Языки функционального программирования

Отложенные вычисления

В традиционных языках программирования (например, C++) вызов функции приводит к вычислению всех аргументов. Этот метод вызова функции называется вызов-по-значению. Если какой-либо аргумент не использовался в функции, то результат вычислений пропадает, следовательно, вычисления были произведены впустую. В каком-то смысле противоположностью вызова-по-значению является вызов-по-необходимости. В этом случае аргумент вычисляется, только если он нужен для вычисления результата. Примером такого поведения можно взять оператор конъюнкции всё из того же C++ (&&), который не вычисляет значение второго аргумента, если первый аргумент имеет ложное значение.

Если функциональный язык не поддерживает отложенные вычисления, то он называется строгим. На самом деле, в таких языках порядок вычисления строго определен. В качестве примера строгих языков можно привести Scheme, Standard ML и Caml.

Языки, использующие отложенные вычисления, называются нестрогими. Haskell — нестрогий язык, так же как, например, Gofer и Miranda. Нестрогие языки зачастую являются чистыми.

Очень часто строгие языки включают в себя средства поддержки некоторых полезных возможностей, присущих нестрогим языкам, например бесконечных списков. В поставке Standard ML присутствует специальный модуль для поддержки отложенных вычислений. А Objective Caml помимо этого поддерживает дополнительное зарезервированное слово lazy и конструкцию для списков значений, вычисляемых по необходимости.

В этом разделе приведено краткое описание некоторых языков функционального программирования (очень немногих).

§ Lisp (List processor). Считается первым функциональным языком программирования. Нетипизирован. Содержит массу императивных свойств, однако в общем поощряет именно функциональный стиль программирования. При вычислениях использует вызов-по-значению. Существует объектно-ориентированный диалект языка — CLOS.

§ ISWIM (If you See What I Mean). Функциональный язык-прототип. Разработан Ландиным в 60-х годах XX века для демонстрации того, каким может быть язык функционального программирования. Вместе с языком Ландин разработал и специальную виртуальную машину для исполнения программ на ISWIM’е. Эта виртуальная машина, основанная на вызове-по-значению, получила название SECD-машины. На синтаксисе языка ISWIM базируется синтаксис многих функциональных языков. На синтаксис ISWIM похож синтаксис ML, особенно Caml.

§ Scheme. Диалект Lisp’а, предназначенный для научных исследований в области computer science. При разработке Scheme был сделан упор на элегантность и простоту языка. Благодаря этому язык получился намного меньше, чем Common Lisp.

§ ML (Meta Language). Семейство строгих языков с развитой полиморфной системой типов и параметризуемыми модулями. ML преподается во многих западных университетах (в некоторых даже как первый язык программирования).

§ Standard ML. Один из первых типизированных языков функционального программирования. Содержит некоторые императивные свойства, такие как ссылки на изменяемые значения и поэтому не является чистым. При вычислениях использует вызов-по-значению. Очень интересная реализация модульности. Мощная полиморфная система типов. Последний стандарт языка — Standard ML-97, для которого существует формальные математические определения синтаксиса, а также статической и динамической семантик языка.

§ Caml Light и Objective Caml. Как и Standard ML принадлежит к семейству ML. Objective Caml отличается от Caml Light в основном поддержкой классического объектно-ориентированного программирования. Также как и Standard ML строгий, но имеет некоторую встроенную поддержку отложенных вычислений.

§ Miranda. Разработан Дэвидом Тернером, в качестве стандартного функционального языка, использовавшего отложенные вычисления. Имеет строгую полиморфную систему типов. Как и ML преподаётся во многих университетах. Оказал большое влияние на разработчиков языка Haskell.

§ Haskell. Один из самых распространённых нестрогих языков. Имеет очень развитую систему типизации. Несколько хуже разработана система модулей. Последний стандарт языка — Haskell-98.

§ Gofer (GOod For Equational Reasoning). Упрощённый диалект Haskell’а. Предназначен для обучения функциональному программированию.

§ Clean. Специально предназначен для параллельного и распределённого программирования. По синтаксису напоминает Haskell. Чистый. Использует отложенные вычисления. С компилятором поставляется набор библиотек (I/O libraries), позволяющих программировать графический пользовательский интерфейс под Win32 или MacOS.

