Что такое библиотека в программировании

В мире программирования библиотеки играют ключевую роль, обеспечивая разработчиков не только множеством готовых решений, но и уникальной возможностью создавать более эффективные и функциональные программы. Они являются незаменимым инструментом в арсенале каждого программиста, независимо от уровня опыта.

В этой статье мы рассмотрим, что такое библиотеки, какие виды библиотек существуют, и почему они столь важны в мире разработки программного обеспечения. Мы также рассмотрим примеры популярных библиотек для различных языков программирования и расскажем, как начать использовать и интегрировать их в ваши проекты. Вместе мы углубимся в мир библиотек и узнаем, как они делают жизнь программистов более удобной и продуктивной.

Общие сведения

Библиотека (на сленге программистов их еще называют “либа”, сокращенно от английского library) — это набор уже написанного программного кода, предназначенного для упрощения выполнения задач. Термин «библиотека» обозначает набор кода, который можно многократно переиспользовать. Это, по сути, набор заранее определенных функций и классов, которые программисты могут использовать, чтобы упростить свою работу и ускорить процесс разработки.

Это означает, что разработчикам не приходится писать код с нуля для выполнения определенных задач, так как библиотека уже содержит код для этих задач.

Стандартные “либы” доступны для большинства языков программирования, но разработчики также могут создавать свои собственные пользовательские библиотеки.

Обычно большинство “либ” не являются очень большими по размеру, но они сосредотачиваются на узких областях, таких как работа со строками, сетевое взаимодействие через сокеты, операции ввода-вывода и так далее. Поэтому их программные интерфейсы (API) обычно небольшие и имеют ограниченное количество зависимостей. Некоторыми известными примерами “либ” являются jQuery, NumPy и многие другие.

Назначение

Написание всего программного кода с нуля — это трудоемко и неэффективно. Разработчики стремятся сконцентрироваться на ядре функциональности своего продукта, а не тратить много времени на решение стандартных задач. Именно поэтому они используют библиотеки и функции для решения типичных задач. Вместо написания сотен строк кода снова и снова, разработчику достаточно написать одну строку, и все работает. Это делает процесс разработки более быстрым, простым и удобным.

Функции объединяются в “либах” для решения конкретных задач, таких как математические вычисления, отправка запросов на сервер, создание моделей для машинного обучения и так далее. Состав классов, объектов и функций в “либе” зависит от конкретной задачи и частоты ее выполнения.

Использование “либ” помогает следовать принципу DRY — «не повторяйся». Более эффективным и правильным подходом с точки зрения чистоты кода является использование функций из библиотеки, а не создание их с нуля и «изобретение велосипеда».

Область применения

Программисты прибегают к использованию “либ”, чтобы сфокусироваться на реализации бизнес-логики вместо разработки с нуля базовых функций.

• Например, с помощью Requests в Python, отправка запроса на сервер становится простой задачей.
• Подобно этому, работая с System.IO на C#, чтение и запись файлов выполняются без необходимости вручную обрабатывать байты и управлять файловой системой.
• Three.js предоставляет программистам на языке Javascript мощный инструментарий для создания трехмерной графики в веб-приложениях. С её помощью можно создавать интерактивные 3D-сцены, анимации и визуализации непосредственно в браузере.

На практике, использование библиотек позволяет программистам сосредотачиваться на создании функциональности, не заботясь о том, как работает сложный код, находящийся внутри “либы”.

Виды

Существует разнообразная классификация библиотек, которая зависит от их предназначения, способа распространения, методов использования и других факторов. Вот основные критерии, по которым можно классифицировать библиотеки.

Встроенные и системные

Существует различие между сторонними и встроенными “либами”. Большинство популярных библиотек, о которых упоминают в интернете, являются сторонними. Это означает, что их создали не разработчики языка программирования, и они не включены в язык по умолчанию. Однако их всегда можно скачать из интернета, и обычно они хранятся в репозиториях на специализированных веб-сайтах.

Встроенные или стандартные библиотеки уже присутствуют в самих языках программирования. Разработчик может подключать их по своему усмотрению, и не нужно дополнительно загружать файлы, так как они всегда доступны.

Кроме того, существуют системные “либы”, которые изначально встроены в операционную систему. Они обычно используются для системного программирования и работы в командной строке.

