Функциональное программирование и программирование на Haskell

Концепция функционального программирования (ФП) базируется на математических функциях. Такой подход принципиально отличается от императивного, в котором ключевыми элементами выступают изменения состояния кода и последовательное выполнение команд. В ФП основное внимание уделено вычислению тех или иных значений через функции.

В функциональных языках код проще тестировать, корректировать и поддерживать в рабочем состоянии. Функции в ФП — это объекты первого класса, которые передаются как аргументы, могут быть возвращены из других функций и храниться в переменных.

Еще одна характерная особенность функционального программирования — более предсказуемый, чистый и безопасный код. Поскольку функции сами по себе не меняют состояния программы, с ними легче работать. По этой причине ФП — более предпочтительный инструмент для создания сложных продуктов, в которых первостепенное значение имеют надежность и предсказуемость кода.

Haskell входит в число наиболее востребованных функциональных языков программирования. Для него характерна полная, строгая и статическая типизация и поддержка так называемых «ленивых» вычислений. Первоначально язык применялся в качестве инструмента для сугубо научных математических изысканий, но постепенно стал одним из наиболее востребованных на практике языков.

Глава I

Основные концепции ФП

Haskell считается сложным языком программирования — в нем используются концепции, которых нет в других языках. Однако эксперты считают, что для разработчиков освоение Haskell станет чрезвычайно полезным опытом.

Для того, чтобы начать погружение в ФП отметим краткую историческую справку. Перед Haskell’ем был другой функциональный язык — Miranda с концепцией «ленивых» вычислений. Финансовая поддержка этого языка была вполне солидной, но особой популярности он не снискал, так как распространялся только по частной лицензии.

В качестве доступной альтернативы функциональному языку программирования Miranda были созданы другие языки, среди которых наиболее популярным стал Haskell. Название язык получил в честь математика из США Хаскелла Карри, создателя комбинаторной логики [3].

В 1990 году была опубликована первая версия Haskell, через 8 лет создатели представили стандарт The Haskell 98 Report. Эта версия до сих пор остается базовой, что не отменяет постоянного развития и совершенствования языка.

Основное преимущество функционального программирования на Haskell заключается в открытом характере этого инструмента. Разработчики принимают от всех желающих предложения по улучшению и расширению функционала.

Программа, написанная на Haskell’е, состоит из набора математических функций — определенных соответствий между элементами. Для вычисления функций важны исключительно исходные данные.

В программировании на Haskell функция некоторого множества — основной структурный элемент кода. Задача разработчика — описать функцию так, чтобы автоматическому компилятору, который переводит текст в машинный код, были понятны все значимые моменты:

• какие параметры могут стать функцией;

• какие действия необходимо выполнить;

• как будет выглядеть итоговый код.

Несмотря на концептуальную сложность, Haskell входит в топ наиболее распространенных языков с поддержкой отложенных (они же ленивые) вычислений. Он имеет встроенную поддержку параллельного программирования и обширный инструментарий — это и средства автоматической проверки и отладки, и тысячи библиотек, созданных пользователями со всего мира.

Характеристики Haskell

Прежде чем перейти к более узким темам, стоит рассмотреть наиболее важные характеристики Haskell:

Отложенные вычисления

Это означает, что вычисление функций происходит по мере надобности. Если для выполнения программы значение конкретной функции не требуется, вычисление откладывается на потом.

Пример практического применения принципа ленивости — обычный калькулятор на сайте, в котором заложено множество функций, но в конкретный момент используются только нужные пользователю.

Преимущество такого принципа в том, что разработчик имеет возможность взаимодействовать с почти бесконечными структурами данных.

При изучении Haskell’а действительно не так важно, если программист не совсем понимает некоторые моменты синтаксиса. Главное — это уловить общую идею кода.

Статическая типизация

Под типом данных понимается определенная категория элементов, к которой можно применить какие-либо операции. Тип определяет характеристики данных, их возможные значения и операции, которые могут быть с ними проделаны.

Система типов в Haskell строгая и статичная. Это означает, что они имеют четкие различия, которые задаются еще на стадии компиляции, а не при исполнении программы.

