Linguagens Funcionais

Universidade Estadual de Santa CruzConceitos de Linguagens de Programação

Aluno: Pedro Arthur M. Nascimento

Ilhéus-Ba, 05 de Novembro de 2012

Introdução O projeto de linguagens funcionais é baseado em funções

matemáticas

Programação com alto nível de abstração

Forte fundamentação teórica, o que permite mais facilmente provas de propriedades sobre os programas

Linguagens  funcionais, especialmente as puramente funcionais, tem sido mais usadas academicamente que no desenvolvimento comercial de software

Importantes influências na programação funcional foram o cálculo lambda, as linguagens de programação APL e Lisp, e mais recentemente ML, Haskell e F#

Algumas Características As expressões são a representação exata da

informação;

As expressões podem ser associadas a nomes;

Todos os nomes que de uma expressão tem um valor único e imutável;

Os valores dependem dos valores das sub-expressões que as constituem;

Não permite efeito colateral em funções, a linguagem oferece transparência referencial.

Antecedentes Históricos

Década de 1930: Alonzo Church desenvolve o cálculo

lambda, uma teoria de funções simples, mas poderosa

Antecedentes Históricos

Década de 1950: John McCarthy desenvolve Lisp, a

primeira linguagem funcional,com algumas influências do cálculo lambda, mas mantendo as atribuições de variáveis.

Antecedentes Históricos

Década de 1960: Peter Landin desenvolve ISWIM, a

primeira linguagem funcional pura, baseada fortemente no cálculo lambda, sem atribuições.

Antecedentes Históricos

Década de 1970: John Backus desenvolve FP, uma linguagem funcional que enfatiza funções de ordem superior e raciocínio sobre programas.

Robin Milner e outros desenvolvem ML, a primeira linguagem funcional moderna, que introduziu a inferência de tipos e tipos polimórficos.

Antecedentes Históricos

1987: Um comitê internacional de pesquisadores inicia o desenvolvimento de Haskell, uma linguagem funcional lazy padrão.

Antecedentes Históricos

2003: O comitê publica o relatório Haskell 98, a definição de uma versão estável da linguagem Haskell.

2009: O comitê publica o relatório Haskell 2010, uma revisão da definição da linguagem Haskell.

(Lambda) λ-Cálculo O cálculo lambda pode ser considerado a primeira

linguagem de programação funcional, embora nunca tenha sido projetada para ser realmente executada em um computador

Um programa funcional e composto por uma única expressão

Essa expressão deve descrever detalhadamente uma funcao e um elemento do dominio daquela funcão

A reducão de um programa consiste em substituir uma parte da expressao original, obedecendo a certas regras de reescrita;

Operações Básicas λ

Expressões lambda são aplicadas aos parâmetros colocando os parâmetros após a expressão(λ(x) x * x * x)(2),que é avaliado como sendo 8.

Outro exemplo: seja F a expressão X + 5, sendo X uma variável;▪ Essa expressão é indeterminada, no sentido

que a variável X está livre para assumir qualquer valor arbitrário;

Operações Básicas λ Substituição:

[ X ← 4 ] resulta na expressão 4 + 5; Abstração:

A abstração λX.F, ou seja, λX.(X + 5), denota a função matemática que, para cada valor de X, associa o valor X + 5;

Nessa expressão, a variável X não está mais livre para assumir um valor arbitrário;

Aplicação: Um sistema de reduções deve permitir que se

produza a sequencia de expressões λX.(X + 5) 4 => 4 + 5 => 9;

Estratégias de redução As propriedades de confluência e terminação

garantem que qualquer sequencia de reduções deve levar ao mesmo resultado final;

Diferentes estratégias para organizar essas sequencias, entretanto, podem levar a sequencias menores para λ-termos específicos;

Duas estratégias fundamentais: De dentro para fora (a priori);

Do inglês Eager (gananciosa); De fora para dentro (sob demanda);

Do inglês Lazy (sossegada);

Estratégias de redução

De fora pra dentro(a priori)

Estratégias de redução De fora para dentro (sob demanda)

Estratégias de redução Características:

De dentro para fora (a priori): Implementação mais simples; Pode ocorrer de tentativas infinitas de

reduções; Interpretadores e compiladores mais

compactos; De fora para dentro (sob demanda):

Resultados intermediários; Função, durante a redução,

computacionalmente difícil ou demorada;

Formas Funcionais

Função: Regra para mapear elementos de um conjunto (conjunto domínio) em outro conjunto (conjunto imagem / contradomínio)

– cubo(x) ≡ x * x * x, em que x é um número real• O símbolo “≡”, indica “definido como”.• O parâmetro x pode representar qualquer elemento do conjunto domínio.

Formas Funcionais

Forma funcional ou função de ordem superior: toma funções como parâmetros, produz uma função como seu resultado, ou ambos.

Formas Funcionais: – Composição de funções– Construção– Apply-To-All

Formas Funcionais: Composição de Funções Composição de funções, onde uma

função mais complexa é composta de funções mais simples.

• h ≡ f °g (indica que h é função composta de f e g)

• f(x) ≡ x + 2• g(x) ≡ 3 * x• h(x) ≡ f ( g (x))), ou h (x) ≡ (3 * x) +

2

Formas Funcionais: Construção Construção, forma funcional que

toma lista de funções como parâmetros e aplica esta a um determinado argumento.

