Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы функционального программирования. Учебное пособие
.pdf
) ; конец списка локальных рекурсивных функций
(DEFUN UNION (x y)
(LET ( (a-x (CAR x))
(d-x (CDR x))
)
(COND ((NULL x) y)
((MEMBER a-x y) (UNION d-x y) )
(T (CONS a-x (UNION d-x y)) )
) ) ) ; завершено определение на текущем уровне
(INTERSECTION '(A1 A2 A3) '(A1 A3 A5))
(UNION '(X Y Z) '(U V W X))
) ; выход из контекста LABELS
Функции на машинном языке (низкоуровневые)
Некоторые функции вместо определений с помощью S-выражений
закодированы как замкнутые машинные подпрограммы. Такая функция
будет иметь особый индикатор в списке свойств с указателем, который
позволяет интерпретатору связаться с подпрограммой. Существует три
случая, в которых низкоуровневая подпрограмма может быть включена в
систему:
1. Подпрограмма закодирована внутри Лисп-системы.
2. Функция кодируется пользователем вручную на языке типа
ассемблера.
3. Функция сначала определяется с помощью S-выражения, затем
транслируется компилятором. Компилированные функции могут
выполняться в 2
100
раз быстрее, чем интерпретироваться.
Специальные формы
Обычно EVAL вычисляет аргументы функций до применения к ним
функций с помощью APPLY. Таким образом, если EVAL задано (CONS
X Y), то сначала вычисляются X и Y, а потом над полученными
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
101
значениями работает CONS. Но если EVAL задано (QUOTE X), то X не
будет вычисляться. QUOTE — специальная форма, которая препятствует
вычислению своих аргументов.
Специальная форма отличается от других функций двумя свойствами.
Ее аргументы не вычисляются, пока она сама не просмотрит свои
аргументы. COND, например, имеет свой особый способ вычисления
аргументов с использованием EVCON. Второе отличие заключается в
том, что специальные формы могут иметь неограниченное число
аргументов.
Неподвижная точка и самоприменимость функций
Возможность использования безымянных определений функций не
вполне очевидна для вспомогательных рекурсивных функций, так как
их имена нужны в их собственных определениях. Но при
необходимости и определение рекурсивной функции можно привести к
форме, не зависящей от ее имени. Такие имена формально работают как
связанные переменные, т.е. их смысл не зависит от имени — нечто
вроде местоимения. Это позволяет выполнять систематическую замену
названия функции на другие символы или выражения.
Пример (предложен В.А. Потапенко).
Преобразуем определение факториала в самоприменимую безымянную
форму.
Для этого нужно:
преобразовать исходное определение в самоприменимую форму;
избавиться от собственного имени функции.
Традиционное определение факториала:
(DEFUN N! (n)
(COND
((EQ n 0) 1)
(T (* n (N! (- n 1)))) ; Факториал
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
102
; Выход из рекурсии
; Рекурсивный виток с редукцией аргумента
) ) ; и умножением на результат предыдущего витка
Строим самоприменимое определение факториала:
(DEFUN N!_self (f n) ; Обобщенная функция,
; равносильная факториалу при f = N!_self
(COND ((EQ n 0)1)
(T (* n (APPLY f (list f (- n 1)))))
; применение функции f
; к списку из уменьшенного аргумента
) )
Использовать это определение можно следующим образом:
(N!_self #'N!_self 3) ; = 6 =
или
(APPLY 'N!_self '(N!_self 4)) ; = 24 =
При таких аргументах оно эквивалентно исходному определению
факториала. Теперь избавимся от названия функции:
((LAMBDA (f n )
; безымянная функция, равносильная факториалу
; при f = N!_self
(COND ((EQ n 0)1)
(T (* n ( f (list f (- n 1)))))
))
Использовать это определение можно в следующей форме:
((LAMBDA (f n )
(COND ((EQ n 0)1) (T (* n (apply f (list f
(- n 1))))) )) ; функция
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
103
(LAMBDA (f n )
(COND ((EQ n 0)1) (T (* n (apply f (list f
(- n 1))))) )) ;первый аргумент — f
5 ; второй аргумент — n
