Институт по пчеларство

Основни принципи на функционалното програмиране. Начални сведения за Haskell и Haskell Platform

Основни понятия

компютърна система = хардуер + софтуер

Софтуерът (програмното осигуряване) управлява поведението на хардуера.

софтуер (програмно осигуряване) = програми + данни

Данни: информация, която може да бъде съхранена в паметта на компютъра. Примери за данни:

Програми: описания на начини за манипулиране на данните.

Езици за програмиране: изкуствени езици, създадени специално за записване на програми.

Изграждане на софтуерни системи

Една голяма система може да съдържа милиони редове програмен код. Софтуерните системи са измежду най-сложните артефакти, които някога са създавани. Изграждат се чрез комбиниране на съществуващи компоненти, доколкото това е възможно.

Езици за програмиране

Формални изкуствени езици, предназначени за записване на програми. Съществуват стотици езици за програмиране, всеки от които има своите силни и слаби страни. Класификация: съществуват различни класификационни признаци (машинно-ориентирани езици и езици от високо ниво)

Типове езици за програмиране от високо ниво

как?

програма = алгоритъм + структури от данни

какво?

програма = списък от дефиниции на функции

или

списък от равенства

или

факти + правила

Основни характеристики на функционалното програмиране

Програмирането във функционален стил се състои от:

Пример 1: програма за намиране на сумата на естествените числа от 1 до n

(псевдокод)

count := 0
total := 0
repeat
    count := count + 1
    total := total + count
until count = n

(на езика Haskell)

sum [] = 0
sum (x:xs) = x + sum xs

sum [1..n]

Пример 2: “бързо” сортиране

qsort [] = []
qsort (x:xs) = qsort smaller ++ [x] ++ qsort larger
    where
        smaller = [a | a ← xs, a ≤ x ]
        larger = [b | b ← xs, b > x ]

Основни предимства на функционалния стил на програмиране

Основни недостатъци на функционалния стил на програмиране

Още за функционалния стил на програмиране

Функционалният стил на програмиране е съществено различен от този, поддържан от популярните езици за програмиране като Java, C++, C и Visual Basic. В частност, идеологията на посочените езици за програмиране е тясно свързана с архитектурата на съответния хардуер в смисъл, че програмирането се основава на идеята за променяне на съхранени стойности.

Обратно, Haskell поддържа по-абстрактен стил на програмиране, основан на идеята за прилагане на функции към аргументи.

Преминаването към това по-високо ниво на абстракция води до възможност за съставяне на значително по-прости програми и поддържа множество от мощни подходи за конструиране на програми и изследване на техните свойства.

Факти от историята на функционалното програмиране

Нашият подход

Haskell – език за строго функционално програмиране:

В близкото минало най-популярната среда за програмиране на Haskell беше Hugs 98, последна версия – от 2006 г. Тя предоставя много добри средства за обучение и се разпространява безплатно за множество платформи.

От 2009 г. се предлага безплатно нова среда за програмиране и разработка на софтуерни приложения на Haskell, която постепенно придобива статута на стандарт – Haskell Platform, последна версия – от 2013 г.

Haskell home page: http://www.haskell.org/haskellwiki/Haskell

Функции

Функцията е програмна част, която връща стойност (резултат). Изобразяване на функциите: чрез диаграми от вида

FIXME 1 1314 29

inputs: входни стойности (аргументи или параметри)

output: изход (върната стойност, резултат)

Пример: функцията + за събиране на числа

FIXME 1 1314 30

Процесът на задаване на конкретни стойности на аргументите на функцията и пресмятане на съответната й стойност се нарича апликация (прилагане на функцията).

Може да се създават (дефинират) функции с различен брой аргументи (0, 1, 2 или повече).

Аргументите на функцията, както и върнатата от нея стойност, могат да бъдат от различни типове (не е задължително да бъдат числа).

Величини. Типове

Величините са основно средство за изразяване на стойностите, с които се работи в една програма. Всяка величина се характеризира с име, тип и (текуща) стойност.

Типът представлява множество от допустими стойности заедно с определена съвкупност от операции, приложими върху тези стойности.

Дефиниции

Всяка функционална програма представлява поредица от дефиниции на функции и други величини. Всяка дефиниция на Haskell свързва (асоциира) дадено име (идентификатор) със стойност от определен тип. В най-простия случай дефинициите имат вида

name :: type
name = expression

По този начин в Haskell се дефинират т. нар. променливи (всъщност те са нелитерални константи). Една дефиниция от посочения вид свързва името на променливата от лявата страна на равенството със стойността на израза от дясната страна.

