Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Опубликован: 09.01.2004 | Доступ: свободный | Студентов: 3807 / 327 | Оценка: 4.02 / 3.77 | Длительность: 10:03:00
ISBN: 978-5-9556-0009-3
Лекция 4:

Функциональный подход к программированию

< Лекция 3 || Лекция 4: 12 || Лекция 5 >
Аннотация: В лекции обсуждаются вопросы, касающиеся истории развития, идеологии, математического обоснования и возможностей программных систем на основе функционального подхода к проектированию и реализации программного обеспечения.
Ключевые слова: функциональный подход, работ, Lisp, программа, функция, язык программирования, SML, динамическое распределение памяти, сборка мусора, императивный язык, формализм, рекурсивная функция, рекурсивная структура данных, механизм сопоставления с образцом, эффективность реализации, компилятор, net, математическая функция, очередь, функция в языке программирования, ламбда-исчисление, исчисление ламбда-конверсий, конверсия, оптимизация программного кода, уровень абстракции, ПО, предметной области, модульное программирование, list processing, обработка списков, список, сильная типизация, прямой, потомок, выражение, приписывание типа, поддержка, полиморфизм, сопоставление с образцом, scheme, параметрический полиморфизм, ленивые вычисления, Common Lisp, MIT, technology, типизация, new, тестирование, верификация программного кода, доказательство корректности, безопасная типизация, динамическая типизация, статическая типизация, несоответствие типа, контроль соответствия типов, выводимость типов, символьная обработка, обработка исключительных ситуаций, Common Language Infrastructure

Классификация подходов к программированию была построена нами в ходе лекции 1.

Сосредоточимся на важнейшем для данного курса функциональном подходе к программированию.

Прежде всего, обратимся к истории фундаментальных математических исследований, которые привели к появлению функционального подхода к программированию.

Время появления теоретических работ, обосновывающих функциональный подход, относится к 20-м – 30-м годам XX столетия. Как мы убедимся впоследствии, теория часто значительно опережает практику программирования, и важнейшие работы, которые сформировали математическую основу подхода, были написаны задолго до появления компьютеров и языков программирования, которые потенциально могли бы реализовать эту теорию.

Что касается первой реализации, то она появилась в 50-х годах XX столетия в форме языка LISP, о котором речь пойдет далее.

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. Исследованию закономерностей и особенностей природы функции в основном и посвящены лекции 2 – 12 данного курса.

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) \in  A\ x\ B,

таких, что если

(a,b_{1}) \in  f\ и (a,b_{2}) \in  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 ламбда-исчисления. Более точно это исчисление следует именовать исчислением ламбда-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 ламбда-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 ламбда-исчисление (в отличие от многих других разделов математики) представляет собой адекватный способ формализации переобозначений.

< Лекция 3 || Лекция 4: 12 || Лекция 5 >