Функциональное программирование

Рассматриваются общие формы представления информации символьными выражениями и анализируются требования к полноте и эффективности методов их обработки. Вводятся базовые понятия. (Списки и атомы. Данные, значения, функции.) Списки и их обработка. Базовые операции и их свойства. Унификация структур данных при реализации. Накапливающие параметры. Связывание имен. Функциональные аргументы и отображения. Корректность обработки формул. Универсальная функция. Устройство параметризованного интерпретатора функционального языка.

Идея функционального программирования опирается на интуитивное представление о функциях как о достаточно общем механизме представления и анализа решений сложных задач с активным использованием рекурсии [ [ 2 ] ].

Для реализации функций в программах характерен отказ от необоснованного использования присваиваний и низкоуровневого управления вычислениями в терминах передачи управления. Такие функции удобны при отладке и тестировании благодаря независимости от контекста описания и предпочтения явно выделенного чистого результата. Трудоемкость отладки композиций из хорошо определенных функций растет аддитивно, а не мультипликативно [ [ 54 ] ].

Кроме обычных функций, аргументы которых вычисляются предварительно, в ряде случаев можно рассматривать и реализовывать специальные функции, способные обрабатывать аргументы нестандартным способом по любой заданной схеме. В качестве результата функции допускаются варианты значений, равноправно выбираемые из конечного множества значений, подобно псевдослучайным числам.

Организация управления, достаточного для оптимизации и программирования параллельных процессов, реализуется с помощью так называемых "замедленных" или "ленивых" вычислений (lazy evaluation) рецептов, каждый вычисляется не более чем один раз, если его результат действительно нужен [ [ 23 ] , [ 39 ] ].

Здание функционального программирования получает логическое завершение на уровне определения функций высших порядков, удобных для синтаксически управляемого конструирования программ на основе спецификаций, типов данных, визуальных диаграмм, формул и т.п. [ [ 23 ] , [ 44 ] , [ 66 ] ]

Систематическое применение функционального программирования впервые достаточно ярко было продемонстрировано Джоном Мак-Карти и его учениками в методах реализации языка Лисп и программирования на этом языке [ [ 75 ] , [ 64 ] , [ 23 ] ]. Наиболее очевидные из этих методов были успешно ассимилированы другими языками и системами программирования. Концептуально близкие идеи "структурного программирования" были сформулированы лишь более чем через десять лет [ [ 9 ] , [ 11 ] , [ 70 ] ].

Минимальный набор обозначений, к которым можно свести все правильные, т.е. вычислимые формулы системы, играет роль базиса системы, реализация которого является минимальной версией всей системы. Так, например, базис Лиспа ( "Определение языков программирования" ) предельно лаконичен - атомы и структуры из простейших бинарных узлов плюс несколько базовых функций и функционалов. Базис содержит встроенные (примитивные) функции, которые анализируют, строят и разбирают любые структурные значения ( atom, eq, cons, car, cdr ), и встроенные специальные функции и функционалы, которые управляют обработкой структур, представляющих вычисляемые выражения ( quote, cond, lambda, label, eval ). Над базисом строятся предельно простые формулы в виде круглоскобочных списков, где первый элемент - функция, остальные - ее аргументы, в том числе переменные, реализуемые с помощью разных вариантов стека или ассоциативного списка. Синтаксис Лиспа не требует особых ресурсов для запоминания разделителей и/или ограничителей и напряженного внимания на распознавание синтаксических позиций в разных рамочных конструкциях. Универсальный разделитель - пробел, ограничители - круглые скобки. В скобки заключается представление функции с ее аргументами. Все остальное - вариации в зависимости от категории функций, определенности атомов и вычислимости выражений, типов значений и структур данных. Функционалы - это одна из категорий функций, используемая при организации управления вычислениями.

Джон Мак-Карти предложил проект языка Лисп в качестве средства исследования границ применимости компьютеров, в частности, методом решения задач искусственного интеллекта. Лисп послужил эффективным инструментом экспериментальной поддержки теории программирования и развития сферы его применения.

Функциональный стиль программирования сложился в практике решения задач символьной обработки данных в предположении, что любая информация для компьютерной обработки может быть сведена к символьной. (Существование аналоговых методов принципиально не противоречит этой гипотезе.) Слово "символ" здесь близко понятию "знак" в знаковых системах. Информация представляется символами, смысл которых может быть восстановлен по заранее известным правилам.

Методы функционального программирования основаны на формальном математическом языке представления и преобразования формул. Поэтому можно дать точное, достаточно полное описание основ функционального программирования и специфицировать систему программирования для поддержки и разработки разных парадигм программирования, моделируемых с помощью функционального подхода к организации деятельности.

Функциональное программирование отличается от большинства подходов к программированию тремя важными принципами:

1. Природа данных

   Все данные представляются в форме символьных выражений. Данные реализуются как древообразные структуры. Это позволяет локализовывать любые важные подвыражения. Система программирования над такими структурами обычно использует для их хранения всю доступную память, поэтому программист может быть освобожден от распределения памяти под отдельные блоки данных.
2. Самоописание обработки символьных выражений

   Важная особенность функционального программирования состоит в том, что описание способов обработки данных представляется программами, рассматриваемыми как символьные данные. Программы строятся из рекурсивных функций. Определения и вызовы этих функций, как и любая информация, могут обрабатываться как обычные данные, получаться в процессе вычислений и преобразовываться как значения.
3. Подобие машинным языкам

   Система функционального программирования допускает, что программа может интерпретировать и/или компилировать программы, представленные в виде структур данных. Это сближает методы функционального программирования с методами низкоуровневого программирования и отличает от традиционной методики применения языков высокого уровня. Не все языки функционального программирования в полной мере допускают эту возможность, но для Лиспа она весьма характерна. В принципе, такая возможность достижима на любом стандартном языке, но так делать не принято.

Функциональное программирование активно применяется для генерации программ и выполнения динамически конструируемых прототипов программ, а также для систем, применяемых в областях с низкой кратностью повторения отлаженных решений (например, в учебе, проектировании, творчестве и научных исследованиях), ориентированных на оперативные изменения, уточнения, улучшения, адаптацию и т.п.