Linguagens Funcionais Universidade Estadual de Santa Cruz Conceitos

Linguagens Funcionais Universidade Estadual de Santa Cruz Conceitos 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 programação APL e Lisp, recentemente ML, Haskell e F# linguagens e de mais

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 Mc. Carthy 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 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)(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: Abstração: [ X ← 4 ] resulta na expressão 4 + 5; A abstração λX. F, ou seja, λX. (X + 5), denota a função matemática que, para cada valor de X, associa o valor X + 5; Aplicação: Nessa expressão, a variável X não está mais livre para assumir um valor arbitrário; 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 λtermos 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, 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: α Para h (x) ≡ x * x α( 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 soma. Emult x y = 3 * (x + y) No script acima duas funções, square e soma. Emult foram definidas. A função square toma um valor x e o multiplica por ele mesmo. A função soma. Emult 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 > soma. Emult 1 2 9 > square (soma. Emult 2 4) 324 O 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 Mc. Carthy 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 funcionais Linguagens 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 �–[SEB 00] 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