) ; = 120 - результат самоприменения факториала
или
(APPLY
#'(LAMBDA (f n )
(COND ((EQ n 0)1)(T (* n (apply f (list f
(- n 1))))) ) ) ; функция
'((LAMBDA (f n )
(COND ((EQ n 0)1) (T (* n (apply f (list f
(- n 1))))) ))
6 ) ; список аргументов
)) ; = 720
Можно записать этот текст программы (код) без дублирования
определения функции:
(LAMBDA (n)
( (LAMBDA (f) (APPLY f (list f n))))
#'(LAMBDA (f n ) (COND ((EQ n 0)1) (T (* n
(APPLY f (list f (- n 1)))) ) )
; внутренняя функция f
) ))
И использовать полученное определение следующим образом:
((LAMBDA (n)
((LAMBDA (f) (APPLY f (list f n)))
#'(LAMBDA (f n ) (COND ((EQ n 0)1) (T (* n
(APPLY f (list f (- n 1)))))
) ) )) 5 ) ; = 120 )
Сокращаем совпадающие подфункции и получаем форму, в которой
основные содержательные компоненты локализованы:
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
104
((LAMBDA (n) (flet ((afl (f n)
(apply f (list f n)) ))
((LAMBDA (f) (afl f n))
#'(LAMBDA (f n ) (COND ((EQ n 0)1) (T (* n
(afl f (- n 1))))
)))))
6 ) ; = 720
)
Таким образом, определение рекурсивной функции можно
преобразовать к безымянной форме. Техника эквивалентных
преобразований позволяет поддерживать целостность системы
функций втягиванием безымянных вспомогательных функций внутрь
тела основного определения. Верно и обратное: любую конструкцию из
лямбда-выражений можно преобразовать в систему отдельных
функций.
Такое, пусть не самое понятное, определение позволяет получить
больше, чем просто скорость исполнения кода и его переносимость.
Техника функциональных определений и их преобразований позволяет
рассматривать решение задачи с той точки зрения, с какой это удобно
при постановке задачи, с естественной степенью подробности, гибкости
и мобильности.
Специальная функция FUNCTION (#') обеспечивает доступ к
функциональному объекту, связанному с атомом, а функция FUNCALL
обеспечивает применение функции к произвольному числу ее
аргументов.
(FUNCALL F a1 a2 ... ) = (APPLY F (list a1 a2 ...))
Разрастание числа функций, манипулирующих применением функций в
языке Clisp, связано с реализационным различием структурного
представления данных и представляемых ими функций.
Программы для Лисп-интерпретатора.
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
105
Цель этой части — помочь избежать некоторых общих ошибок при
отладке программ.
(CAR '(A B)) = (CAR (QUOTE(A B))
Пример 5.2.
Функция: CAR
Аргументы: ((A B))
Значение есть A. Заметим, что интерпретатор ожидает список
аргументов. Единственным аргументом для CAR является (A B).
Добавочная пара скобок возникает, т.к. APPLY подается список
аргументов.
Можно написать (LAMBDA(X)(CAR X)) вместо просто CAR. Это
корректно, но не является необходимым.
(CONS 'A '(B . C))
Пример 5.3.
Функция: CONS
Аргументы: (A (B . C))
Результат (A . (B . C)) программа печати выведет как (A B .
C)
((CAR (QUOTE (A . B))) CDR (QUOTE (C . D)))
Пример 5.4.
Функция: CONS
Аргументы: ((CAR (QUOTE (A . B))) (CDR (QUOTE (C .
D))))
Значением такого вычисления будет
((CAR (QUOTE (A . B))) . (CDR (QUOTE (C . D))))
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
106
Скорее всего, это совсем не то, чего ожидал новичок. Он рассчитывал
вместо (CAR (QUOTE (A . B)) получить A и увидеть (A . D) в
качестве итогового значения CONS. Интерпретатор настроен не на
список уже готовых значений аргументов, а на список выражений,
которые будут вычисляться до вызова функции. Кроме очевидного
стирания апострофов
(CONS (CAR (QUOTE (A . B))) (CDR (QUOTE (C . D))) )
ниже приведены еще три правильных способа записи нужной формы.
Первый состоит в том, что CAR и CDR части функции задаются с
помощью LAMBDA в определении функции. Второй заключается в
переносе CONS в аргументы и вычислении их с помощью EVAL при
пустом а-списке. Третий — в принудительном выполнении
константных действий в представлении аргументов.