Открытые и коммерческие

Открытые библиотеки доступны в исходном виде, что означает, что пользователи могут скачать их и просмотреть код. Некоторые лицензии позволяют изменять код по собственному усмотрению или вносить правки в уже существующий продукт, при условии, что эти изменения одобрены сообществом. Обычно такие “либы” разрабатываются за счет усилий сообщества энтузиастов или инициативных групп.

Коммерческие, напротив, часто являются закрытыми, и их исходный код не доступен для просмотра. Их создают компании для своих собственных нужд или для продажи другим организациям.

Существуют также “либы”, созданные для внутреннего использования компанией и обычно не распространяющиеся за ее пределами.

Кроме того, разработчики могут создавать собственные библиотеки, которые представляют собой набор функций. Эти “либы” могут быть реализованы опытными программистами для решения конкретных задач или нужд внутри проекта.

Статические и динамические

Статическая представляет собой файл с программным кодом, который описывает необходимые функции или сущности. Эту библиотеку подключают к программе с использованием специальной команды. В некоторых языках программирования есть возможность подключать не всю “либу”, а только отдельные ее части. При выполнении программы код из статической “либы” включается непосредственно в программу и становится ее неотъемлемой частью.

Динамическая, напротив, представляет собой отдельный исполняемый файл, содержащий машинный код. Этот файл подключается к программе во время ее выполнения, а не на этапе компиляции.

Динамическая библиотека не «встраивается» в код программы, она остается отдельным модулем.

Динамические библиотеки позволяют уменьшить размер программы и облегчить ее обновление без необходимости перекомпиляции всей программы. Однако их считают более уязвимыми, так как при повреждении или подмене файла “либы” вся программа может работать некорректно. Статические “либы”, напротив, более устойчивы к таким рискам, так как они уже встроены в исходный код программы.

Библиотеки могут также различаться по своему назначению, и вот несколько примеров:

• Для научных вычислений, которые предоставляют функциональность для математических и научных расчетов.
• Для фронтенд-разработки, которые используются для создания интерфейсов в веб-приложениях и сайтах.
• Для бэкенд-разработки, которые охватывают серверную сторону приложений, обеспечивая их функциональность.
• Для шифрования данных, которые обеспечивают безопасность при передаче и хранении конфиденциальной информации.
• Для работы с сетью, которые предоставляют средства для взаимодействия с сетевыми ресурсами и передачи данных.
• Для обработки графики, которые позволяют манипулировать изображениями и создавать графические элементы.
• Для 3D-моделирования, которые используются в разработке трехмерных графических приложений и игр.

Список по различным направленностям можно продолжать бесконечно. Важно отметить, что для практически любых задач можно найти подходящую “либу”, что делает разработку программного обеспечения более эффективной и удобной.

Примеры популярных библиотек

Существует огромное количество библиотек, и перечислить их все для каждого языка программирования является практически невозможным заданием. Однако мы предоставим примеры некоторых популярных “либ” для трех распространенных языков программирования: JavaScript, Python и Java.

Javascript

JavaScript широко используется в веб-разработке, и, соответственно, существует множество библиотек, предназначенных для этого языка. Например, Webix UI Library предназначена для создания пользовательских интерфейсов и включает в себя разнообразные виджеты и готовые блоки с уже настроенной логикой, что позволяет разработчикам быстро настраивать интерфейсы. Кроме того, существуют и другие “либы” компонентов, такие как DHTMLX и Kendo.

Однако JavaScript-библиотеки не ограничиваются только созданием веб-интерфейсов. Например, Choreographer-JS используется для создания и настройки анимаций, а Omniscient добавляет в интерфейсы элементы функционального программирования. Знаменитый Redux, который часто используется с фреймворками React и Angular, помогает эффективно управлять состоянием приложения.

Python

Python — это многофункциональный язык программирования, но он особенно популярен в таких областях, как наука о данных, машинное обучение, веб-разработка и автоматическое тестирование. В связи с этим существует множество библиотек, ориентированных на эти области.

Прежде всего, стоит упомянуть библиотеки NumPy и SciPy, которые предназначены для математических и научных вычислений. Кроме того, TensorFlow является популярной “либой” в области машинного обучения и упрощает создание нейронных сетей. Также существуют “либы” Scikit Learn, Keras и Pandas, которые необходимы для работы с машинным обучением.

Для веб-разработки и других задач существует “либа” Requests, которая упрощает выполнение HTTP-запросов. Для разработки игр используется библиотека Pygame, а для создания графиков — Matplotlib и Seaborn. Кроме того, есть библиотека Pillow для работы с изображениями и множество других “либ”, предназначенных для различных задач.

