Функциональные языки программирования реферат

Функциональное программирование

Сущность понятия «языки программирования» и их классификация. Особенности и требования к функциональному программированию. Примеры и свойства функциональных языков. Описание преимуществ функциональных языков на примере сортировки списка методом Хоара.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Язык программирования — формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет наборлексических, синтаксических и семантических правил, определяющих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (обычно — ЭВМ) под её управлением.

Языки программирования классифицируются следующим образом:

1. императивные — программа представляет собой явное описание последовательности манипуляций над данными в памяти компьютера;

2. декларативные — программа содержит описание цели и средств её достижения. Они в свою очередь делятся на:

* функциональные — программа содержит описание функций, вызывающих друг друга;

* логические — программа состоит из описания фактов, правил и цели.

1. Особенности функционального программирования

1. Вызов функций является единственной разновидностью действий, выполняемых в функциональной программе.

2. В алгоритмических языках программа является последовательностью операторов, вызовов процедур в соответствии с алгоритмом. В функциональном программировании программа состоит из вызовов функций и описывает то, что нужно делать и что собой представляет результат решения, а не как нужно действовать для получения результата.

3. Основными методами программирования являются суперпозиция функций и рекурсия.

4. Функциональное программирование есть программирование, управляемое данными. В строго функциональном языке однажды созданные (введенные) данные не могут быть изменены .

5. В алгоритмических языках с именем переменной связана некоторая область памяти, соответствие строго сохраняется в течение всего времени выполнения программы. В функциональном программировании переменная обозначает только имя некоторой структуры, имена символов, переменных, списков, функций и других объектов не закреплены предварительно за какими-либо типами данных. В ФП одна и та же переменная в различные моменты времени может представлять различные объекты.

6. В языках функционального программирования программа и обрабатываемые ею данные имеют единую списочную форму представления.

7. Функциональное программирование предполагает наличие функционалов — функций, аргументы и результаты которых могут быть функциями. Всякий язык функционального программирования предполагает наличие ядра, называемого строго функциональным языком.

Требования к строго функциональному языку:

1. Всякая функция должна однозначно определять результат по любому набору аргументов.

2. Отсутствует оператор присваивания.

3. Переменная обозначает только имя структуры.

4. В языке присутствуют функционалы.

Простой пример функционального языка — это Excel. В нём каждую формулу в ячейках можно считать функцией, которая зависит от значений в других ячейках. Пользователь явно не задаёт последовательность вычисления, Excel выполняет это самостоятельно. Из-за отсутствия последовательности действий, многие типичные для императивного языка операции заменяются на функциональные аналоги. Например, вместо цикла приходится использовать рекурсию (определение функции через саму себя, как в примере с числами Фибоначчи). Это непривычно для человека, привыкшего программировать в императивном стиле, и отчасти мешает широкому распространению функциональных языков. Функциональные языки получили в последнее время достаточно широкое распространение, так как во многих случаях позволяют более лаконично представить решение задачи. Примеры функциональных языков: Lisp, Haskell, F#, OCaml и т.д.

2. Свойства функциональных языков

В качестве основных свойств функциональных языков кратко рассмотрим следующие:

* чистота (отсутствие побочных эффектов);

* отложенные (ленивые) вычисления.

Программы на функциональных языках обычно намного короче и проще, чем те же самые программы на императивных языках. Сравним программы на C и на абстрактном функциональном языке на примере сортировки списка быстрым методом Хоара (пример, уже ставший классическим при описании преимуществ функциональных языков).

Ещё одним полезным свойством позволяющим сократить программу является встроенный механизм сопоставления с образцом. Это позволяет описывать функции как индуктивные определения.

Строгая типизация язык функциональный программирование

Практически все современные языки программирования являются строго типизированными языками (возможно, за исключением JavaScript и его диалектов, не существует императивных языков без понятия «тип»). Строгая типизация обеспечивает безопасность. Программа, прошедшая проверку типов просто не может выпасть в операционную систему с сообщением, подобным «access violation», особенно это касается таких языков, как C/C++ и Object Pascal, где применение указателей является типичным способом использования языка. В функциональных языках большая часть ошибок может быть исправлена на стадии компиляции, поэтому стадия отладки и общее время разработки программ сокращаются. В добавок к этому строгая типизация позволяет компилятору генерировать более эффективный код и тем самым ускорять выполнение программ.

Рассматривая пример с быстрой сортировкой Хоара, можно увидеть, что помимо уже упомянутых отличий между вариантом на языке C и вариантом на абстрактном функциональном языке, есть ещё одно важное отличие: функция на C сортирует список значений типа int (целых чисел), а функция на абстрактном функциональном языке — список значений любого типа, который принадлежит к классу упорядоченных величин. Поэтому последняя функция может сортировать и список целых чисел, и список чисел с плавающей точкой, и список строк. Можно описать какой-нибудь новый тип. Определив для этого типа операции сравнения, возможно без перекомпиляции использовать quickSort и со списками значений этого нового типа. Это полезное свойство системы типов называется параметрическим или истинным полиморфизмом, и поддерживается большинством функциональных языков.

