Реферат на тему :"Особенности функционального программирования"

ФГБОУ ВПО «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ М. Е. ЕВСЕВЬЕВА»

Факультет физико-математический

Реферат

ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Выполнила:

студентка группы МДМ-112

Чельманова Анна.

Саранск 2016

Определение понятия

Функциональное программирование — раздел дискретной математики и парадигма программирования, в которой процесс вычисления трактуется как вычисление значений функций в математическом понимании последних (в отличие от функций как подпрограмм в процедурном программировании).

Из истории

Традиционное программирование родилось в 40-х годах 20 века, когда велась разработка первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Его основой послужила концепция фон Неймана о хранимой программе автоматических вычислений по заданному алгоритму. Существенными чертами такой программы служили, во-первых, строгая последовательность в выполнении ее элементарных шагов и, во-вторых, возможность хранения и изменения программы наряду с данными для вычислений в общей с ними памяти. Таким образом, программа сама становилась объектом обработки вместе с арифметическими значениями, над которыми, собственно, и должны были производиться все действия. Когда появились первые компьютеры, то их устройство следовало принципам, сформулированным фон Нейманом (архитектура фон Неймана). Исполнение программ в первых электронно-вычислительных машинах сводилось к выполнению арифметическим устройством (позже оно стало называться процессором) элементарных шагов, называемых командами, которые строго последовательно производили определенные действия над арифметическими значениями или другими командами, хранящимися в оперативной памяти компьютера. Изменять команды нужно было для того, чтобы организовать циклическое повторение участков программы и своевременное завершение таких повторений. В конце 50-х годов 20 века появились первые языки программирования высокого уровня, в них уже произошел существенный отход от принципов фон Неймана. Во-первых, программа раз и навсегда была отделена от данных. Во-вторых, во время исполнения программы ее текст оставался неизменным, а организация циклического повторения команд в ходе исполнения программы была возложена на систему 5 программирования, которая уже и должна была перевести (транслировать) текст программы в систему команд компьютера так, чтобы ее исполнение происходило в соответствии с написанным текстом. Единственный принцип, остававшийся неизменным, был принцип последовательного исполнения, в соответствии с которым исполнение программы можно было разложить на строго последовательные элементарные шаги алгоритма. Поэтому до сих пор программирование в традиционном стиле часто называют «фон-Неймановским». Со временем принцип последовательного исполнения стал серьезным препятствием для развития компьютерной техники. Самым узким местом вычислительных систем уже долгое время остается тот самый процессор, который последовательно исполняет элементарные команды. Конечно, скорость работы современных процессоров не сравнить со скоростью работы арифметических устройств первых ЭВМ, однако, производительность компьютеров сейчас, как и раньше, ограничена, в основном, именно этим центральным устройством. Именно скорость работы центрального процессора имеет решающее значение при определении общей производительности компьютера. Скорость работы процессора стала зависеть уже не столько от его архитектуры и технологических элементов, сколько просто от его размеров, потому что на скорость работы решающее влияние стала оказывать скорость прохождения сигналов по цепям процессора, которая, как известно, не может превысить скорости света. Чем меньше процессор, тем быстрее смогут внутри него проходить сигналы, и тем больше оказывается конечная производительность процессора. Размеры процессора уменьшились многократно, однако, все труднее стало отводить от такого миниатюрного устройства вырабатываемое при работе его элементов тепло. Перед производителями вычислительной аппаратуры встал очень серьезный вопрос: дальнейшее повышение производительности стало почти невозможным без изменения основополагающего принципа всего современного программирования – последовательного исполнения команд. Конечно, можно так спроектировать вычислительную систему, чтобы в ней могли одновременно работать несколько процессоров, но, к сожалению, это почти не дает увеличения производительности, потому что все программы, написанные на традиционных языках программирования, предполагают последовательное выполнение элементарных шагов алгоритма почти так же, как это было во времена фон Неймана. Время от времени предпринимаются попытки ввести в современные языки программирования конструкции для параллельного выполнения фрагментов кода, однако языки "сопротивляются". Оказывается, думать об организации параллельного выполнения фрагментов программы – это 6 довольно сложная задача, которая успешно решается человеком только для весьма ограниченных случаев. Проблему можно решать различными способами. Во-первых, можно попробовать написать специальную программу, которая могла бы проанализировать имеющийся программный текст и автоматически выделить в ней фрагменты, которые можно выполнять параллельно. К сожалению, такой анализ произвольного программного кода очень труден. Последовательность выполнения шагов алгоритма очень трудно предсказать по внешнему виду программы, даже если программа «хорошо структурирована». Второй способ перейти к параллельным вычислениям – это создать такой язык программирования, в котором сам алгоритм имел бы не последовательную структуру, а допускал бы независимое исполнение отдельных частей алгоритма. Но против этого восстает весь накопленный программистами опыт написания программ. Тем не менее, оказалось, что опыт написания программ, не имеющих строго последовательной структуры, на самом деле есть. Почти одновременно с первым "традиционным" языком программирования – Фортраном появился еще один совершенно непохожий на него язык программирования – Лисп, для которого последовательность выполнения отдельных частей написанной программы была несущественной. Ветвь программирования, начатая созданием Лиспа, понемногу развивалась с начала 60-х годов 20 века и привела к появлению целой плеяды очень своеобразных языков программирования, которые удовлетворяли всем требованиям, необходимым для исполнения программ несколькими параллельными процессорами. Во-первых, алгоритмы, записанные с помощью этих языков, допускают сравнительно простой анализ и формальные преобразования программ, а во-вторых, отдельные части программ могут исполняться независимо друг от друга. Языки, обладающие такими замечательными свойствами – это и есть языки функционального программирования. Помимо своей хорошей приспособленности к параллельным вычислениям языки функционального программирования обладают еще рядом приятных особенностей. Программы на этих языках записываются коротко, часто много короче, чем в любом другом традиционном (императивном) языке. Описание алгоритмов в функциональном стиле сосредоточено не на том, как достичь нужного результата (в какой последовательности выполнять шаги алгоритма), а больше на том, что должен представлять собой этот результат.

