История функционального программирования

Материал из Documentation.

Лямбда-исчисление было разработано Алонзо Чёрчем в 1930-х годах. Лямбда-исчисление — это формальная система, предназначенная для описания вычислений на основе применения и композиции функций. В лямбда-исчислении всё является функцией, и вычисления сводятся к подстановке аргументов в функции и упрощению выражений. Эта система не имеет побочных эффектов и опирается на принцип «чистой» функции, что делает её идеальной основой для функционального программирования. Хотя лямбда-исчисление изначально было чисто теоретической концепцией, оно оказало огромное влияние на развитие теории вычислимости и стало краеугольным камнем функционального программирования. Оно предоставляет математически строгую основу для определения и анализа программ, что позволяет доказывать их корректность и предсказуемость.

Первым языком программирования, который воплотил идеи функционального программирования на практике, стал Lisp, разработанный Джоном Маккарти в конце 1950-х годов в Массачусетском технологическом институте (MIT). Lisp был создан для исследований в области искусственного интеллекта и стал одним из самых влиятельных языков программирования в истории. Он представил множество новых концепций, которые стали стандартом в функциональном программировании, такие как функции высшего порядка (функции, которые могут принимать другие функции в качестве аргументов или возвращать их в качестве результатов), рекурсия (функции, которые вызывают сами себя), и автоматическое управление памятью (сборка мусора). Lisp также известен своей необычной синтаксической структурой, основанной на использовании скобок, что позволяет легко представлять данные и код как списки. Несмотря на свой возраст, Lisp до сих пор используется в различных областях, включая искусственный интеллект, автоматическое доказательство теорем и разработку компиляторов.

В 1970-х и 1980-х годах появились другие функциональные языки, которые расширили и усовершенствовали идеи Lisp. ML (Meta Language), разработанный Робином Милнером, был создан как язык для разработки компиляторов и инструментов для автоматического доказательства теорем. ML представил концепцию статической типизации с автоматическим выводом типов, что позволило обнаруживать ошибки программирования на этапе компиляции. Haskell, разработанный группой исследователей под руководством Саймона Пейтона Джонса и Пола Худака, был создан как чисто функциональный язык с сильной статической типизацией и ленивыми вычислениями. Ленивые вычисления означают, что вычисления выполняются только тогда, когда их результат действительно необходим, что может повысить эффективность и позволяет работать с бесконечными структурами данных. Scheme, разработанный Джеральдом Сассманом и Гаем Стилом, был разработан как минималистичный диалект Lisp, который акцентировал внимание на простоте и элегантности. Scheme оказал большое влияние на развитие языка JavaScript и используется в образовательных целях.

Основные характеристики функционального программирования, которые отличают его от императивного программирования, включают в себя:

• Чистые функции: Это функции, которые не имеют побочных эффектов. Это означает, что они не изменяют состояние программы за пределами своей области видимости и возвращают один и тот же результат для одних и тех же входных данных. Чистые функции облегчают тестирование и рассуждения о коде, поскольку их поведение предсказуемо и не зависит от внешних факторов.
• Неизменяемость: Данные не могут быть изменены после создания. Вместо изменения существующих данных создаются новые копии с внесёнными изменениями. Неизменяемость упрощает разработку параллельных и многопоточных приложений, поскольку исключает необходимость в синхронизации доступа к общим данным.
• Функции высшего порядка: Это функции, которые могут принимать другие функции в качестве аргументов и/или возвращать функции в качестве результатов. Функции высшего порядка позволяют создавать более абстрактный и гибкий код, поскольку они позволяют параметризовать поведение функций и создавать более общие алгоритмы.
• Рекурсия: Это техника, при которой функция вызывает саму себя для решения подзадач. Рекурсия является мощным инструментом для обработки рекурсивных структур данных, таких как списки и деревья, и позволяет создавать элегантные и лаконичные решения для сложных задач.
• Декларативность: Программист описывает, что нужно сделать, а не как это нужно сделать. Это позволяет создавать более лаконичный и выразительный код, поскольку программист не должен заботиться о деталях реализации алгоритма.

Несмотря на свои преимущества, функциональное программирование долгое время оставалось в тени императивного программирования, которое было более популярным в индустрии. Это было связано с несколькими факторами, включая более низкую производительность функциональных языков по сравнению с императивными языками, недостаток библиотек и инструментов для разработки функциональных приложений, а также недостаточную осведомлённость разработчиков о преимуществах функционального программирования. Многие программисты привыкли к императивному стилю программирования и считали функциональное программирование сложным и непрактичным.

Однако в последние годы наблюдается значительное возрождение интереса к функциональному программированию. Это связано с несколькими факторами, включая увеличение вычислительной мощности компьютеров, развитие многоядерных процессоров, рост популярности обработки больших данных, и повышение осведомлённости разработчиков о преимуществах функционального программирования.

Современные компьютеры достаточно мощные, чтобы эффективно выполнять функциональный код, и компиляторы функциональных языков достигли значительного прогресса в оптимизации кода. Развитие многоядерных процессоров сделало параллельное программирование более актуальным, а функциональное программирование предоставляет эффективные средства для разработки параллельных и многопоточных приложений, поскольку оно избегает побочных эффектов и упрощает синхронизацию доступа к общим данным. Рост популярности обработки больших данных также способствовал возрождению функционального программирования, поскольку функциональные языки предоставляют мощные инструменты для обработки больших объемов данных, такие как MapReduce и Spark.

Многие современные языки программирования, такие как Python, JavaScript, C#, Java и Scala, поддерживают функциональные концепции, что позволяет разработчикам использовать преимущества функционального программирования, не отказываясь от привычных инструментов и библиотек. Эти языки предоставляют возможность использовать чистые функции, неизменяемые данные, функции высшего порядка и другие функциональные конструкции в сочетании с императивными подходами.

Функциональное программирование находит применение в самых разных областях, включая: разработку компиляторов и инструментов для автоматического доказательства теорем, разработку веб-приложений (например, с использованием React и Redux), обработку больших данных (например, с использованием Apache Spark и Apache Kafka), разработку параллельных и многопоточных приложений, разработку игр, финансовое моделирование и анализ данных.