((LAMBDA (X Y) (CONS (CAR X) (CDR Y)))
'(A . B) '(C . D))
Функция: (LAMBDA (X Y) (CONS (CAR X) (CDR Y)))
Аргументы: ((A . B)(C . D))
(EVAL '(CONS (CAR (QUOTE (A . B)))
(CDR (QUOTE (C . D)))) Nil)
Функция: EVAL
Аргументы: ((CONS (CAR (QUOTE (A . B))) (CDR (QUOTE
(C . D)))) Nil)
Значением того и другого является (A . D)
((LAMBDA (X Y) (CONS (EVAL X)
(EVAL Y))) '(CAR (QUOTE (A . B)))'
(CDR (QUOTE (C . D))) )
Функция: (LAMBDA (X Y) (CONS (EVAL X) (EVAL Y)))
Аргументы: ((CAR (QUOTE (A . B))) (CDR (QUOTE (C .
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
107
D))))
Решения этого примера показывают, что грань между функциями и
данными достаточно условна — одни и те же вычисления можно
осуществить при разном распределении промежуточных вычислений
внутри выражения, передвигая эту грань.
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
108
Свойства атомов и категории функций
Методы расширения функциональных построений применены для
моделирования привычного операторно-процедурного стиля
программирования и техники работы с глобальными определениями.
Демонстрируется еще один важный метод — обобщение базовой схемы
обработки символьных выражений и представленных с их помощью
функциональных форм на основе списков свойств атомов. В результате
можно собирать и специализировать функционально полное
определение гибкого и расширяемого интерпретатора для языка
программирования на примере Лиспа, написанном на Лиспе. Акцент
на возможности варьирования семантики функций и пополнения
семантического базиса с целью автоматизации выполненных
построений в процессе исследования границ класса решаемых задач и
конкретизации методов их решения.
Prog-выражения и циклы
Противопоставление функционального и императивного стилей
программирования порой напоминает войну остроконечников с
тупоконечниками. Существует большое число чисто теоретических
работ, исследовавших соотношения между потенциалом того и другого
подхода и пришедших к заключению о формальной сводимости в обе
стороны при некоторых непринципиальных ограничениях на технику
программирования. Методика сведения императивных программ в
функциональные заключается в определении правил разметки или
переписывания схемы программы в функциональные формы. Переход
от функциональных программ к императивным технически сложнее:
используется интерпретация формул над некоторой специально
устроенной абстрактной машиной [3, 4]. На практике переложение
функциональных программ в императивные выполнить проще, чем
наоборот — может не хватать близких понятий.
С практической точки зрения любые конструкции стандартных языков
программирования могут быть введены как функции, дополняющие
исходную систему программирования, что делает их вполне
легальными средствами в рамках функционального подхода. Надо лишь
четко уяснить цену такого дополнения и его преимущества, обычно
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
109
связанные с наследованием решений и привлечением пользователей. В
первых реализациях Лиспа были сразу предложены специальные
формы и структуры данных, служащие мостом между разными стилями
программирования, а заодно смягчающие недостатки исходной,
слишком идеализированной, схемы интерпретации S-выражений,
выстроенной для учебных и исследовательских целей. Важнейшее
такого рода средство, выдержавшее испытание временем — prog-форма,
списки свойств атома и деструктивные операции, расширяющие язык
программирования так, что становятся возможными оптимизирующие
преобразования структур данных, программ и процессов, а главное —
раскрутка систем программирования [1].
Применение prog-выражений позволяет писать "паскалеподобные"
программы, состоящие из операторов, предназначенных для
исполнения. (Точнее "алголоподобные", т.к. появились лет за десять до
паскаля. Но теперь более известен паскаль.)
Для примера prog-выражения приводится императивное определение
функции ( LENGTH *), сканирующей список и вычисляющей число
элементов на верхнем уровне списка. Значение функции >LENGTH —
целое число. Программу можно примерно описать следующими
словами (Стилизация примера от МакКарти [1].):
"Это функция одного аргумента L. Она реализуется
программой с двумя рабочими переменными u и v.
Записать число 0 в v.
Записать аргумент L в u.
A: Если u содержит NIL, то программа выполнена и
значением является то, что сейчас записано в v.
Записать в u cdr от того, что сейчас в u.
Записать в v на единицу больше того, что
сейчас записано в v.
Перейти к A"
Эту программу можно записать в виде Паскаль-программы с
несколькими подходящими типами данных и функциями. Строкам
описанной выше программы в предположении, что существует
библиотека Лисп-функций над списками на Паскале, соответствуют
строки определения функции:
Основы функционального программированияЛ.В. Городняя
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]