12

Пензенский государственный университет

Кафедра "Информационно-вычислительные системы"

РЕФЕРАТ

«Функциональное и логическое программирование»

Выполнили: ст-ты гр.10ВО1

Уханова Д.В.

Радаева А.Д.

Проверил: д.т.н.,

профессор кафедры ИВС Чувыкин Б. В.

2012

Содержание.

1.Понятие функционального программирования………………………3

2.Понятие логического программирования……………………………..3

3.История функционального и логического программирования………3

4.Сферы применения……………………………………………………...7

5.Список литературы……………………………………………………...

1.Понятие функционального программирования.

Функциональное программирование - это парадигма программирования, в которой выполнение программы представляет собой вычисление некоторого выражения, описывающего применение функций (в математическом понимании) ко входным данным. 

В отличие от традиционного подхода к программированию (императивное программирование), где выполнение программы рассматривается как последовательная смена состояний в памяти компьютера (т.е. изменение значений переменных), в функциональном программировании нет понятия переменной и присваивания, функция не имеет явного внутреннего состояния, а оперирует только над входными данными. Из-за этого отсутствуют побочные эффекты, программа становится более простой в отладке, а также допускает более естественное распараллеливание на многоядерных процессорах.

2.Понятие логического программирования.

Логическое программирование - это парадигма программирования, в которой программы пишутся не в виде последовательности инструкций, а в виде множества фактов и правил, а процесс выполнения программы сводится к выводу нужных результатов из этого множества. Логическое программирование относится к декларативному программированию, поскольку программа на нём скорее описывает свойство задачи, нежели алгоритм её решения.

3.История функционального и логического программирования.

В 1940-х годах появились первые цифровые компьютеры, которые программировались переключением различного рода тумблеров, проводков и кнопок. Число таких переключений достигало порядка нескольких сотен и росло с усложнением программ. Потому следующим шагом развития программирования стало создание всевозможных ассемблерных языков с простой мнемоникой.

Но даже ассемблеры не могли стать тем инструментом, которым смогли бы пользоваться многие люди, поскольку мнемокоды всё ещё оставались слишком сложными, а всякий ассемблер был жёстко связан с архитектурой, на которой исполнялся. Шагом после ассемблера стали так называемые императивные языки высокого уровня: Бейсик, Паскаль, Си, Ада и прочие, включая объектно-ориентированные. Императивными («предписывающими») такие языки названы потому, что ориентированы на последовательное исполнение инструкций, работающих с памятью (т. е. присваиваний), и итеративные циклы. Вызовы функций и процедур, даже рекурсивные, не избавляли такие языки от явной императивности.

В парадигме функционального программирования краеугольный камень, — это функция. Вспомнив историю математики, можно оценить возраст понятия «функция»: ему уже́ около четырёхсот лет, и математики придумали очень много теоретических и практических аппаратов для оперирования функциями, начиная от обыкновенных операций дифференцирования иинтегрирования, заканчивая заумными функциональными анализами, теориями нечётких множеств и функций комплексных переменных.

Математические функции выражают связь между исходными данными и итоговым продуктом некоторого процесса. Процесс вычисления также имеет вход и выход, поэтому функция — вполне подходящее и адекватное средство описания вычислений. Именно этот простой принцип положен в основу функциональной парадигмы и функционального стиля программирования. Функциональная программа представляет собой набор определений функций. Функции определяются через другие функции или рекурсивно через самих себя. При выполнении программы функции получают параметры, вычисляют и возвращают результат, при необходимости вычисляя значения других функций. На функциональном языке программист не должен описывать порядок вычислений. Нужно просто описать желаемый результат как систему функций.

Функциональное программирование, как и логическое программирование, нашло большое применение в теории искуственного интеллекта и её приложениях. Поэтому здесь функциональное программирование рассматривается скрупулёзно и со всеми возможными подробностями. Далее в этой лекции описывается история функционального программирования, свойства функциональных языков, решаемые задачи и некоторые справочные сведения.

Теоретические основы императивного программирования были заложены ещё в 1930-х годах Аланом Тьюрингом и Джоном фон Нейманом. Теория, положенная в основу функционального подхода, также родилась в 20-х — 30-х годах. В числе разработчиков математических основ функционального программирования можно назвать Моисея Шейнфинкеля иХаскелла Карри, разработавших комбинаторную логику, и Алонзо Чёрча, создателя λ-исчисления.

Теория так и оставалась теорией, пока в конце 1950-х годов Джон Маккарти не разработал язык Лисп, который стал первым почти функциональным языком программирования и многие годы оставался единственным таковым. Лисп всё ещё используется (также как и Фортран), после многих лет эволюции он удовлетворяет современным запросам, которые заставляют разработчиков программ взваливать как можно бо́льшую но́шу на компилятор, облегчив так свой труд. Нужда в этом возникла из-за всё более возрастающей сложности программного обеспечения.