Особенности функционального программирования

Основной особенностью функционального программирования, определяющей как преимущества, так и недостатки данной парадигмы, является то, что в ней реализуется модель вычислений без состояний. Если императивная программа на любом этапе исполнения имеет состояние, то есть совокупность значений всех переменных, и производит побочные эффекты, то чисто функциональная программа ни целиком, ни частями состояния не имеет и побочных эффектов не производит. То, что в императивных языках делается путём присваивания значений переменным, в функциональных достигается путём передачи выражений в параметры функций. Непосредственным следствием становится то, что чисто функциональная программа не может изменять уже имеющиеся у неё данные, а может лишь порождать новые путём копирования и/или расширения старых. Следствием того же является отказ от циклов в пользу рекурсии.

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 (рис. 1) 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.

Сильные стороны

Повышение надёжности кода

Привлекательная сторона вычислений без состояний — повышение надёжности кода за счёт чёткой структуризации и отсутствия необходимости отслеживания побочных эффектов. Любая функция работает только с локальными данными и работает с ними всегда одинаково, независимо от того, где, как и при каких обстоятельствах она вызывается. Невозможность мутации данных при пользовании ими в разных местах программы исключает появление труднообнаруживаемых ошибок (таких, например, как случайное присваивание неверного значения глобальной переменной в императивной программе).

Удобство организации модульного тестирования

Поскольку функция в функциональном программировании не может порождать побочные эффекты, менять объекты нельзя как внутри области видимости, так и снаружи (в отличие от императивных программ, где одна функция может установить какую-нибудь внешнюю переменную, считываемую второй функцией). Единственным эффектом от вычисления функции является возвращаемый ей результат, и единственный фактор, оказывающий влияние на результат — это значения аргументов.

Таким образом, имеется возможность протестировать каждую функцию в программе, просто вычислив её от различных наборов значений аргументов. При этом можно не беспокоиться ни о вызове функций в правильном порядке, ни о правильном формировании внешнего состояния. Если любая функция в программе проходит модульные тесты, то можно быть уверенным в качестве всей программы. В императивных программах проверка возвращаемого значения функции недостаточна: функция может модифицировать внешнее состояние, которое тоже нужно проверять, чего не нужно делать в функциональных программах.

Возможности оптимизации при компиляции

Традиционно упоминаемой положительной особенностью функционального программирования является то, что оно позволяет описывать программу в так называемом «декларативном» виде, когда жесткая последовательность выполнения многих операций, необходимых для вычисления результата, в явном виде не задаётся, а формируется автоматически в процессе вычисления функций. Это обстоятельство, а также отсутствие состояний даёт возможность применять к функциональным программам достаточно сложные методы автоматической оптимизации.

Возможности параллелизма

Ещё одним преимуществом функциональных программ является то, что они предоставляют широчайшие возможности для автоматического распараллеливания вычислений. Поскольку отсутствие побочных эффектов гарантировано, в любом вызове функции всегда допустимо параллельное вычисление двух различных параметров — порядок их вычисления не может оказать влияния на результат вызова.

Недостатки

Недостатки функционального программирования вытекают из тех же самых его особенностей. Отсутствие присваиваний и замена их на порождение новых данных приводят к необходимости постоянного выделения и автоматического освобождения памяти, поэтому в системе исполнения функциональной программы обязательным компонентом становится высокоэффективный сборщик мусора. Нестрогая модель вычислений приводит к непредсказуемому порядку вызова функций, что создает проблемы при вводе-выводе, где порядок выполнения операций важен. Кроме того, очевидно, функции ввода в своем естественном виде (например, getchar из стандартной библиотеки языка C) не являются чистыми, поскольку способны возвращать различные значения для одних и тех же аргументов, и для устранения этого требуются определенные ухищрения.

Для преодоления недостатков функциональных программ уже первые языки функционального программирования включали не только чисто функциональные средства, но и механизмы императивного программирования (присваивание, цикл, «неявный PROGN» были уже в Лиспе). Использование таких средств позволяет решить некоторые практические проблемы, но означает отход от идей (и преимуществ) функционального программирования и написание императивных программ на функциональных языках. В чистых функциональных языках эти проблемы решаются другими средствами, например, в языке Haskell ввод-вывод реализован при помощи монад — нетривиальной концепции, позаимствованной из теории категорий.