilo> henkilot = // .. henkilo-lista saatu muualta

henkilot.stream()
        .filter(h -> h.getNimi().equals("Maija"))
        .map(h -> h.getIka())
        .forEach(System.out::println);

Ylläolevassa esimerkissä henkilot-listan sisältö ei muutu ohjelmakoodin suorituksen aikana. Periaatteessa — jos useampi sovellus haluaisi listaan liittyvät tiedot — kutsun System.out::println voisi vaihtaa esimerkiksi tiedon lähettämiseen liittyvällä kutsulla.

Reaktiivinen ohjelmointi

Reaktiivisella ohjelmoinnilla tarkoitetaan ohjelmointiparadigmaa, missä ohjelman tila voidaan nähdä verkkona, missä muutokset muuttujiin vaikuttavat myös kaikkiin niistä riippuviin muuttujiin. Perinteisessä imperatiivisessa ohjelmoinnissa alla olevan ohjelman tulostus on 5.

int a = 3;
int b = 2;
int c = a + b;
a = 7;

System.out.println(c);

Reaktiivisessa ohjelmoinnissa asia ei kuitenkaan ole näin, vaan ohjelman tulostus olisi 9. Lauseke int c = a + b; määrittelee muuttujan c arvon riippuvaiseksi muuttujista a ja b, jolloin kaikki muutokset muuttujiin a tai b vaikuttavat myös muuttujan c arvoon.

Reaktiivista ohjelmointia hyödynnetään esimerkiksi taulukkolaskentaohjelmistoissa, missä muutokset yhteen soluun voivat vaikuttaa myös muiden solujen sisältöihin, mitkä taas mahdollisesti päivittävät muita soluja jne. Yleisemmin ajatellen reaktiivinen ohjelmointiparadigma on kätevä tapahtumaohjatussa ohjelmoinnissa; käyttöliittymässä tehtyjen toimintojen aiheuttamat muutokset johtavat myös käyttöliittymässä näkyvän tiedon päivittymisen.

Termi reaktiivinen ohjelmointi (reactive programming) on kuormittunut, ja sillä on myös toinen yleisesti käytössä oleva merkitys. Reaktiivisella ohjelmoinnilla tarkoitetaan myös reaktiivisten sovellusten kehittämistä.

Funktionaalinen reaktiivinen ohjelmointi

Funktionaalinen reaktiivinen ohjelmointi on funktionaalista ohjelmointia ja reaktiivista ohjelmointia yhdistävä ohjelmointiparadigma. Järjestelmiä on karkeasti jakaen kahta tyyppiä, joista toinen perustuu viestien lähettämiseen (viestejä välitetään verkon läpi kunnes tulos saavutettu) ja toinen viestien odottamiseen (odotetaan kunnes tulokselle on tarvetta, ja tuotetaan tulos).

Web-sovellusten kontekstissa reaktiivisilla web-sovelluksilla tarkoitetaan tyypillisesti funktionaalista reaktiivista ohjelmointia. Tutustutaan aiheeseen lyhyesti seuraavassa tehtävässä käsiteltävän oppaan avulla.