Хаскелл

Haskell

Семантика:	функциональный
Тип исполнения:	интерпретируемый, компилируемый
Появился в:	1990 г.
Типизация данных:	статическая
Основные реализации:	GHC, NHC, YHC
Диалекты:	O'Haskell Haskell++ Mondrian
Испытал влияние:	Miranda, Gofer

Háskell (русск. Ха́скелл или Ха́скель) — функциональный язык программирования. Является одним из самых распространённых ленивых языков программирования. Имеет очень развитую систему типизации, однако система модулей разработана хуже. Последний стандарт языка, ставший стандартом функционального программирования — Haskell-98. Берёт своё начало из языка Miranda, который был разработан Дэвидом Тёрнером в качестве стандартного функционального языка. Назван по имени математика Хаскелла Карри.

Характеристики языка

В качестве основных характеристик языка Haskell можно выделить следующие:

• возможность использования лямбда-абстракции;
• функции высшего порядка;
• частичное применение;
• недопустимость побочных эффектов (чистота языка);
• ленивые вычисления (lazy evaluation);
• сопоставление по образцу, функциональные образцы (pattern matching);
• параметрический полиморфизм и полиморфизм классов типов;
• статическая типизация;
• автоматическое выведение типов (основано на модели типизации Хиндли — Милнера);
• алгебраические типы данных;
• типы данных с параметрами;
• рекурсивные типы данных;
• абстрактные типы данных (инкапсуляция);
• списочные включения (list comprehensions);
• охраняющие выражения (guards);
• возможность писать программы с побочными эффектами без нарушения парадигмы функционального программирования с помощью монад;
• возможность интеграции с программами, реализованными на императивных языках программирования посредством открытых интерфейсов (стандартное расширение языка Foreign Function Interface).

Со времени принятия последнего стандарта языка (Haskell98) прошло много времени и с тех пор ведущие реализации языка (ghc и hugs) были расширены множеством дополнительных возможностей:

• Полиморфизм 2-го и высших рангов (rank-2 and rank-N polymorphism)
• Функциональные зависимости (FD, functional dependencies)

Использование

Имеет интерпретаторы (один из самых известных — компиляторы (один из самых известных — Glasgow Haskell Compiler (GHC)).

Популярен в академических кругах, но малоизвестен среди прикладных программистов. В последнее время расширяется набор прикладных библиотек, язык интегрируется в распространённые программные системы (.Net [1], COM/ActiveX HaskellScript, Java jaskell), что делает язык всё более и более привлекательным для профессиональных программистов.

Расширения языка:

• генерация исходного кода во время компиляции (Template Haskell);
• объектно-ориентированное программирование (O’Haskell, Haskell++ и Mondrian).

Расширения реализаций языка (относится к GHC):

• развитие системы типизации;
• многопоточность;
• параллельные вычисления;
• распределённые вычисления.

Примеры

Простейшие примеры

Следующий пример показывает синтаксис языка Haskell при реализации функции для вычисления факториала:

fac :: Integer -> Integer
fac 0 = 1
fac n | n > 0 = n * fac (n - 1)

Это определение описывает процесс вычисления факториала в виде рекурсивной функции. Это определение похоже на то, которое можно найти в учебниках по информатике. Большая часть исходного кода на языке Haskell походит на математическую нотацию в аспектах синтаксиса и использования, например, вышеприведённый пример можно переписать в виде

 fac n = product [1..n]

что соответствует математическому определению факториала.

Первая строка в приведённом выше определении является необязательной, так как определяет (вернее, ограничивает) тип функции, который может быть выведен системой типизации самостоятельно. Эта строка может быть прочитана как: функция fac имеет тип (::) из целого в целое (Integer -> Integer). Это значит, что она получает на вход один целочисленный аргумент и возвращает результат также целого типа. Как сказано выше, типы всех функций могут быть выведены автоматически, если программист явно не указал их.

Вторая строка основана на механизме сопоставления с образцами, который является важной особенностью языка Haskell. Этот механизм заставляет интерпретатор языка пробегаться сверху вниз по строкам определения и находить первый образец (то есть набор формальных параметров, который подходит под значения фактически переданных параметров в функцию) и выполнять определение, записанное с этим образцом. В данном случае вторая строка определения будет выбрана тогда, когда фактический параметр при вызове функции fac будет равен нулю.

В третьей строке помимо механизма сопоставления с образцами использовано охраняющее выражение — n > 0. Оно гарантирует, что функция не будет работать для отрицательных чисел, для которых факториал неопределён. Если отрицательное число будет передано в качестве фактического параметра в функцию fac, то программа остановится с сообщением об ошибке.