Ещё одной разновидностью полиморфизма является перегрузка функций, позволяющая давать различным, но в чём-то схожим функциям одинаковые имена. Типичным примером перегруженной операции является обычная операция сложения. Функции сложения для целых чисел и чисел с плавающей точкой различны, однако для удобства они носят одно и то же имя. Некоторые функциональные языки помимо параметрического полиморфизма, поддерживают и перегрузку операций.

В языке C++ имеется такое понятие, как шаблон, которое позволяет программисту определять полиморфные функции, подобные quickSort. В стандартную библиотеку C++ STL входит такая функция и множество других полиморфных функций. Но шаблоны C++, как и родовые функции Ada, на самом деле порождают множество перегруженных функ-ций, которые, кстати, компилятор должен каждый раз компилировать, что неблагоприятно сказывается на времени компиляции и размере кода. А в функциональных языках полиморфная функция quickSort — это одна единственная функция.

В некоторых языках, например в Ada, строгая типизация вынуждает программиста явно описывать тип всех значений и функций. Чтобы избежать этого, в строго типизированные функциональные языки встроен специальный механизм, позволяющий компилятору определять типы констант, выражений и функций из контекста. Этот механизм называется механизмом вывода типов. Известно несколько таких механизмов, однако большинство из них являются разновидностями модели типизации Хиндли-Милнера, разработанной в начале 80-х годов XX века. Таким образом, в большинстве случаев можно не указывать типы функций.

Механизм модульности позволяет разделять программы на несколько сравнительно независимых частей (модулей) с чётко определёнными связями между ними. Тем самым облегчается процесс проектирования и последующей поддержки больших программных систем. Поддержка модульности не является свойством именно функциональных языков программирования, однако поддерживается большинством таких языков. Существуют очень развитые модульные императивные языки. В качестве примеров подобных языков можно привести Modula-2 и Ada-95.

В функциональных языках (равно как и вообще в языках программирования и математике) функции могут быть переданы другим функциям в качестве аргумента или возвращены в качестве результата. Функции, принимающие функциональные аргументы, назы-ваются функциями высших порядков или функционалами. Самый, пожалуй, известный функционал, это функция map. Эта функция применяет некоторую функцию ко всем эле-ментам списка, формируя из результатов заданной функции другой список

Чистота (отсутствие побочных эффектов)

В императивных языках функция в процессе своего выполнения может читать и модифицировать значения глобальных переменных и осуществлять операции ввода/вывода. Поэтому, если вызвать одну и ту же функцию дважды с одним и тем же аргументом, может случиться так, что в качестве результата вычисляется два различных значения. Такая функция называется функцией с побочными эффектами.

Описывать функции без побочных эффектов позволяет практически любой язык. Однако некоторые языки поощряют или даже требуют от функции побочных эффектов. Например, во многих объектно-ориентированных языках в функцию член класса передаётся скрытый параметр (чаще он называется this или self), который эта функция неявно модифицирует.

В чистом функциональном программировании оператор присваивания отсутствует, объекты нельзя изменять и уничтожать, можно только создавать новые путем декомпозиции и синтеза существующих. О ненужных объектах позаботится встроенный в язык сборщик мусора. Благодаря этому в чистых функциональных языках все функции свободны от побочных эффектов. Однако это не мешает этим языкам имитировать некоторые полезные императивные свойства, такие как исключения и изменяемые массивы. Для этого существуют специальные методы.

Весомое преимущество функциональных языков — параллелизм. Раз все функции для вычислений используют только свои параметры, мы можем вычислять независимые функции в произвольном порядке или параллельно, на результат вычислений это не повлияет. Причём параллелизм этот может быть организован не только на уровне компилятора языка, но и на уровне архитектуры. В нескольких научных лабораториях уже разработаны и используются экспериментальные компьютеры, основанные на подобных архитектурах. В качестве примера можно привести Lisp-машину.

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.

Подобные документы

Понятия языка программирования, разновидности и характеристика языков. Исторический обзор их создания и применения. Классификация, примеры использования. Характеристики языков программирования с точки зрения элементов объектной модели, их популярность.

Особенности и суть языков программирования, способы их задания, цепочки символов и операции над ними. Классификация языков и грамматик, форма Бэкуса-Наура. Определение и свойства регулярных выражений, конечные автоматы и грамматики, описание программы.

Сущность и функции языков программирования, их эволюция и оценка популярности различных видов. Особенности компьютерных программ, разработанных на компилируемом, интерпретируемом или смешанном языке. Основные классы и иерархия языков программирования.

Специфика визуального подхода к программированию, языки и среды программирования, которые поддерживают его возможности. Классификация языков визуального программирования. Объектная модель (иерархия классов VBA), используемая в MS Word и в MS Excel.

Характеристики и свойства языков программирования. Исследование эволюции объектно-ориентированных языков программирования. Построение эволюционной карты механизмов ООП. Разработка концептуальной модели функционирования пользовательского интерфейса.

Классификация языков программирования. Использование циклических конструкций и выполнение итерационных процессов. Алгоритмические структуры циклов языков C, C++, Java, C#. Особенности современных языков программирования высокого уровня и их применение.

Рассмотрение общих сведений и уровней языков программирования. Ознакомление с историей развития, использования языков программирования. Обзор достоинств и недостатков таких языков как Ассемблер, Паскаль, Си, Си++, Фортран, Кобол, Бейсик, SQL, HTML, Java.

Источник