Основы функционального программирования

Макеты программ и тесты

Разбить на страницы
Показывать лекцию целиком

Построение теорий при разработке программ

Принимая аксиоматическую теорию множеств за образец грамотно разработанной теории, попробуем проанализировать доказательные положения, полезные при обосновании и выполнении программистских проектов.

Многие построения в теории множеств выполнены над кумулятивной иерархией множеств, инициированной некоторым множеством объектов не множественной природы и пустого множества посредством операции объединения множеств. Кроме того, над множествами определены операции пересечения, дополнения, равенства, вхождения и включения, удовлетворяющие небольшому набору аксиом разной сложности.

Аналогично, структуры, такие как S-выражения, выстроены над атомами, не структурируемыми на компоненты, и пустого списка NIL, посредством операции CONS — консолидации. Над S-выражениями определены операции, позволяющие разбирать структуры на компоненты, сравнивать и анализировать структуры, отличать атомы от структур и пустой список от других данных. Элементарные операции подчинены аксиомам, обеспечивающим обратимость информационной обработки, и техника программирования на уровне строгих функций поддерживает прозрачность определений и скорость отладки.

Рассматривая программы и программные системы как формы представления знаний, трудно удержаться от попытки исследования динамики представления знаний на основе аналогии с развитием программ и программных систем.

Движущими силами этого развития являются: необходимость разных видов эффективной деятельности, потребность в уточнении представления знаний и установление новой информации, которая раньше не попадала в поле зрения или наблюдатель не был готов ее понять. Динамика представления знаний сводится к переходу от одного представления к другому.

Успешность . Интересен случай, когда пределом является теория, достаточная для порождения всей достоверной информации, установленной на данный момент времени. При разработке программ роль такого предела играет система программирования.

В результате индуктивного развития представления знаний наблюдается тенденция к возрастанию доли средств декларативного характера (таких как описания, отношения, формирователи, типы, фреймы, семантические сети, иерархии понятий, аксиоматические системы) в сравнении с долей средств процедурного характера (таких как действия, операции, операторы, процедуры, интерпретаторы, задания). Эта тенденция обуславливает рост эффективности применения дедуктивных методов и может рассматриваться как стимул к переходу от индуктивного развития к дедуктивному. Дедуктивный вывод осуществляет переход от потенциальных знаний к актуальным. Традиционно для этих целей в системах искусственного интеллекта используется метод резолюций, системы продукций и другие средства. Чередование стадий индуктивного и дедуктивного развития можно рассматривать как обоснование выбора метода программирования в зависимости от уровня развития знаний о решаемой задаче (зрелость, уровень изученности ).

Применение развиваемых таким образом представлений может потребовать возврата к менее структурированным средствам (например, для упрощения обратной связи с областью, породившей решаемые задачи или для более тонкой детализации реализационных решений). Такой переход является конкретизацией представления знаний. В методике программирования конкретизация соответствует нисходящим методам "сверху вниз".

Независимо осуществляемое развитие приводит к задаче установления .

Макетирование функций

При разработке больших программ, особенно по нисходящей методике, необходимость в тестировании и отладке возникает отчасти раньше, чем подготовлен текст программы. Макет программы — это некоторый предварительный ее текст, допускающий уточнение — доопределение .

Простейший макет может быть создан из небольшой коллекции тестов, иллюстрирующих поведение программы в наиболее важных точках. Выбор таких точек — необходимая работа, результаты которой многократно используются на всех фазах жизненного цикла программы: при конструировании алгоритмов, автономном тестировании компонентов программы, комплексной отладке программы, демонстрации программы всем заинтересованным лицам, при ее эксплуатации и развитии. Функционирование простых макетов особенно легко реализуется в языках, обладающих унификацией структур данных и функциональных объектов, таких как LISP и SETL. Подобный механизм определения функций с помощью коллекции фактов и ряда шаблонов характерен для декларативных языков программирования – Prolog, ML, Haskell.

SETL — язык сверхвысокого уровня, представляет собой попытку активного использования теоретико-множественных понятий в практике программирования .

Согласно концепции этого языка, понятие "функция" обладает двойственной природой. Функция может быть представлена в алгоритмическом стиле — определением процедуры, выполнение которой сопоставляет результат допустимому аргументу. Но столь же правомерно представление функции в виде графика, отображающего аргументы в результаты. Оба представления могут существовать одновременно — это всего лишь две реализации одной функции. Графическое понимание функции включает в себя и табличную реализацию подобно математическим таблицам Брадиса. Кроме того график функции не обязан быть линией — это может быть фигура произвольных очертаний. Следовательно, аргументу может соответствовать множество результатов, лежащих на пересечении вертикали с этой фигурой — графиком функции. При такой трактовке нет ничего удивительного в постепенном накоплении или построении графика функции. Можно задать небольшое множество точек графика, а потом постепенно его пополнять. По замыслу Дж.Шварца, автора языка SETL, такая методика может выполнять роль оптимизации особо сложных вычислений.