Напомним, что важнейшей характеристикой функционального подхода является то обстоятельство, что всякая программа, разработанная на языке функционального программирования, может рассматриваться как функция, аргументы которой, возможно, также являются функциями.

Функциональный подход породил целое семейство языков, родоначальником которых, как уже отмечалось, стал язык программирования LISP. Позднее, в 70-х годах, был разработан первоначальный вариант языка ML, который впоследствии развился, в частности, в SML, а также ряд других языков. Из них, пожалуй, самым "молодым" является созданный уже совсем недавно, в 90-х годах, язык Haskell.

Важным преимуществом реализации языков функционального программирования является автоматизированное динамическое распределение памяти компьютера для хранения данных. При этом программист избавляется от необходимости контролировать данные, а если потребуется, может запустить функцию «сборки мусора» – очистки памяти от тех данных, которые больше не понадобятся программе.

Сложные программы при функциональном подходе строятся посредством агрегирования функций. При этом текст программы представляет собой функцию, некоторые аргументы которой можно также рассматривать как функции. Таким образом, повторное использование кода сводится к вызову ранее описанной функции, структура которой, в отличие от процедуры императивного языка, математически прозрачна.

Поскольку функция является естественным формализмом для языков функционального программирования, реализация различных аспектов программирования, связанных с функциями, существенно упрощается. Интуитивно прозрачным становится написание рекурсивных функций, т.е. функций, вызывающих самих себя в качестве аргумента. Естественной становится и реализация обработки рекурсивных структур данных.

Благодаря реализации механизма сопоставления с образцом, такие языки функционального программирования как ML и Haskell хорошо использовать для символьной обработки.

Естественно, языки функционального программирования не лишены и некоторых недостатков.

Часто к ним относят нелинейную структуру программы и относительно невысокую эффективность реализации. Однако первый недостаток достаточно субъективен, а второй успешно преодолен современными реализациями, в частности, рядом последних трансляторов языка SML, включая и компилятор для среды Microsoft.NET.

Для профессиональной разработки программного обеспечения на языках функционального программирования необходимо глубоко понимать природу функции.

Заметим, что под термином "функция" в математической формализации и программной реализации имеются в виду различные понятия.

Так, математической функцией f с областью определения A и областью значений B называется множество упорядоченных пар

(a,b) A × B,

таких, что если

(a,b₁) f и (a,b₂) f,

то

b₁ = b₂.

В свою очередь, функцией в языке программирования называется конструкция этого языка, описывающая правила преобразования аргумента (так называемого фактического параметра) в результат.

Для формализации понятия "функция" была построена математическая теория, известная под названием лямбда-исчисления. Более точно это исчисление следует именовать исчислением лямбда-конверсий.

Под конверсией понимается преобразование объектов исчисления (а в программировании – функций и данных) из одной формы в другую. Исходной задачей в математике было стремление к упрощению формы выражений. В программировании именно эта задача не является столь существенной, хотя, как мы увидим в дальнейшем, использование лямбда-исчисления как исходной формализации может способствовать упрощению вида программы, т.е. вести к оптимизации программного кода.

Кроме того, конверсии обеспечивают переход к вновь введенным обозначениям и, таким образом, позволяют представлять предметную область в более компактном либо более детальном виде, или, говоря математическим языком, изменять уровень абстракции по отношению к предметной области. Эту возможность широко используют также языки объектно-ориентированного и структурно-модульного программирования в иерархии объектов, фрагментов программ и структур данных. На этом же принципе основано взаимодействие компонентов приложения в.NET. Именно в этом смысле переход к новым обозначениям является одним из важнейших элементов программирования в целом, и именно лямбда-исчисление (в отличие от многих других разделов математики) представляет собой адекватный способ формализации переобозначений.

Систематизируем эволюцию теорий, лежащих в основе современного подхода к лямбда-исчислению.

Рассмотрим эволюцию языков программирования, развивающихся в рамках функционального подхода.

Ранние языки функционального программирования, которые берут свое начало от классического языка LISP (LISt Processing), были предназначены, для обработки списков, т.е. символьной информации. При этом основными типами были атомарный элемент и список из атомарных элементов, а основной акцент делался на анализе содержимого списка.

Развитием ранних языков программирования стали языки функционального программирования с сильной типизацией, характерным примером здесь является классический ML, и его прямой потомок SML. В языках с сильной типизацией каждая конструкция (или выражение) должна иметь тип.

