Общее представление о функциональном программировании и его применении

Идея функционального программирования опирается на интуитивное понятие о функциях как о достаточно общем механизме представления и анализа решений сложных задач. Механизм функций основательно изучен математиками, и это позволяет программистам наследовать выверенные построения, обладающие предельно высокой моделирующей силой [1]. Систематическое применение функционального программирования впервые достаточно ярко было продемонстрировано Джоном Маккарти и его учениками в методах реализации языка Лисп и программирования на этом языке. Наиболее очевидные из этих методов были успешно ассимилированы другими языками и системами программирования. Обычно про функциональное программирование вспоминают при смене технологий, когда возрастает роль аналитики и исследовательских задач. В настоящее время часто употребляют термин "функциональность" при сравнительной характеристике информационных систем, что, видимо, свидетельствует о проявлении новой метрики, заслуживающей отдельного рассмотрения [2].

Функциональный стиль объединяет разные подходы к определению процессов вычисления на основе достаточно строгих абстрактных понятий и методов символьной обработки данных. Связь функционального программирования с математическими основами позволяет в тексте программы наследовать доказательность построения результата, если она достигнута, причем с использованием разных методов абстрагирования решаемой задачи [2] [3].

Сложность решения задач с помощью функциональных определений преодолевается чисто алгебраически: нацеленностью на формализацию основного множества объектов и определения полной семантической системы операций над ними. Это позволяет представлять классы задач и их решений строгими формулами, для наглядности упрощаемыми введением дополнительных функциональных символов. При необходимости такие символы вносятся в опpеделение алгебраической системы, что приводит к ее расширению. Вводятся новые функции, подобные леммам и другим вспомогательным построениям в математике. Активно используется рекурсия и символьные обозначения как данных, так и действий и любых формул, удобных при определении функций.

Формально такое расширение является консервативным (новый символ определен с помощью старых), оно гарантирует сохранение всех функциональных свойств исходной системы. 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.

Следует отметить, что при формальной эквивалентности разные расширения одного и того же базиса могут поддерживать различные применения и восприниматься как совершенно разные системы. Программисты вынуждены строить расширения, которые выглядят неконсервативными, так как целью их работы является именно изменение ряда характеристик функционирования исходной системы (компьютера, системы программирования и т.п.) с частичным сохранением заданных функциональных свойств.

Большинство систем программирования разработано с ориентацией на расширение, уточнение и настройку пользователем реализованных программных средств, свойства которых определены и обеспечены в процессе разработки. Такое разделение труда естественно при ориентации на решение задач с исчерпанным или четко ограниченным исследовательским компонентом. Но исходная разработка любой системы включает фазу формирования базиса и наполнения ядра системы в терминах, которые не сводятся к ее языку. Это позволяет независимо рассматривать один еще более общий уровень — аппликативные системы, в которые можно включать любые символы с определенным смыслом. Поведение такой системы будет обусловлено набором включенных в нее символов.

Основная трудность перехода к функциональному программированию — соблазн легкого пути, т.е. стремление быстро смоделировать привычные средства и методы программирования. Более надежный путь — исследовать функциональное программирование как незнакомый мир. Идеи функционального программирования легче воспринять как самостоятельную теорию или интеллектуальную игру, которая новыми путями непременно приведет к знакомым и интересным задачам, но обеспечит преимущество — изящные решения и глубину понимания.

Джон Маккарти предложил проект языка Лисп (LISP - LISt Processing) в качестве средства исследования границ применимости компьютеров, в частности, методом решения задач искусственного интеллекта. Идеи этого языка вызвали не утихающие по сей день дискуссии о приоритетах в программировании и сущности программирования. Лисп послужил эффективным инструментом экспериментальной поддержки теории программирования и развития сферы его применения. Рост интереса к Лиспу коррелирует с улучшением элементной базы, повышением эксплуатационных характеристик оборудования и появлением новых сфер применения ИТ.

Существует и активно применяется более трехсот диалектов Лиспа и родственных ему языков: Interlisp, muLisp, Clisp, Scheme, ML, Cmucl, Logo, Hope, Sisal, Haskell, Miranda и др.