• g(x) ≡ x * x• h(x) ≡ 2 * x• i(x) ≡ x / 2• [g,h,i](4) produz (16,8,2)

Formas Funcionais: Apply-to-all É uma forma funcional que toma

uma única função como parâmetro e se aplica a uma lista de argumentos, gerando uma lista como saída

Forma: αPara h (x) ≡ x * xα( h, (2, 3, 4)) produz (4, 9, 16)

Trabalhando com programação funcional Uma caracteristica muito importante da programação funcional é

a construção de definições. Uma lista de definições chama-se script. Exemplo de script:

square x = x * x somaEmult x y = 3 * (x + y) No script acima duas funções, square e somaEmult foram

definidas. A função square toma um valor x e o multiplica por ele mesmo. A função somaEmult devolve a soma de seus argumentos multiplicada por 3. Nota-se que as funções foram definidas através de equações e que uma definição pode ser considerada como uma definição lógica de como a função se comporta. Em outras palavras, uma definição funcional pode ser vista como uma especificação do problema.

Trabalhando com programação funcional Tendo criado scripts pode-se usá-los em uma

avaliação no computador. Exemplos:> square (2 + 3)25> somaEmult 1 29> square (somaEmult 2 4)324O objetivo de uma definição é ligar um nome a um

valor. No script anterior, por exemplo, o nome square é associado a uma função que eleva um valor ao quadrado.

Exemplos de linguagens deste paradigma - LISP

Família de linguagens de programação concebida por John McCarthy em 1958.

A mais antiga e mais amplamente usada. LISP – List Processing (a lista é a estrutura

de dados fundamental desta linguagem). Com exceção da primeira versão, todos os

dialetos incluem algumas características de linguagens imperativas:Variáveis,instruções de atribuição,iteração.

Aplicações - LISP LISP é versátil e poderosa. LISP foi desenvolvida para computação simbólica e

aplicações de processamento de listas. Editor de texto escrito em LISP: EMACS Cálculos simbólicos: MACSYMA Ensino introdutório de programação. LISP na Inteligência Artificial:● Sistemas Especialistas.● Representação do conhecimento.● Aprendizado de máquina.● Processamento de linguagem natural.● Sistemas de treinamento inteligente.● Modelagem da fala e visão.

LISP

Funções como: QUOTE (evita a avaliação de um

parâmetro) CAR (retorna o primeiro elemento

de uma lista) CRD (Retorna o restante da lista

depois que o seu CAR é removido).

Exemplos de linguagens deste paradigma Scheme: Dialeto do LISP, surgiu no

MIT na década de 70. – Interpretador scheme é um laço

infinito de leitura-avaliação-escrita. – Outras funções: • CONS e LIST (construtores de lista) • EQ?, NULL? e LIST?, avaliam e

retornam valores booleanos (#T e #F).

Exemplos de linguagens deste paradigma APL: Muitos aspectos funcionais FP: semelhante a APL Common LISP: junção de recursos de

LISP e Scheme Permite o uso da função PROG, para

sequenciar instruções, como em uma linguagem imperativa

Possui rótulos e funções GO e RETURN para controle de iteração.

Linguagens imperativas x Linguagens funcionais Linguagem Imperativas

Execução eficiente Semântica Complexa Sintaxe complexa Concorrência é formulada pelo programador Na programação imperativa o programador

deve fazer uma divisão estática do programa em suas partes concorrentes, e escrever estas partes como novas tarefas.

Entender programas concorrentes em linguagens imperativas é muito mais difícil.

Linguagens imperativas x Linguagens funcionaisLinguagens Funcionais

Semântica simples Sintaxe simples Execução ineficiente Programas podem ser feitos concorrentes de maneira

automática A recursão é a forma das linguagens funcionais para

representar iterações. A recursão não é característica de algumas linguagens imperativas.

Programas funcionais podem ser convertidos em grafos e então executados por um processo de redução de grafos

• Na programação funcional a regra é definir funções em função deoutras funções. Na definição procedural, as regras são definidas por passos a serem executados.

Vantagens – Linguagens Funcionais Um alto nível de abstração, especialmente quando as

funções são utilizadas, suprimindo muitos detalhes da programação e minimizando a probabilidade da ocorrência de muitas classes de erros.

A não dependência das operações de atribuição permite aos programas avaliações nas mais diferentes ordens. Esta característica de avaliação independente da ordem torna as linguagens funcionais as mais indicadas para a programação de computadores massissamente paralelos.

A ausência de operações de atribuição torna os programas funcionais muito mais simples para provas e análises matemáticas do que os programas procedurais.

Desvantagens – Linguagens Funcionais Menor eficiência. Problemas que envolvam muitas

variáveis (ex. contas de banco) ou muitas atividades seqüenciais são muitas vezes mais fáceis de se trabalhar com programas procedurais ou programas orientados a objeto.

Referências

–[SEB00] SEBESTA, R. Conceitos de Linguagens de Programação . 4. ed. Bookman, 2000.

Flavio Miguel Varejao; Linguagens de Programação - Conceitos e Técnicas.

Slides do professor Marcelo Honda