Föreläsning 11: Funktionella språk

1. Föreläsning 11: Funktionella språk • Funktioner och variabler i matematiken • Funktionella språk • LISP (Scheme), ML och HASKELL • Lat evaluering Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

2. Om funktioner (välbekanta fakta!?) • A är funktionens domän och B är dess värdemängd • Funktionens värde för ett argument aA noteras som f(a) och är det b som uppfyller (a,b)  f • Värdet kan vara odefinierat (om b inte existerar) men inga flertydigheter kan förekomma • Om f(a) alltid är definierat är ftotal, annars är den partiell Låt A och B vara mängder. En (partiell) funktionf:A  B är en delmängd i A  B så att det, för varje aA, finns max ett bB där (a,b)f. Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

3. Exempel: Fibonacci-funktionens definition n om n  1 fib(n1) + fib(n2) annars fib(n) = Matematisk funktionsdefinition • Uttryck, villkor och rekursion är de vanligaste hjälpmedlen som används för att definiera funktioner I matematiken är sättet på vilket en funktion f definieras absolut irrelevant så länge definitionen är exakt (och f faktiskt är en funktion enligt den generella definitionen). Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

4. Variablernas roll i matematiken • Det finns inget begrepp som ett yttre tillstånd som kan påverka resultatet – under alla omständigheter är fib(6) lika med 8. Den här egenskapen kallas betydelsemässiggenomskinlighet (eng. referential transparency) En variabel som t.ex. n i fib(n) = … är en platshållare för ett godtyckligt men fast värde (dvs. n står för samma värde överallt i definitionen). Definitionen ska läsas ut "För alla n gällerfib(n) = …". (Jämför med imperativa programspråk där en variabel står för ett specifikt men föränderligt värde!) Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

5. Funktionella språk • Variabler har ha samma karaktär som i matematiken • Om uttryckens värde inte påverkas av kontexten är språket betydelsemässigt genomskinligt eller rent funktionellt ( inga som helst sidoeffekter) • Betydelsemässig genomskinlighet förenklar språkets semantik betydligt (därför att definitionen inte behöver ta hänsyn till ett dynamiskt föränderligt tillstånd) Med funktionella språk försöker man överföra det mate-matiska funktionsbegreppet till programmeringen. Språken kallas ibland för applikativa programspråk: För att få resultat utvärderas uttryck bestående av funktionsapplikationer. Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

6. Funktionella språk (2) Viktiga ingredienser i ett funktionellt språk är ofta • begreppet (och notation för) funktionsapplikation • några primitiva datatyper och funktioner samt möjligheter att kombinera funktioner och datatyper till nya sådana • att betrakta funktioner som vanligt data(funktioner är "first-class citizens") funktioner kan vara in- och utdata till andra funktioner, så kallade högre ordningens funktioner (eng.higher-order function eller functional form), t.ex. komposition '': h = f  g  h(x) = f(g(x))kombination '[…]': h = [f1,…,fk]  h(x)= (f1(x),…,fk(x))iteration 'map': h = map f  h(x1…xk) = f(x1)…f(xk) Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

7. Det äldsta funktionella språket: LISP • LISP utvecklades kring 1960 av McCarthy och kan betraktas som en programspråksvariant av l-kalkylen • Till skillnad från imperativa språk syftar LISP inte på numeriska utan på symboliska beräkningar • Listan (över symboler och listor) var den enda datatypen uttryck, funktioner, … representeras som listor • Den universella funktionen EVAL som McCarthy skrev i LISP utvärderar LISP-uttryck; dess implementation blev den första LISP-interpretatorn • Interpretatorn använder sig av read-eval-print-loopen som sedan dess blivit del av många interpretatorer Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

8. Scheme • Variant av Lisp med statisk räckvidd, första klassens funktioner, inga onödigheter (enkel syntax & semantik) • Ex (member):(DEFINE (member a lst) (COND ((NULL? lst) ’()) ((EQ a (CAR lst)) #T) (ELSE (member a (CDR lst))))) • Som jämförelse, ML:fun member a [] = false | member a (h::t) = a=t orelse member a t; Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

9. ML och HASKELL • ML och HASKELL är (betydligt) nyare och påminner syntaktiskt mer om andra programspråk • Semantiska fördelar jämfört med LISP • typer och typdeklarationer • typinferens • strikt typkontroll • möjlighet att definiera (parametriserade) ADT:er • Viktigaste skillnader mellan ML och HASKELL • ML tillåter programmering i imperativ stil medan HASKELL är helt betydelsemässigt genomskinligt (inga sidoeffekter) • MLs evalueringsstrategi är strikt (eng. eager evaluation) medan HASKELLs är lat (eng. lazy evaluation) Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

10. Lat evaluering Vid lat evaluering kan oändliga datastrukturer användas: Lat evaluering utvärderar endast de deluttryck vars värde behövs för att komma fram till resultatet. intsfrom n = n : intsfrom (n + 1) ints = intsfrom 1 Medlemsskap i ordnad lista. (”Guards” styr val av uttryck) memberOf (elem:rest) n | elem < n = memberOf rest n | elem == n = True | otherwise = False Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

11. Lat evaluering (2) • Användbart för att separera beräkningar och kontroll.Beräkningsdel: Beräkna nödvändiga värden och stoppa in dem i t ex en lat lista.Kontrolldel: Traversera datastrukturen och ta fram önskade värden. • Ex: Beräkna kvadratroten ur x med Newton-Raphsons metod.yn+1 = 0.5 * (yn + x/yn) (ML-notation nedan) • fun apsqr x =letfun from app = app:: from(0.5 * (app + x/app))in from 1.0end • fun diff eps (a1:: a2:: as) =if abs (a1-a2) <= eps then a2 else diff eps (a2:: as) • val sqrt = diff 0.0001 o apsqr Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap

12. Mera Haskell • Typklasser≈OO-klasser med bara funktioner, arv • ”List comprehensions”Jfr mängduttryck. evens = [n|n<-ints; n mod 2 = 0] qsort [] = []qsort (h:t) = qsort[b|b<-t, b<=h] ++ [h] ++ qsort[b|b <-t, b>h] Lennart Edblom, Frank Drewes, Inst. f. datavetenskap