При этом в более поздних языках функционального программирования нет необходимости в явном приписывании типа, и типы изначально неопределенных выражений, как в SML, могут выводиться (до запуска программы), исходя из типов связанных с ними выражений.

Следующим шагом в развитии языков функционального программирования стала поддержка полиморфных функций, т.е. функций с параметрическими аргументами (аналогами математической функции с параметрами). В частности, полиморфизм поддерживается в языках SML, Miranda и Haskell.

На современном этапе развития возникли языки функционального программирования "нового поколения" со следующими расширенными возможностями: сопоставление с образцом (Scheme, SML, Miranda, Haskell), параметрический полиморфизм (SML) и так называемые "ленивые" (по мере необходимости) вычисления (Haskell, Miranda, SML).

Семейство языков функционального программирования довольно многочисленно. Об этом свидетельствует не столько значительный список языков, сколько тот факт, что многие языки дали начало целым направлениям в программировании. Напомним, что LISP дал начало целому семейству языков: Scheme, InterLisp, COMMON Lisp и др.

Не стал исключением и язык программирования SML, который был создан в форме языка ML Р. Милнером (Robin Milner) в MIT (Massachusetts Institute of Technology) и первоначально предназначен для логических выводов, в частности, доказательства теорем. Язык отличается строгой типизацией, в нем отсутствует параметрический полиморфизм.

Развитием "классического" ML стали сразу три современных языка с практически одинаковыми возможностями (параметрический полиморфизм, сопоставление с образцом, "ленивые" вычисления). Это язык SML, разработанный в Великобритании и США, CaML, созданный группой французских ученых института INRIA, SML/NJ – диалект SML из New Jersey, а также российская разработка – mosml ("московский" диалект ML).

Близость к математической формализации и изначальная функциональная ориентированность послужили причиной следующих преимуществ функционального подхода:

1. простота тестирования и верификации программного кода на основе возможности построения строгого математического доказательства корректности программ;

2. унификация представления программы и данных (данные могут быть инкапсулированы в программу как аргументы функций, означивание или вычисление значения функции может производиться по мере необходимости);

3. безопасная типизация: недопустимые операции с данными исключены;

4. динамическая типизация: возможно обнаружение ошибок типизации во время выполнения (отсутствие этого свойства в ранних языках функционального программирования может приводить к переполнению оперативной памяти компьютера);

5. независимость программной реализации от машинного представления данных и системной архитектуры программы (программист сосредоточен на деталях реализации, а не на особенностях машинного представления данных).

Заметим, что реализация преимуществ, которые предоставляют языки функционального программирования, существенно зависит от выбора программно-аппаратной платформы.

В случае выбора в качестве программной платформы технологии.NET, практически вне зависимости от аппаратной реализации, программист или руководитель программного проекта дополнительно получает следующие преимущества:

1. интеграция различных языков функционального программирования (при этом максимально используются преимущества каждого из языков, в частности, Scheme предоставляет механизм сопоставления с образцом, а SML – возможность вычисления по мере необходимости);

2. интеграция различных подходов к программированию на основе межъязыковой инфраструктуры Common Language Infrastructure, или CLI (в частности, возможно использование C# для обеспечения преимуществ объектно-ориентированного подхода и SML – функционального, как в настоящем курсе);

3. общая унифицированная система типизации Common Type System, CTS (единообразное и безопасное управление типами данных в программе);

4. многоступенчатая, гибкая система обеспечения безопасности программного кода (в частности, на основе механизма сборок).

Основными особенностями функциональных языков программирования, отличающими их как от императивных языков, так и от языков логического программирования, являются прозрачность по ссылкам и детерминизм. В функциональных языках существует значительный разброс по таким параметрам как типизация, правила вычисления. Во многих языках порядок вычисления строго определен. Но иногда строгие языки содержат средства поддержки некоторых полезных элементов, присущих нестрогим языкам, например бесконечных списков (в Standard ML присутствует специальный модуль для поддержки отложенных вычислений). Напротив, нестрогие языки позволяют в некоторых случаях выполнять энергичные вычисления.

Так, Miranda имеет ленивую семантику, но позволяет специфицировать строгие конструкторы, пометив определенным образом аргументы конструктора.