При этом в Haskell присутствует особый тип данных под названием монады. Это своего рода контейнер, который содержит значения произвольного типа. Посредством монад на языке Haskell можно выполнять ряд действий, характерных для императивного программирования. Например, задавать последовательные операции, использовать функции с побочными значениями. [4]

Функциональность

Разработчикам, которые работали только с императивными языками, придется освоить множество новых концепций. Но стоит отметить, что определенные сложности пойдут только на пользу программисту — он приобретет новые практические навыки. Эксперты утверждают, что после работы с Haskell становится проще программировать на С++, Java и иных языках программирования. [2]

Чистота

Функциональный язык Haskell работает исключительно с чистыми функциями. Для них характерны такие свойства, как:

• строгая детерминированность — одному значению аргумента соответствует одно значение программной функции;

• отсутствие побочных действий — то есть влияния функции на среду исполнения.

Есть и исключения: для некоторых задач требуется как недетерминированность, так и побочные эффекты. Эти возможности реализовываются посредством использования монад.

В целом здесь действует основной закон Haskell’а: использование функции с одинаковыми параметрами приводит к одному и тому же результату. [2]

Модульность

Все программы на функциональном языке Haskell — это совокупность автономных блоков, каждый из которых выполняет свою задачу. Код разбит на независимые файлы, в которых содержатся модули.[1]

Подобная структура существенно упрощает создание и тестирование программных продуктов. Если существует потребность в усовершенствовании кода или исправлении ошибки в нём, то сделать это можно в отдельном модуле, не затрагивая всю программу. Модульность ускоряет разработку программного обеспечения, разделяя отдельные блоки между разными командами разработчиков.

Параметрический полиморфизм

В Haskell’е можно оперировать значениями разных типов одинаковым образом. Это свойство делает язык более выразительным и позволяет неоднократно пользоваться конкретным фрагментом кода для работы с различными данными, что значительно упрощает разработку ПО.

На практике это означает, что программисту не нужно писать разный код для каждого вида данных — можно использовать подходящий из тех, что уже имеются в наличии.

Преимущества и недостатки

Ключевые преимущества функционального языка Haskell:

• Слои языка четко подразделяются на «чистые» и «нечистые», поэтому разработчикам проще работать с каждым блоком по отдельности. Благодаря такому разделению код лучше понятен не только тем, кто с ним работал, но и сторонним программистам.

• Разделение кода на независимые блоки существенно упрощает тестирование продуктов. Находить и исправлять ошибки в независимых модулях проще, при этом не приходится переписывать весь код программы. Устойчивость программы к ошибкам повышается, поскольку они локализованы в отдельных модулях.

• Благодаря свободному доступу созданы тысячи инструкций, библиотек и рекомендаций как для начинающих, так и опытных программистов на Haskell. Активное сообщество программистов и любителей поможет решить проблемы в процессе программирования — всегда можно запросить помощь.

• Поскольку типы назначаются и проверяются еще на стадии компиляции, этим не придется заниматься в процессе работы программы. Благодаря ленивости программное обеспечение не тратит ресурсы на вычисление функций, не задействованных в настоящий момент. Скорость реализации кода повышается, проще включать параллельное вычисление и работать в режиме многозадачности.

• Для Haskell создано множество разных инструментов проверки, отладки и интеграции с продуктами на других языках. По этой причине Haskell успешно применяется в практических целях, в том числе для работы с математическими задачами и для разработки утилитарных продуктов. [4]

Недостатки функционального языка Haskell:

• Сложный синтаксис. Поначалу он может показаться нерациональным, особенно опытным разработчикам, привыкшим к языкам программирования со стандартным синтаксисом. Как ни странно, начинающим программистам освоить Haskell будет проще, поскольку у них нет конкретных предпочтений в парадигмах языков.

• Неравномерное развитие на разных платформах. Разработчики изначально ориентировались на Linux и MacOS, поэтому те, кто работает на Windows, сталкиваются с определенным дефицитом инструментов и прочими проблемами.

• Серьезной проблемой можно назвать отсутствие эффективных сред разработки. Те, что есть в наличии, оснащены ограниченным набором опций наподобии автозаполнения или же подсветки синтаксиса. Такие возможности, как навигация или рефакторинг (переформатирование структуры без изменения поведения программы) практически отсутствуют. [5]

• Сравнение с другими языками

Haskell отличается от других языков ФП, таких как Lisp или ML, благодаря встроенной поддержке ленивой оценки и строгому соблюдению функциональной парадигмы. В то время как Python и JavaScript заимствовали отдельные аспекты ФП, такие как функции высших порядков, они остаются мультимодальными языками, что делает их менее эффективными для задач, требующих математической строгости. [3]

Глава II

Основы языка Haskell

Чтобы начать работу с Haskell, потребуется установить компилятор Glasgow Haskell Compiler с пакетным менеджером Stack — он упрощает сборку проектов.

