函数式编程,或称函数程式设计、泛函编程(英语:Functional programming),是一种编程范型,它将电脑运算视为函数运算,并且避免使用程序状态以及可变物件。
简介
在函数式编程中,函数是头等对象即头等函数,这意味着一个函数,既可以作为其它函数的输入参数值,也可以从函数中返回值,被修改或者被分配给一个变量。λ演算是这种范型最重要的基础,λ演算的函数可以接受函数作为输入参数和输出返回值。
比起指令式编程,函数式编程更加强调程序执行的结果而非执行的过程,倡导利用若干简单的执行单元让计算结果不断渐进,逐层推导复杂的运算,而不是设计一个复杂的执行过程。
历史
阿隆佐·邱奇在1930年代开发的λ演算[1],是建造自函数应用的一种计算形式系统。在1937年,艾伦·图灵证明了λ演算和图灵机是等价的计算模型[2],展示了λ演算是图灵完备性的。λ演算形成了所有函数式编程语言的基础。另一种等价的理论公式化是组合子逻辑,它由Moses Schönfinkel和哈斯凯尔·柯里在1920年代和1930年代开发[3]。
邱奇后来又开发了简单类型λ演算,它通过向所有的项指定一个类型而扩展了λ演算。[4]这个系统形成了静态类型函数式编程的基础。
于20世纪50年代后期,John McCarthy在麻省理工学院,开发了早期的函数式语言LISP,运行在大型IBM主机(IBM700/7000系列)上[5]。LISP的函数定义借鉴了邱奇的λ表示法[6],并扩展了标签构造来允许递归函数[7]。最开始的LISP是多范型语言,并且随着新的范型的发展,越来越多的编程风格得到了支持。后来发展出来的方言比如Scheme、Clojure,和分支语言比如Dylan等,试图围绕一个清晰的函数式核心,来得出简化和理性化的LISP,而Common Lisp旨在保留并更新它所替代的各种更早先LISP方言的那些范型特征。[8]
而于1956年发明的IPL语言,一般被认为是第一个基于电脑的函数式编程语言。[9] 它是一种用于操纵符号列表的汇编式语言。它有一个生成器的概念,相当于一个接受函数作为参数的函数,并且,由于它是汇编级语言,代码可以是数据,因此IPL可以被视为具有高阶函数。但是,它在很大程度上依赖于改变列表的结构和类似的指令式编程特征。
在1960年代早期,Kenneth E. Iverson开发了APL语言,在他1962年出版的《A Programming Language》一书中对其有所介绍。[10]APL对John Backus的FP语言施加了巨大的影响。在20世纪90年代早期,Iverson和Roger Hui创造了J语言。在20世纪90年代中期,以前曾与Iverson合作过的Arthur Whitney创建了K语言,后者在金融行业中与其派生出来的Q语言一起被商业化使用。
1977年John Backus在他的图灵奖颁奖演讲《编程可以从冯·诺依曼式风格中解放出来吗?一种函数式风格及其程序代数》中,展示了他提出的FP[11]。他将函数式编程定义为通过“组合形式”以分层方式构建,允许“程序代数”; 在现代语言中,这意味着函数式程序应遵循复合性原理。Backus的论文推广了函数式编程的研究,虽然它强调的是函数级编程而不是现在所说的λ演算风格。
1973年爱丁堡大学的Robin Milner发明了ML语言,它的语法受到了ISWIM的启发。同年,David Turner在圣安德鲁斯大学开发了SASL语言,它基于了ISWIM的应用式子集[12]。在1976年,Turner重新设计并重新实现它为惰性求值语言[13]。在20世纪70年代的爱丁堡,Rod Burstall和John Darlington开发了NPL语言。[14] NPL基于Kleene的递归方程,并在他们的程序转换工作中首次引入。[15] 然后Rod Burstall、David MacQueen和Don Sannella结合了来自ML的多态类型检查,从NPL派生出了Hope语言。[16]ML最终发展成几种语言,其中最常见的是OCaml和Standard ML。
在1970年代,Guy L. Steele和Gerald Jay Sussman开发了Scheme,如有影响力的“λ论文集”和经典的1985年教科书《电脑程序的构造和解释》中所描述的那样。Scheme是使用词法作用域和尾调用优化的第一个Lisp方言,将函数式编程的影响力提升到更广泛的范围,让更多的编程语言社区接触到它们。
在1980年代,佩尔·马丁-洛夫开发了直觉类型论(也称为构造类型论),它将函数式编程与表现为依赖类型的数学证明联络起来。这导致了交互式定理证明的新方法的产生,并影响了后续的函数式编程语言的发展。
在1985年David Turner开发的惰性求值函数式语言Miranda出现,它采用了来自ML与Hope语言的概念,作为他先前所设计的SASL和KRC语言的后继者。Miranda对后来的Haskell有很强的影响,由于它当时是专有软件,所以Haskell社区于1987年开始达成共识,以形成函数式编程研究的开放标准,对标准的实现自1990年以来一直在进行中。
最近,它在基于CSG几何框架构建的OpenSCAD语言的参数CAD中得到了应用,虽然在重新赋值上的限制(所有值都被当作常量),导致了不熟悉函数式编程的用户混淆。[17]
应用
函数式编程长期以来在学术界流行,但几乎没有工业应用。造成这种局面的主因是函数式编程常被认为严重耗费CPU和存储器资源[18] ,这是由于在早期实现函数式编程语言时并没有考虑过效率问题,而且面向函数式编程特性,如保证参照透明性等,要求独特的数据结构和算法。[19]
然而,最近几种函数式编程语言已经在商业或工业系统中使用[20],例如:
- Erlang,它由瑞典公司爱立信在20世纪80年代后期开发,最初用于实现容错电信系统。此后,它已在Nortel、Facebook、Électricité de France和WhatsApp等公司作为流行语言建立一系列应用程式。[21][22]
- Scheme,它被用作早期Apple Macintosh电脑上的几个应用程式的基础,并且最近已应用于诸如训练模拟软件和望远镜控制等方向。
- OCaml,它于20世纪90年代中期推出,已经在金融分析,驱动程式验证,工业机器人编程和嵌入式软件静态分析等领域得到了商业应用。
- Haskell,它虽然最初是作为一种研究语言,也已被一系列公司应用于航空航天系统,硬件设计和网络编程等领域。
其他在工业中使用的函数式编程语言包括多范型的Scala[23]、F#,还有Wolfram语言、Common Lisp、Standard ML和Clojure等。
教育方面,函数式编程一直受到了很大的重视,很多学校使用函数式编程来教授算法和几何的相关概念[24]。
典型的函数式编程语言
纯函数式编程语言通常不允许直接使用程序状态以及可变对象,典型语言有:Miranda、Haskell和Idris等。
非纯函数式编程语言可按类型系统分为两类:
参考文献
外部链接
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