Более сложные примеры

Простейший калькулятор для вычисления выражений в обратной польской записи может быть определён на языке Haskell при помощи одной функции:

calc :: String -> [Float]
calc = foldl f [] . words
  where 
    f (x:y:zs) "+" = (y + x):zs
    f (x:y:zs) "-" = (y - x):zs
    f (x:y:zs) "*" = (y * x):zs
    f (x:y:zs) "/" = (y / x):zs
    f xs y         = read y : xs

В данном определении функция свёртки (fold) вызывается с фактическими параметрами [] (пустой список — начальное значение для свёртки), f (функция для интерпретации одного слова во входном выражении) и списка, полученного разбивкой исходной строки с выражением на слова, то есть строки, отделённые друг от друга пробельными символами. В результате работы получается список, который содержит промежуточные и окончательное значения, получаемые при вычислении входного выражения.

Другой пример показывает способ вычисления бесконечного списка чисел Фибоначчи за линейное время:

fibs = 0 : 1 : zipWith (+) fibs (tail fibs)

Бесконечный список создаётся при помощи механизма корекурсии — последующие значения списка вычисляются на основе имеющихся с начальными 0 и 1 в качестве первых двух элементов списка. Это определение является примером применения механизма ленивых вычислений, который является важнейшей частью языка Haskell. Для понимания того, как это определение работает, можно рассмотреть вычисление первых шести чисел Фибоначчи при помощи этой функции:

fibs         = 0 : 1 : 1 : 2 : 3 : 5 : ...
               +   +   +   +   +   +
tail fibs    = 1 : 1 : 2 : 3 : 5 : ...
               =   =   =   =   =   =
zipWith ...  = 1 : 2 : 3 : 5 : 8 : ...
fibs = 0 : 1 : 1 : 2 : 3 : 5 : 8 : ...

Та же самая функция может быть записана короче и более понятно при использовании расширения языка Haskell, которое реализовано в компиляторе GHC (параллелизация определителей списков, Parallel List Comprehensions):

fibs = 0 : 1 : [a + b | a <- fibs
                      | b <- tail fibs]

Реализация нахождения всех простых чисел обычным путём (проверка каждого числа на простоту)

--the general alghoritm
primes = [n | n <- [2..], isPrime n]
--this function returns list of residue of division of correct number by all numbers in range [2..n/2]
listOfRemainders n =[n `mod` x | x <- [2..(n `div` 2)]] 
--function checks is reported number prime or not
isPrime n = null (filter (==0) (listOfRemainders n)) 

а также с помощью решета Эратосфена:

--Sieve of Eratosthenes
ero = eroPrimes [2..]
eroPrimes (x : xs) = x : eroPrimes [y | y <- xs , y `mod` x /= 0]

И получение, вообще говоря, бесконечного списка простых чисел:

listOfPrimes = [n | n <- [2..], and [n `mod` (n-x) /= 0 | x <- [1..n-2] ] ]

См. также

• Сравнение возможностей Haskell с другими языками см. в статье Сравнение языков программирования

Приложения, написанные на языке Haskell

• Agda — язык программирования с зависимыми типами и доказатель теорем.
• система управления версиями
• Epigram — язык программирования с зависимыми типами.
• House — операционная система с графическим интерфейсом
• Jaskell — функциональный язык сценариев, работающий в виртуальной машине Java
• Pugs — компилятор и интерпретатор для языка программирования Perl 6
• терминальный клиент для микроблоггинга
• фреймовый оконный менеджер для X Window System

Ссылки

• http://www.haskell.org/ — Сайт, посвящённый функциональному программированию в общем и языку Haskell в частности. Содержит различные справочные материалы, список интерпретаторов и компиляторов Haskell’а (в настоящий момент, все интерпретаторы и компиляторы бесплатны). Кроме того, имеется обширный список интересных ссылок на ресурсы по теории функционального программирования и другим языкам (Standard ML, http://www.haskell.ru/ — Полный перевод описания языка Haskell на русский язык.
• http://www.roman-dushkin.narod.ru/fp.html — Курс лекций по функциональному программированию, читаемый в МИФИ с 2001 года.
• http://kchri.narod.ru — Курс лекций и лабораторные работы на Haskell
• Мягкое введение в Haskell
• Мягкое введение в Haskell, часть 2
• Функциональные типы и композиция функций в Хаскелле
• ЖЖ-сообщества: ru_lambda и ru_declarative
• Санкт-Петербургская группа пользователей Haskell
• http://eclipsefp.sourceforge.net/ — Расширение среды разработки
• ФП: lazy evaluation — это завтрашние результаты вычисления функций уже сегодня
• Набор вариантов кода для вычисления факториала на языке Haskell

Литература

• Bryan O’Sullivan, John Goerzen, Don Stewart. Real World Haskell — O’Reilly, 2008—710 C. ISBN 0596514980. ISBN 978-0596514983
• Душкин Р. В. Функциональное программирование на языке Haskell. — М.: ДМК Пресс, 2006. С. 608. ISBN 5-94074-335-8
• Graham Hutton. «Programming in Haskell». Cambrige University Press. ISBN 978-0-521-87172-3. ISBN 978-0-521-69269-4
• Kees Doets, Jan van Eijck. «The Haskell Road to Logic, Maths and Programming». ISBN 0-9543006-9-6.

Трансляторы языка Haskell  

Интерпретаторы: HBI | Компиляторы: GHC | HBC | Helium | JHC | NHC | YHC