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函数式程序设计 发布于:

函数式程序设计是一种设计、编制和调试函数式程序的技术,是由一些原始函数、定义函数和函数型组成的函数表达式。函数语言以λ-演算为其语义基础, 它的基本机制是函数对参数的作用, 函数是程序的基本项, 程序的编制便是函数的递归构造过程。

传统程序设计语言中的赋值等概念,在函数式程序设计语言中消失。函数式程序的一个最本质的特性,就是函数值唯一地由其参数值所确定。只要使用相同的参数值,对此程序的不同的调用总是得到相同的结果。这种性质称为引用透明性,有助于程序的模块化。函数式程序设计语言具有较强的组织数据结构的能力,可以把某一数据结构(如数组)作为单一值处理;可以把函数作为参数,其结果也可为函数,这种定义的函数称为高阶函数。这些由函数表达式所表示的程序简明、紧凑和易于维护。

过去,这种程序设计称为应用性程序设计。1977年,J.巴克斯提出函数式程序设计的概念。一般认为表处理语言(LISP)是最早的函数式程序设计语言。但是,LISP的重点是将函数应用于对象,以产生新的对象,必要时再上升为函数。巴克斯所提出的函数式程序设计,则是引用函数型产生新函数,程序设计时从一般的对象空间上升到函数空间,因而具有优越的数学性质,有助于程序的理解、推理和验证。

由于函数式程序设计语言的简明性和独特的表达能力,可用它来研究传统程序设计语言的语义。一种方法是用于确定一个解释程序的定义,作为被研究的语言的语义;另一种方法是将被研究的语言写成的程序转换成与之等价的函数式程序。在人工智能领域中,需要用复杂的算法去处理一些复杂的(通常是符号的)数据结构。LISP语言成功地应用于这一领域,说明了函数式程序设计的独特优越性。巴克斯分析了传统程序设计语言的缺陷,认为这些缺陷主要是由于诺伊曼式系统结构所造成的。他所提出的函数式程序设计(简称FP),摆脱了传统的诺伊曼计算机结构,需要一种新的非诺伊曼式的系统结构为后援。一些具有新概念的计算机,如归约机、数据流机,以及专为某种函数式语言(如FP)设计的计算机正在研究和发展中。现代既需要研究在诺伊曼式计算机上如何更有效地实现函数式程序设计语言的问题,也需要研究适应这种语言的新型计算机结构。

函数式程序设计受到重视的原因有很多。首先,由于产生了“软件危机”,人们企图探讨一种摆脱这种困境的新型程序设计方式,而函数式程序设计具有不少独特之处。其次,超大规模集成电路技术的发展,为发挥函数式程序设计语言的潜在并行性提供了物质基础。可以预期,一些具有诸如高度并行性等特点的非诺伊曼式计算机将会出现。随着硬件技术的发展、软件方法的研究,以及应用范围的不断扩大,函数式程序设计将得到发展,并在新一代计算机系统中起重要作用。

函数语言以λ-演算为其语义基础,它的基本机制是函数对参数的作用,函数是程序的基本项,程序的编制便是函数的递归构造过程。从数学观点看,函数是从一个域(定义域)到另一个域(值域)的映射,即函数描述了两个域上元素的对应关系。因此,函数语言是一种描述性语言,它只给出需求解问题的定义而不需给出具体的求解过程和细节。求解过程是语言本身经过应用一系列重写规则实现的。λ-演算作为一个重写系统满足合流性,即一个项若有范式,则不同的重写策略将导致相同范式,从而保证程序求解的唯一性。

由上可知,函数语言具有相当清晰简明的指称语义和重写操作语义,这对程序正确性验证尤为重旁。函数语言的主要优点是:(1)数学优美性,(2)简单性,(3)引用透明性。正是由于这些优点,所以易于语言编写程序,且程序易读易维护,程序也很短小简练。特别地,程序具有较好的代数性质,易于程序演绎和正确性验证。引用透明性带来的另一个主要优点是程序具有天生的并行性。

最早的函数语言可数Lisp,是McCarthy在1960年创立的,其初始动机是为考虑匿名函数的表示,开发一个用于Al的代数表处理语言。

应该说在Lisp开发早期卜演算的影响甚微,但由于Lisp本身有很好的数学优美性,它对函数语言的发展产生了重大影响。Lisp至今仍是最流行的函数语言,主要用于智能系统的编程。出于效率的考虑,它现已变成一种不纯的、有副作用的函数语 。


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