函数式编程语言

一 .什么是函数编程语言

简单说,"函数式编程"是一种"编程范式"(programming paradigm),也就是如何编写程序的方法论。是一种编程典范,它将计算机运算视为数学上的函数计算,并且避免使用程序状态以及易变对象。函数编程语言最重要的基础是λ演算(lambda calculus)。而且λ演算的函数可以接受函数当作输入(引数)和输出(传出值)。

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。

 

二. 哪些是函数式编程语言

1. ** LISP ** LISP是一种通用高级计算机程序语言,长期以来垄断人工智能领域的应用。LISP作为因应人工智能而设计的语言,是第一个声明式系内函数式程序设计语言,有别于命令式系内过程式的C、Fortran和面向对象的Java、C#等结构化程序设计语言。

2. **Haskell ** Haskell是一种标准化的、通用纯函数式编程语言,有非限定性语义和强静态类型。它的命名源自美国逻辑学家Haskell Brooks Curry,他在数学逻辑方面的工作使得函数式编程语言有了广泛的基础。在Haskell中,函数是一等公民。作为函数式编程语言,主要控制结构是函数。Haskell语言是1990年在编程语言Miranda的基础上标准化的,并且以λ演算(Lambda-Calculus)为基础发展而来。具有“证明即程序、结论公式即程序类型”的特征。这也是Haskell语言以希腊字母「λ」(Lambda)作为自己标志的原因。Haskell语言的最主要的执行环境是GHC。

 

3.  **Scheme  **Scheme 编程语言是一种Lisp方言,诞生于1975年,由 MIT 的 Gerald J. Sussman 和 Guy L. Steele Jr. 完成。它是现代两大Lisp方言之一。Scheme的一个主要特性是可以像操作数据一样操作函数调用。Scheme 是 MIT 在70年代创造出来,目的之一是训练人的计算思维,以其简洁的语言环境和大量的脑力思考而著称。

4.  Erlang  Erlang是一种通用的面向并发的编程语言,它由瑞典电信设备制造商爱立信所辖的CS-Lab开发,目的是创造一种可以应对大规模并发活动的编程语言和运行环境。Erlang问世于1987年,经过十年的发展,于1998年发布开源版本。Erlang是运行于虚拟机的解释性语言,但是现在也包含有乌普萨拉大学高性能Erlang计划(HiPE)开发的本地代码编译器,自R11B-4版本开始,Erlang也开始支持脚本式解释器。在编程范型上,Erlang属于多重范型编程语言,涵盖函数式、并发式及分布式。顺序执行的Erlang是一个及早求值, 单次赋值和动态类型的函数式编程语言。

Erlang是一个结构化,动态类型编程语言,内建并行计算支持。最初是由爱立信专门为通信应用设计的,比如控制交换机或者变换协议等,因此非常适 合于构建分布式,实时软并行计算系统。使用Erlang编写出的应用运行时通常由成千上万个轻量级进程组成,并通过消息传递相互通讯。进程间上下文切换对于Erlang来说仅仅 只是一两个环节,比起C程序的线程切换要高效得多得多了。

使用Erlang来编写分布式应用要简单的多,因为它的分布式机制是透明的:对于程序来说并不知道自己是在分布式运行。Erlang运行时环境是一个虚拟机,有点像Java虚拟机,这样代码一经编译,同样可以随处运行。它的运行时系统甚至允许代码在不被中断 的情况下更新。另外如果需要更高效的话,字节代码也可以编译成本地代码运行。

5.编程式语言还包括 Clean、clojure、Miranda等等。

 

三.为什么近两年开始流行

1. 代码简洁,开发快速

函数式编程大量使用函数,减少了代码的重复,因此程序比较短,开发速度较快。

Paul Graham在《黑客与画家》一书中写道:同样功能的程序,极端情况下,Lisp代码的长度可能是C代码的二十分之一。

如果程序员每天所写的代码行数基本相同,这就意味着,"C语言需要一年时间完成开发某个功能,Lisp语言只需要不到三星期。反过来说,如果某个新功能,Lisp语言完成开发需要三个月,C语言需要写五年。"当然,这样的对比故意夸大了差异,但是"在一个高度竞争的市场中,即使开发速度只相差两三倍,也足以使得你永远处在落后的位置。"

2. 接近自然语言,易于理解

函数式编程的自由度很高,可以写出很接近自然语言的代码。前文曾经将表达式(1 + 2) * 3 - 4,写成函数式语言:subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)对它进行变形,不难得到另一种写法:add(1,2).multiply(3).subtract(4)这基本就是自然语言的表达了。再看下面的代码,大家应该一眼就能明白它的意思吧:

merge([1,2],[3,4]).sort().search("2") 因此,函数式编程的代码更容易理解。

3. 更方便的代码管理

函数式编程不依赖、也不会改变外界的状态,只要给定输入参数,返回的结果必定相同。因此,每一个函数都可以被看做独立单元,很有利于进行单元测试(unit testing)和除错(debugging),以及模块化组合。

4. 易于"并发编程"

函数式编程不需要考虑"死锁"(deadlock),因为它不修改变量,所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据,被另一个线程修改,所以可以很放心地把工作分摊到多个线程,部署"并发编程"(concurrency)。

请看下面的代码:

var s1 = Op1();

var s2 = Op2();

var s3 = concat(s1, s2);

由于s1和s2互不干扰,不会修改变量,谁先执行是无所谓的,所以可以放心地增加线程,把它们分配在两个线程上完成。其他类型的语言就做不到这一点,因为s1可能会修改系统状态,而s2可能会用到这些状态,所以必须保证s2在s1之后运行,自然也就不能部署到其他线程上了。

多核CPU是将来的潮流,所以函数式编程的这个特性非常重要。

5. 代码的热升级

函数式编程没有副作用,只要保证接口不变,内部实现是外部无关的。所以,可以在运行状态下直接升级代码,不需要重启,也不需要停机。Erlang语言早就证明了这一点,它是瑞典爱立信公司为了管理电话系统而开发的,电话系统的升级当然是不能停机的。

代码交流 2021