В связи с этим обстоятельством всё бо́льшую роль начинает играть типизация. В конце 70-х — начале 80-х годов XX века интенсивно разрабатываются модели типизации, подходящие для функциональных языков. Большинство этих моделей включали в себя поддержку таких мощных механизмов как абстракция данных и полиморфизм. Появляется множество типизированных функциональных языков: ML, Scheme, Hope, Miranda, Clean и многие другие. Вдобавок постоянно увеличивается число диалектов.

В результате вышло так, что практически каждая группа, занимающаяся функциональным программированием, использовала собственный язык. Это препятствовало дальнейшему распространению этих языков и порождало многие более мелкие проблемы. Чтобы исправить положение, объединённая группа ведущих исследователей в области функционального программирования решила воссоздать достоинства различных языков в новом универсальном функциональном языке. Первая реализация этого языка, названного Haskell в честь Хаскелла Карри, была создана в начале 90-х годов. Ныне действителен стандарт Haskell-98.

Большинство функциональных языков программирования реализуются как интерпретируемые, следуя традициям Лиспа (примечание: большая часть современных реализаций Лиспа содержат компиляторы в машинный код). Таковые удобны для быстрой отладки программ, исключая длительную фазу компиляции, укорачивая обычный цикл разработки. С другой стороны, интерпретаторы в сравнении с компиляторами обычно проигрывают по скорости выполнения. Поэтому помимо интерпретаторов существуют и компиляторы, генерирующие неплохой машинный код (например, Objective Caml) или код на Си/Си++ (например, Glasgow Haskell Compiler). Что показательно, практически каждый компилятор с функционального языка реализован на этом же са́мом языке. Это же характерно и для современных реализаций Лиспа, кроме того среда разработки Лиспа позволяет выполнять компиляцию отдельных частей программы без остановки программы (вплоть до добавления методов и изменения определений классов).

Идея использования языка логики предикатов первого порядка в качестве языка программирования возникла еще в 60-ые годы, когда создавались многочисленные системы автоматического доказательства теорем и основанные на них вопросно-ответные системы. Суть этой идеи заключается в том, чтобы программист не указывал машине последовательность шагов, ведущих к решению задачи, как это делается во всех процедурных языках программирования, а описывал на логическом языке свойства интересующей его области, иначе говоря, описывал мир своей задачи. Другие свойства и удовлетворяющие им объекты машина находила бы сама путем построения логического вывода. (В сущности, этот же подход реализуется и в функциональном программировании - лишь с тем уточнением, что речь в нем идет о свойствах функций. В связи с этим Дж. Робинсон предлагает назвать такой стиль программирования утвердительным).

Первые компьютерные реализации систем автоматического доказательства теорем появились в конце 50-х годов, а в 1965г. Робинсон предложил свой метод резолюций, который и по сей день лежит в основе большинства систем поиска логического вывода.

Робинсон пришел к заключению, что правила вывода, которые следует применять при автоматизации процесса доказательства при помощи компьютера, не обязательно должны совпадать с правилами вывода, используемыми человеком. Он обнаружил, что общепринятые правила вывода, например, правило modus ponens, специально сделаны “слабыми”, чтобы человек мог интуитивно проследить за каждым шагом процедуры доказательства. Правило резолюции более сильное, оно трудно поддается восприятию человеком, но эффективно реализуется на компьютере.

К концу 60-х годов выявились принципиальные трудности, препятствующие широкому применению таких систем. Главная проблема заключается в практической неэффективности известных методов построения логического вывода. Стремление обойти эту преграду привело к созданию различных линейных стратегий метода резолюций (в том числе стратегии SL-резолюции), которые, в сущности, являются прообразами современных интерпретаторов языка Пролог. Первым языком логического программирования был язык Planner, в котором была заложена возможность автоматического вывода результата из данных и заданных правил перебора вариантов (совокупность которых называлась планом). Planner использовался для того, чтобы понизить требования к вычислительным ресурсам (с помощью метода backtracking) и обеспечить возможность вывода фактов, без активного использования стека. В 1971г. один из авторов SL-резолюции Р. Ковальский прочитал несколько лекций по автоматическому доказательству теорем в лаборатории Искусственного интеллекта Марсельского университета. Работающий там А. Колмероэ и его коллеги вскоре поняли, каким образом можно использовать SL-резолюцию в качестве основы нового языка программирования. Так в 1972 году родился язык Пролог, (“ПРОграммирование в терминах ЛОГики”), который не требовал плана перебора вариантов и был, в этом смысле, упрощением языка Planner, быстро завоевавший популярность во всем мире. От языка Planner также произошли логические языки программирования QA-4, Popler, Conniver и QLISP. Языки программирования Mercury, Visual Prolog, Oz и Fril произошли уже от языка Prolog. На базе языка Planner было разработано также несколько альтернативных языков логического программирования, не основанных на методе поиска с возвратами (backtracking), например, Ether