После установки откройте командную строку ОС, введите команду «ghci» для запуска интерактивной оболочки языка. Несколько простых выражений помогут убедиться, что система работает:

Prelude> 2 + 2

4

Prelude> let square x = x * x

Prelude> square 3

9

Чтобы создавать проекты, понадобится менеджер Stack. Для запуска нового проекта введите «stack new my-project» — эта команда предоставит структуру и установит нужные зависимости.

Основной файл — это Main.hs. Его нужно открыть и добавить:

module Main where

main :: IO ()

main = do

putStrLn "Введите ваше имя:"

name <- getLine

putStrLn ("Привет, " ++ name ++ "!")

Эта простая программа узнает имя пользователя и приветствует его.

Для компиляции и запуска применяются команды:

stack build

stack exec my-project-exe

Менеджер Stack — наиболее удобный инструмент для кодирования на Haskell.

Приведём пример функции add, которая демонстрирует, что для одинаковых значений «x» и «у» итог всегда будет одинаковым. Эта особенность чистых функций чрезвычайно важна и полезна в ФП. [7]

add :: Int -> Int -> Int add x y = x + y

Неизменяемость данных (она же иммутабельность) означает, что созданные значения невозможно изменить, можно только ввести новые значения. Такое свойство исключает ошибки, связанные с изменением статуса, и делает код более предсказуемым. [7]

let x = 5

let y = x + 1

В примере «x» не меняется, даже если создано новое значение «y». Такое свойство упрощает работу с кодом — можно не беспокоятся, что значения изменятся непредсказуемым образом.

Благодаря функциям высшего порядка, которые применяют другие функции как аргументы, разработчики издают более абстрактный, но при этом более эффективный код. Такие программы проще адаптировать и расширять. [5]

applyTwice :: (a -> a) -> a -> a applyTwice f x = f (f x)

В примере функция applyTwice принимает значение «x». Таким образом функция используется для разработки более мощных структур.

Процесс каррирования — это преобразование функции, принимающей ряд аргументов, в функцию, которая принимает один аргумент. Процедура повышает гибкость программных элементов.

add :: Int -> Int -> Int

add x y = x + y

addFive :: Int -> Int

addFive = add 5

Здесь функция «add» каррирована, что приводит к созданию другой функции «addFive», которая всегда прибавляет 5 к аргументу. Таким образом, функцию можно использовать в разных контекстах. [5]

Лямбда-выражения и высшие функции

В написании кода на Haskell функции определяет команда «let», после чего следует указание имени, типа аргументов и тела функции. [7]

let add x y = x + y

В примере простая функция add, суммирующая два значения. На аналогичной основе создаются более сложные программы.

Итерации выполняются в Haskell с помощью рекурсивных функций, а не циклов, как в более привычных нам императивных языках. [7]

factorial :: Int -> Int

factorial 0 = 1

factorial n = n * factorial (n – 1)

В примере факториал вычисляется с помощью рекурсии.

К важным структурам языка относятся списки. Их применяют для отображения последовательностей с помощью различных функций. [5]

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]

let doubled = map (*2) numbers

Здесь список содержит числа, а функция используется для удвоения элементов данного списка. Операции со списками разработчикам, как и в других языках программирования стоит осваивать в первую очередь, так как списки удобны для представления данных в некотором виде.

Для кратковременных операций применяют анонимные лямбда-функции. С их помощью можно создавать функции без имени.[7]

Простой пример применения лямбда-функции для суммирования двух чисел:

let add = x z -> x + z

Инструмент полезен для создания локальных функций с ограниченным использованием.

Популярные библиотеки языка Haskell

Haskell обладает развитой экосистемой библиотек, которые упрощают решение задач в различных областях. Рассмотрим несколько наиболее известных библиотек, их особенности и примеры применения. [3]

1. lens: Работа с данными

lens — мощная библиотека для работы с данными, позволяющая элегантно изменять и извлекать вложенные структуры, такие как списки, кортежи и пользовательские типы.