Более формальный макет может быть построен из спецификаций функций в виде типовых выражений, задающих описание типов аргументов и результатов. Такой макет может работать как "заглушка" для нереализованных компонентов. Вместо них может работать универсальная функция, проверяющая соответствие фактических аргументов предписанному типу данных и вырабатывающая в качестве результата произвольное данное, соответствующее описанию результата. Этот механизм будет более эффективен в паре с простым макетом из тестов, если результат выбирать из коллекции тестов.

Мемо-функции и тестирование

Не менее ценные следствия из унификации структурных значений и функциональных объектов дает накопительный, кумулятивный эффект ряда сеансов обработки рекурсивных программ, содержащих общие компоненты. Допустимость совместного хранения функциональных определений и тестов для их проверки в общей структуре, например в списке свойств атома, именующего функцию, позволяет строить технологические макеты с множественными определениями, коллекциями тестов и спецификаций, а также с документацией. Такие макеты пригодны для поддержки полного жизненного цикла программы. Они позволяют организовывать оперативное сравнение результатов при обновлении системы функций. На такой основе возможно автоматическое тестирование программ. С практической точки зрения технологические макеты — универсальный инструмент динамической оптимизации прикладных систем.

Представим, что вычисление каждой рекурсивной функции сопровождается сохранением пары "аргумент, результат". После этого можно запустить в дело слегка измененное правило интерпретации функций. Изменение заключается в следующем: прежде чем применять функцию к фактическому аргументу, выполняется проверка, нет ли для этого аргумента уже вычисленного результата. Готовый результат и есть результат функции, а в противном случае все работает как обычно. Механизм сохранения насчитанных результатов функций назван "мемо-функции" . Естественно, основанием для его применения является достаточная сложность и частота обработки. Примечательная особенность данного метода — любая сложность очень частых вычислений стремится со временем к линейной.

Страницы:

Построение теорий при разработке программ

Принимая аксиоматическую теорию множеств за образец грамотно разработанной теории, попробуем проанализировать доказательные положения, полезные при обосновании и выполнении программистских проектов.

Многие построения в теории множеств выполнены над кумулятивной иерархией множеств, инициированной некоторым множеством объектов не множественной природы и пустого множества посредством операции объединения множеств. Кроме того, над множествами определены операции пересечения, дополнения, равенства, вхождения и включения, удовлетворяющие небольшому набору аксиом разной сложности.

Аналогично, структуры, такие как S-выражения, выстроены над атомами, не структурируемыми на компоненты, и пустого списка NIL, посредством операции CONS — консолидации. Над S-выражениями определены операции, позволяющие разбирать структуры на компоненты, сравнивать и анализировать структуры, отличать атомы от структур и пустой список от других данных. Элементарные операции подчинены аксиомам, обеспечивающим обратимость информационной обработки, и техника программирования на уровне строгих функций поддерживает прозрачность определений и скорость отладки.

Рассматривая программы и программные системы как формы представления знаний, трудно удержаться от попытки исследования динамики представления знаний на основе аналогии с развитием программ и программных систем.

Движущими силами этого развития являются: необходимость разных видов эффективной деятельности, потребность в уточнении представления знаний и установление новой информации, которая раньше не попадала в поле зрения или наблюдатель не был готов ее понять. Динамика представления знаний сводится к переходу от одного представления к другому.

Успешность . Интересен случай, когда пределом является теория, достаточная для порождения всей достоверной информации, установленной на данный момент времени. При разработке программ роль такого предела играет система программирования.

В результате индуктивного развития представления знаний наблюдается тенденция к возрастанию доли средств декларативного характера (таких как описания, отношения, формирователи, типы, фреймы, семантические сети, иерархии понятий, аксиоматические системы) в сравнении с долей средств процедурного характера (таких как действия, операции, операторы, процедуры, интерпретаторы, задания). Эта тенденция обуславливает рост эффективности применения дедуктивных методов и может рассматриваться как стимул к переходу от индуктивного развития к дедуктивному. Дедуктивный вывод осуществляет переход от потенциальных знаний к актуальным. Традиционно для этих целей в системах искусственного интеллекта используется метод резолюций, системы продукций и другие средства. Чередование стадий индуктивного и дедуктивного развития можно рассматривать как обоснование выбора метода программирования в зависимости от уровня развития знаний о решаемой задаче (зрелость, уровень изученности ).