Java

Java — это многоцелевой язык программирования, который часто применяется в крупных корпоративных проектах. Он имеет свой уникальный синтаксис, который иногда требует написания большого объема повторяющегося кода. Поэтому для устранения этой рутины существует несколько популярных библиотек, таких как MapStruct, Lombok и другие, которые позволяют генерировать код с использованием аннотаций.

Этот сгенерированный код помогает автоматизировать рутинные задачи, такие как маппинг объектов одной сущности на другую. Например, MapStruct полезен для создания соответствий между объектами.

Существуют также “либы”, предназначенные для работы с базами данных, такие как Liquibase и FlyWay. Для легковесной веб-разработки можно использовать библиотеку Blade, которая является менее тяжеловесной альтернативой фреймворку Spring.

В мире Java существует множество других “либ” для различных целей. Например, Apache POI используется для создания отчетов в различных текстовых форматах, Log4j помогает с логированием, libGDX предоставляет инструменты для работы с мультимедийными данными, а Guava — это многофункциональный набор библиотек от Google для различных общих задач.

В каких случаях необходимо использовать

Использование библиотек является практически неотъемлемой частью в профессиональной разработке. Обычно новички, только начинающие свой путь в программировании, могут обойтись без них, так как их целью чаще всего является освоение основ и понимание принципов программирования, а не создание полноценных продуктов. Однако, даже они, когда достигают определенного уровня понимания синтаксиса и логики языка, начинают внедрять в свои проекты библиотеки.

Иногда бывает необходимость написать функции с нуля для реализации определенных задач, но это случается редко и, как правило, связано с оптимизацией уже существующего кода.

Для создания новых функциональностей или быстрого прототипирования в большинстве случаев используют библиотеки и фреймворки.

Начинающим программистам стоит начать работу с библиотек как можно раньше, как только они освоили основы языка и способны создавать что-то новое. Это сделает процесс разработки более эффективным и поможет им получить опыт работы с профессиональными инструментами, что, в свою очередь, повысит их уровень владения языком и навыки разработки.

Как начать пользоваться библиотеками

Начать использовать библиотеки поможет этот список действий:

1. Поиск. Ищите подходящую библиотеку для вашей задачи. Обычно множество таковых доступны на платформе GitHub, и о них часто пишут на профессиональных веб-сайтах. Найти подходящую “либу” обычно несложно. К примеру, для языка Javascript существует популярных сайт с “либами” и фреймворками NPM, одноименный с пакетным менеджером.
2. Загрузка. После выбора подходящей “либы”, загрузите ее на свое рабочее устройство. Обычно это файл, который вы скачиваете и сохраняете в своем проекте.
3. Подключение к коду. Для использования библиотеки, вам нужно ее «импортировать» в ваш код. Команда для импорта может иметь разный синтаксис в зависимости от языка программирования. Эту команду обычно помещают в самое начало файла с кодом. После этого вы можете использовать функции и инструменты из “либы” в вашем коде по вашему усмотрению.
4. Изучение документации. Для более глубокого понимания того, что доступно в библиотеке и как ею пользоваться, обратитесь к документации. Создатели “либ” обычно предоставляют подробные инструкции, описывающие возможности, функции, инструменты и другие аспекты, связанные с “либой”. Вы можете найти документацию на GitHub в файле readme или на официальном веб-сайте.

Следуя этим шагам, вы сможете легко начать использовать библиотеки в своих проектах и расширить функциональность вашего кода.

Как добавляют библиотеки

Как добавлять библиотеки зависит от конкретного языка программирования, но обычно исполняемый код подключается с использованием инструкции, такой как «include» или “import”, за которой следует путь или адрес к “либе”, которую необходимо включить в программу.

Существует два основных типа библиотек, в зависимости от того, как они подключаются:

• Динамические. Эти “либы” подключаются во время выполнения программы, и их машинный код загружается непосредственно в процесс выполнения. Одним из особенностей динамических библиотек является возможность их замены, что может быть как плюсом, так и минусом. Это означает, что вы можете заменить “либу” на другую, что может быть полезным для обновления функциональности, но также может создать уязвимость, если замена производится на вредоносный код.
• Статические. В этом случае “либа” представляет собой объектный модуль или исходный код, написанный на том же языке программирования, который использует разработчик. Подключение статических “либ” требует компиляции их кода непосредственно в исполняемый файл программы. Замена статического вида является более сложной задачей и требует серьезных усилий и времени для внесения изменений.