• Основные возможности:

  • Обработка вложенных структур без необходимости ручного написания сложных функций.

  • Универсальность: работает как с неизменяемыми данными, так и с эффектами.

  • Применение: Библиотека востребована для работы с большими сложными структурами данных в аналитических приложениях и веб‑серверах.

2. bytestring и text: Работа с текстом и бинарными данными

Эти библиотеки обеспечивают оптимизированную работу с текстами (text) и байтовыми строками (bytestring), что важно для обработки больших объемов данных.

• Особенности:

  • text: поддержка Unicode, высокая производительность при работе со строками.

  • bytestring: обработка низкоуровневых данных, таких как файлы и сетевые пакеты.

• Применение: Используются в системах обработки текстов, файловых манипуляциях и веб‑серверах.

3. aeson: Работа с JSON

Библиотека aeson предназначена для сериализации и десериализации JSON‑данных.

• Особенности:

  • Высокая скорость обработки JSON.

  • Простая интеграция с пользовательскими типами данных.

• Применение: Широко используется в разработке веб‑приложений и API.

4. conduit и pipes: Работа с потоками данных

Эти библиотеки решают задачи обработки потоков данных, таких как файловые чтения, обработка HTTP-запросов и потоковое преобразование.

• Отличия:

  • conduit: более строгая модель потоков, подходящая для больших объемов данных.

  • pipes: минималистичный дизайн и более низкоуровневый подход.

• Применение: Применяются для обработки больших файлов или потоков данных в режиме реального времени.

5. servant: Создание API

servant предоставляет высокоуровневый способ определения и реализации веб-API с использованием типов Haskell.

• Особенности:

  • Описание API на уровне типов.

  • Генерация серверов, клиентов и документации из одного определения.

• Применение: Используется в коммерческих проектах для создания серверов REST и GraphQL.

6. vector: Эффективные массивы

vector — это библиотека для работы с массивами, предоставляющая API для управления однородными коллекциями.

• Особенности:

  • Высокая производительность за счёт оптимизированных операций.

  • Работа как с неизменяемыми, так и с изменяемыми массивами.

• Применение: Применяется в численных вычислениях и научных исследованиях.

7. haskell-gi: Работа с графическими интерфейсами

haskell-gi позволяет создавать приложения с графическим интерфейсом, используя библиотеки GTK.

• Особенности:

  • Автоматическая генерация Haskell‑интерфейсов для GTK.

  • Поддержка кроссплатформенной разработки.

• Применение: Разработка настольных приложений.

Практическое применение Haskell

Данный язык программирования действительно не прост для освоения, но лишь до того момента, пока вы пытаетесь понять его концепцию в рамках парадигмы императивных языков. Если подойти к нему непредвзято, понять Haskell будет гораздо проще.

Стоит привести несколько показательных примеров, где используется Haskell.

Что и где написано на Haskell?

1. Cпам‑фильтры в Facebook(Meta). Для фильтрации сообщений, которые содержат спам, ссылки на потенциально вредоносное ПО и фишинговые атаки, используется система Sigma, которая в 2015 году была переписана на Haskell. Выбор языка основывается в том числе на требованиях к производительности, необходимости в чистых функциях и статической типизации, а также возможности интерактивной разработки. «Под капотом» активно используется фреймворк Haxl, который компания предоставила в открытый доступ.

2. Eaton — компания, производящая электротехническое и гидравлическое оборудование, компоненты для авиационной и автомобильной промышленности. В компании используют Haskell для повседневных задач вроде написания скрипта программы, симуляции железа, инструментов для удалённого управления системами транспортного средства и т. д. Но самое интересное, что они доверили управление гидравликой коду, написанному на DSL Atom, который также реализовали на Haskell. Atom предназначен для разработки систем жёсткого реального времени и позволяет декларативно описывать правила смены состояний системы. Во время компиляции выполняется планирование задач, поэтому результирующий код имеет детерминированное время выполнения и константное потребление памяти. Это значительно упрощает верификацию полученного кода и в целом повышает безопасность системы, что, конечно, очень важно для этой предметной области.