Символът :: би трябвало да се чете “е от тип”. Имената на променливите и функциите започват с малки букви, докато имената на типовете започват с главни букви. Пример:

size :: Int
size = 12+13

Изрази

Всеки израз представлява правило за пресмятане (намиране) на стойност.

Изразите се образуват чрез композиция на операции над определени величини.

Операциите се означават с определени знакове или с идентификатори (поредици от букви и цифри, които започват с буква). Всяка операция се прилага към стойности от определен(и) тип(ове) и формира стойност от определен тип.

Дефиниции на функции

Дефинициите на функции представляват поредици от равенства от следния вид:

name x1 x2 ... xk = e

Дефиницията на функция трябва да бъде предшествана от декларация на нейния тип (на типовете на аргументите и типа на резултата, който връща функцията).

Общ вид на декларация на типа на функция:

name :: t1 -> t2 -> ... -> tk -> t

Пример 1:

square :: Int -> Int
square n = n*n
> square 3
9
> square 5
25

Пример 2:

average :: Float -> Float -> Float
average x y = (x+y)/2
> average 3.4 5.6
4.5
> average 3 4
3.5

Общ вид на програмата на Haskell

Програмите на Haskell обикновено се наричат скриптове (scripts). Освен програмния код (поредица от дефиниции на функции) един скрипт може да съдържа и коментари.

Има два различни стила на писане на скриптове, които съответстват на две различни философии на програмиране.

Традиционно всичко в един програмен файл (файл с изходния код на програма на Haskell) се интерпретира като програмен текст (код), освен ако за нещо е отбелязано специално, че представлява коментар. Скриптовете, написани в такъв (traditional) стил, се съхраняват във файлове с разширение .hs.

Традиционно коментари се означават по два начина. Символът -- означава начало на коментар, който продължава от съответната позиция до края на текущия ред. Коментари, които съдържат произволен брой знакове и евентуално заемат повече от един ред, могат да бъдат заключени между символите {- и -}.

Алтернативният (literate) подход предполага, че всичко във файла е коментар освен частите от текста, специално означени като програмен код.

В Пример 2 програмният текст е само в редовете, започващи с > и отделени от останалия текст с празни редове. Този вид скриптове се съхраняват във файлове с разширение .lhs.

Пример 1. A traditional script

{- ###################################################
MyFirstScript.hs
################################################### -}

-- The value size is an integer (Int), defined to be
-- the sum of 12 and 13.
size :: Int
size = 12+13

-- The function to square an integer.
square :: Int -> Int
square n = n*n

-- The function to double an integer.
double :: Int -> Int
double n = 2*n

-- An example using double, square and size.
example :: Int
example = double (size – square (2+2))

Пример 2. A literate script

{- #################################################
MyFirstLiterate.lhs
################################################# -}

The value size is an integer (Int), defined to be
the sum of 12 and 13.

> size :: Int
> size = 12+13

The function to square an integer.
> square :: Int -> Int
> square n = n*n

The function to double an integer.
> double :: Int -> Int
> double n = 2*n

An example using double, square and size.
> example :: Int
> example = double (size – square (2+2))

Библиотеки на Haskell

Haskell поддържа множество вградени типове данни: цели и реални числа, булеви стойности, низове, списъци и др., както и предлага вградени функции за работа с данни от тези типове.

Дефинициите на основните вградени функции в езика се съдържат във файл (“стандартна прелюдия”, the standard prelude) с името Prelude.hs. По подразбиране при стартиране на Haskell Platform (или друга среда за програмиране на Haskell) най-напред се зарежда съдържанието на Prelude.hs, след което потребителят може да започне своята работа.

Напоследък, с цел намаляване на обема на Prelude.hs, дефинициите на част от вградените функции се преместват от стандартната прелюдия в множество стандартни библиотеки, които могат да бъдат включени от потребителя в средата на Haskell при необходимост.

Модули

Възможно е текстът на една програма на Haskell да бъде разделен на множество компоненти, наречени модули. Всеки модул има свое име и може да съдържа множество от дефиниции на Haskell. За да се дефинира даден модул, например Aut, е необходимо в началото на програмния текст в съответния файл да се включи ред от типа на

module Aut where ...

Един модул може да импортира дефиниции от други модули. Например модулът Bee ще може да импортира дефиниции от модула Aut чрез включване на оператор import както следва:

module Bee where
import Aut
...

В случая операторът import означава, че при дефинирането на функции в Bee могат да се използват всички (видими) дефиниции от Aut.

Механизмът на модулите поддържа споменатите по-горе библиотеки.

Механизмът на модулите позволява да се определи кои дефиниции да бъдат достъпни чрез експортиране от даден модул за употреба от други модули.