Многие современные языки функционального программирования являются строго типизированными языками (строгая типизация). Строгая типизация обеспечивает большую безопасность. Многие ошибки могут быть исправлены на стадии компиляции, поэтому стадия отладки и общее время разработки программ сокращаются. Строгая типизация позволяет компилятору генерировать более эффективный код и тем самым ускорять выполнение программ. Наряду с этим, существуют функциональные языки с динамической типизацией. Тип данных в таких языках определяется во время выполнения программы (гл. 3). Иногда их называют «безтиповыми». К их, достоинствам следует отнести то, что программы, написанные на этих языках, обладают большей общностью. Недостатком можно считать отнесение многих ошибок на стадию выполнения программы и связанную с этим необходимость применения функций проверки типов и соответствующее сокращение общности программы. Типизированные языки способствуют генерации более «надежного» кода, а типизированные более «общего».

Следующим критерием, по которому можно провести классификацию функциональных языков программирования, может стать наличие императивных механизмов. При этом принято называть функциональные языки программирования, лишенные императивных механизмов, «чистыми», а имеющие их – «нечистыми». В обзоре функциональных языков программирования, приведенном ниже, языки программирования будут называться «практическими» и «академическими». Под «практическими» языками понимаются языки, имеющие коммерческое приложение (на них разрабатывались реальные приложения или были коммерческие системы программирования). Академические языки программирования имеют популярность в исследовательских кругах и в области компьютерного образования, но коммерческих приложений, написанных на таких языках, практически нет. Они остаются всего лишь инструментом при проведении теоретических исследований в области информатики и широко используются в образовательном процессе.

Перечень наиболее популярных функциональных языков программирования приводится ниже с использованием следующих критериев: общие сведения; типизация; вид вычисления; чистота.

Common Lisp. Версия Лиспа, которая с 1970 г. может считаться стандартом языка, благодаря поддержке со стороны лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, безтиповый, энергичный, с большим набором императивных включений, допускающих присваивание, разрушение структур. Практический. Достаточно сказать, что на Лиспе был написан векторный графический редактор Автокад.

Scheme. Диалект Лиспа, предназначенный для научных исследований в области компьютерной науки и обучения функциональному программированию. Благодаря отсутствию императивных включений язык получился намного меньше, чем Common Lisp. Восходит к языку, разработанному Дж. Маккарти в 1962 г. Академический, безтиповый, энергичный, чистый.

Refal. Семейство языков, разработанных В. Ф. Турчиным. Старейший член этого семейства впервые реализован в 1968 году в России. Широко используется и поныне в академических кругах. Содержит элементы логического программирования (сопоставление с образцом). Поэтому язык Refal предлагается в данном учебном пособии в качестве языка для самостоятельного изучения.

Miranda. Строго типизированный, поддерживает типы данных пользователя и полиморфизм. Разработан Тернером на основе более ранних языков SALS и KRC. Имеет ленивую семантику. Без императивных включений.

Haskell. Развитие языка пришлось на конец прошлого века. Широко известен в академических кругах. В некоторых западных университетах используется в качестве основного языка для изучения студентами. Один из наиболее мощных функциональных языков. Ленивый язык. Чисто функциональный язык. Типизированный. Haskell – отличный инструмент для обучения и экспериментов со сложными функциональными типами данных. Программы, написанные на Haskell, имеют значительный размер объектного кода и невысокую скорость исполнения.

Clean. Диалект Haskell, приспособленный к нуждам практического программирования. Как и Haskell, является ленивым чисто функциональным языком, содержит классы типов. Но Clean также содержит интересные особенности, которые не имеют эквивалента в Haskell. Например, императивные возможности в Clean основаны на уникальных типах, идея которых заимствована из линейной логики (linear logic). Clean содержит механизмы, которые позволяют значительно улучшить эффективность программ. Сред этих механизмов явное подавление отложенных вычислений. Реализация Clean является коммерческим продуктом, но свободная версия доступна для исследовательских и образовательных целей.

ML(Meta Language). Разработан группой программистов во главе с Робертом Милиером в середине 70-х гг. в Эдинбурге (Edinburgh Logic for Computable Functions). Идея языка состояла в создании механизма для построения формальных доказательств в системе логики для вычислимых функций. В 1983 язык был пересмотрен дополнен такими концепциями, как модули. Стал называться стандартный ML. ML – это сильно типизированный язык со статическим контролем типов и аппликативным выполнением программ. Он завоевал большую популярность в исследовательских кругах и в области компьютерного образования.

Дата добавления: 2014-01-07