Таким образом, способ подключения библиотек зависит от типа библиотеки и языка программирования, но в обоих случаях это позволяет расширять функциональность программы с использованием уже созданных компонентов.

Кто занимается созданием

Библиотеки могут быть созданы любым программистом, который обладает навыками оформления набора функций и классов в отдельный файл. Однако, крупные и влиятельные “либы” обычно разрабатываются крупными компаниями. Часто тематика таких библиотек совпадает с областью деятельности компании. Например, Microsoft разрабатывает “либы” для работы с функциональностью операционных систем Windows.

Существует распространенная классификация библиотек на открытые (бесплатные) и закрытые (коммерческие). Открытые “либы” обычно создаются сообществами программистов, и каждый участник может вносить свои изменения или сообщать об ошибках разработчикам. Это возможно благодаря доступности исходного кода “либы”, который предоставляется бесплатно и без необходимости получения специальных разрешений.

Примером может служить регистрация на сайте или форуме.

Закрытые или коммерческие библиотеки, с другой стороны, создаются компаниями, которые имеют в своем штате программистов и тестировщиков. Целью разработки таких “либ” является создание коммерческого продукта, который может быть продан на рынке или использован для получения прибыли в других целях.

Важность наличия таких навыков работы в профессиональной среде

Ответ на этот вопрос довольно прост — потому, что большинство задач в программировании уже были решены другими разработчиками. Умение находить и использовать библиотеки значительно увеличивает продуктивность программиста, особенно когда речь идет о превращении идеи в рабочий проект.

Программисту не обязательно знать все существующие “либы”, что, к слову, практически невозможно, но он должен уметь искать их и, следовательно, уметь использовать поисковые ресурсы, такие как Google, изучать документацию по той или иной библиотеке, чтобы в максимально короткие сроки начать использовать ее преимущества.

Можно ли обойтись без библиотек

В небольших проектах можно попытаться обойтись без библиотек, но это будет непросто. Однако в больших проектах практически невозможно обойтись без использования “либ”. Программирование без них в таких масштабах потребует огромных усилий и времени, что делает его непрактичным, особенно с точки зрения коммерческой деятельности и развития готового продукта.

Еще одним важным аспектом использования библиотек является высокий уровень безопасности и надежности их кода. Это обусловлено постоянным тестированием и отладкой, проводимыми разработчиками “либ”. Если пытаться создавать код с нуля, достижение такого же уровня качества и надежности будет крайне сложно, если вообще возможно.

Отличия от фреймворка

В отличие от библиотеки, которая предоставляет набор функций для выполнения конкретных задач, фреймворк идет дальше, предоставляя структуру и определенный подход к разработке приложений. Каждый разработчик, приступая к созданию программного продукта, знает, что проектирование архитектуры приложения — это сложная задача, которая требует выбора наилучших решений в условиях неопределенности.

Фреймворк берет на себя эту задачу, предоставляя основу для приложения, и разработчику нужно работать в рамках этой основы. Это имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Положительные стороны включают в себя то, что выбор уже сделан за вас, и вы должны просто следовать этому выбору, а также наличие в фреймворке готовых библиотек.

С другой стороны, фреймворк заставляет вас включать в свой код ненужные инструменты и может быть неудобным для решения нестандартных задач. В больших проектах фреймворки необходимы, так как они существенно ускоряют разработку и облегчают управление проектом.

Заключение

В заключение, библиотеки представляют собой мощные инструменты для программистов, позволяя им расширить функциональность своих проектов, сэкономить время и улучшить качество кода. “Либы” доступны для разнообразных задач и языков программирования, их создают как сообщества энтузиастов, так и крупные компании.

Использование “либ” становится практически неотъемлемой частью профессиональной разработки программного обеспечения. Они позволяют программистам избегать изобретения велосипеда и сосредотачиваться на решении конкретных задач. Документация и сообщество разработчиков обычно поддерживают библиотеки, делая процесс обучения и использования более удобным.

Важно начинать использовать “либы” сразу после освоения основных принципов языка программирования, так как они значительно увеличивают эффективность разработки. Библиотеки обогащают арсенал программиста, делая его работу более продуктивной и разнообразной.