Применение развиваемых таким образом представлений может потребовать возврата к менее структурированным средствам (например, для упрощения обратной связи с областью, породившей решаемые задачи или для более тонкой детализации реализационных решений). Такой переход является конкретизацией представления знаний. В методике программирования конкретизация соответствует нисходящим методам "сверху вниз".

Независимо осуществляемое развитие приводит к задаче установления .

Макетирование функций

При разработке больших программ, особенно по нисходящей методике, необходимость в тестировании и отладке возникает отчасти раньше, чем подготовлен текст программы. Макет программы — это некоторый предварительный ее текст, допускающий уточнение — доопределение .

Простейший макет может быть создан из небольшой коллекции тестов, иллюстрирующих поведение программы в наиболее важных точках. Выбор таких точек — необходимая работа, результаты которой многократно используются на всех фазах жизненного цикла программы: при конструировании алгоритмов, автономном тестировании компонентов программы, комплексной отладке программы, демонстрации программы всем заинтересованным лицам, при ее эксплуатации и развитии. Функционирование простых макетов особенно легко реализуется в языках, обладающих унификацией структур данных и функциональных объектов, таких как LISP и SETL. Подобный механизм определения функций с помощью коллекции фактов и ряда шаблонов характерен для декларативных языков программирования – Prolog, ML, Haskell.

SETL — язык сверхвысокого уровня, представляет собой попытку активного использования теоретико-множественных понятий в практике программирования .

Согласно концепции этого языка, понятие "функция" обладает двойственной природой. Функция может быть представлена в алгоритмическом стиле — определением процедуры, выполнение которой сопоставляет результат допустимому аргументу. Но столь же правомерно представление функции в виде графика, отображающего аргументы в результаты. Оба представления могут существовать одновременно — это всего лишь две реализации одной функции. Графическое понимание функции включает в себя и табличную реализацию подобно математическим таблицам Брадиса. Кроме того график функции не обязан быть линией — это может быть фигура произвольных очертаний. Следовательно, аргументу может соответствовать множество результатов, лежащих на пересечении вертикали с этой фигурой — графиком функции. При такой трактовке нет ничего удивительного в постепенном накоплении или построении графика функции. Можно задать небольшое множество точек графика, а потом постепенно его пополнять. По замыслу Дж.Шварца, автора языка SETL, такая методика может выполнять роль оптимизации особо сложных вычислений.

Более формальный макет может быть построен из спецификаций функций в виде типовых выражений, задающих описание типов аргументов и результатов. Такой макет может работать как "заглушка" для нереализованных компонентов. Вместо них может работать универсальная функция, проверяющая соответствие фактических аргументов предписанному типу данных и вырабатывающая в качестве результата произвольное данное, соответствующее описанию результата. Этот механизм будет более эффективен в паре с простым макетом из тестов, если результат выбирать из коллекции тестов.

Мемо-функции и тестирование

Не менее ценные следствия из унификации структурных значений и функциональных объектов дает накопительный, кумулятивный эффект ряда сеансов обработки рекурсивных программ, содержащих общие компоненты. Допустимость совместного хранения функциональных определений и тестов для их проверки в общей структуре, например в списке свойств атома, именующего функцию, позволяет строить технологические макеты с множественными определениями, коллекциями тестов и спецификаций, а также с документацией. Такие макеты пригодны для поддержки полного жизненного цикла программы. Они позволяют организовывать оперативное сравнение результатов при обновлении системы функций. На такой основе возможно автоматическое тестирование программ. С практической точки зрения технологические макеты — универсальный инструмент динамической оптимизации прикладных систем.

Представим, что вычисление каждой рекурсивной функции сопровождается сохранением пары "аргумент, результат". После этого можно запустить в дело слегка измененное правило интерпретации функций. Изменение заключается в следующем: прежде чем применять функцию к фактическому аргументу, выполняется проверка, нет ли для этого аргумента уже вычисленного результата. Готовый результат и есть результат функции, а в противном случае все работает как обычно. Механизм сохранения насчитанных результатов функций назван "мемо-функции" . Естественно, основанием для его применения является достаточная сложность и частота обработки. Примечательная особенность данного метода — любая сложность очень частых вычислений стремится со временем к линейной.

Предыдущее занятие Следующее занятие
Вернуться к учебному плану
^