3. Сервис Chordify позволяет преобразовывать музыку с YouTube, SoundCloud и т. п. в аккорды, чтобы вы сами научились играть свои любимые песни. Haskell применяется по большей части непосредственно в процессе распознавания, для этого разработчики используют библиотеку HarmTrace, которая анализирует последовательности музыкальных гармоник.

4. Лаборатория Касперского разрабатывает собственную защищённую операционную систему KasperskyOS для подключенных к интернету встраиваемых систем. Разумеется, у этой ОС особые требования к надёжности и кибербезопасности. Для компилятора системы безопасности и создания вспомогательных средств разработки команда KasperskyOS активно использует Haskell. Конфигурация безопасности описывается на специальном DSL, который затем компилируется в C.

5. Часть внутренних инструментов для automotive‑разработки в Tesla написана на Haskell. Данный функциональный язык программирования используется для промежуточного высокоуровневого представления внутренних систем, из которого генерируются код на C, документация и т. д.

6. BIOCAD — одна из крупнейших биотехнологических компаний, базирующаяся в России. В компании осуществляется полный цикл создания медикаментов, вплоть до массового производства и маркетинга. BIOCAD разрабатывает собственные внутренние сервисы для обработки и хранения данных при разработке препаратов. Бэкенд этих сервисов написан на Haskell, в нём используется графовая база данных Neo4j, для которой компания разработала и выложила в открытый доступ драйвер Hasbolt.

7. Блокчейны и криптовалюты. Основная причина популярности Haskell в этой области — безопасность.

8. Co‑Star — астрологическое приложение для персонализированных гороскопов. Их бэкенд написан на Haskell.

9. Бэкенд мессенджера Wire написан на Haskell, причём серверный код есть в открытом доступе в репозитории компании, и к нему написана подробная документация.

10. Американский музей естественной истории использует Haskell для исследования филогенетических графов, отражающих эволюционные взаимосвязи между различными видами. Код этого проекта также доступен на GitHub.

Из приведённых примеров можно подчеркнуть, что Haskell гарантирует точность и корректность вычислений независимо от уровня их сложности.

Структура Haskell наиболее удобна для отображения грамматических и прочих правил самых сложных языков, включая русский.

Глава III

Монады в функциональном программировании

Монады являются одним из ключевых понятий в функциональном программировании (ФП) и занимают особое место в языке Haskell. Это мощный инструмент, позволяющий организовать вычисления, включающие побочные эффекты, такие как ввод-вывод (I/O), обработка ошибок, управление состоянием и многое другое, в рамках чистого функционального подхода.

Что такое монада?

С математической точки зрения монада — это структура, которая оборачивает значение и предоставляет способ для последовательного применения функций к этим значениям. В контексте программирования монада — это абстракция, позволяющая описывать цепочки вычислений, где результат одного вычисления передается в другое.

На языке Haskell монады определяются через тип класса Monad, который имеет следующие основные операции:

1. return — помещает значение в контекст монады.

2. >>= (bind) — позволяет последовательно соединять вычисления в рамках монадического контекста.

Пример сигнатуры этих функций:

class Monad m where
    return :: a -> m a
    (>>=) :: m a -> (a -> m b) -> m b

Основные свойства монад

Чтобы быть монадами, структуры должны удовлетворять трём законам:

1. Левый тождественный закон:

   return x >>= f == f x

   Это означает, что добавление значения в монаду и немедленное применение функции эквивалентно непосредственному применению функции.

2. Правый тождественный закон:

   m >>= return == m

   Если к монадическому значению применить return, то это не изменяет само значение.

3. Ассоциативность:

   (m >>= f) >>= g == m >>= (x -> f x >>= g)

   Порядок связывания функций не имеет значения, если соблюдается их последовательность.

Примеры монад в Haskell

Монада Maybe

Монада Maybe используется для работы с вычислениями, которые могут завершаться ошибкой (например, возвращать Nothing вместо значения). Это удобный способ обработки ошибок без использования исключений.

Пример:

safeDivide :: Int -> Int -> Maybe Int
safeDivide _ 0 = Nothing
safeDivide x y = Just (x `div` y)

result :: Maybe Int
result = Just 10 >>= (x -> safeDivide x 2) >>= (y -> safeDivide y 0)
-- результат: Nothing

Монада IO

Монада IO позволяет работать с вводом-выводом в рамках чистого функционального программирования. Она помогает отделить чистый код от операций, которые изменяют состояние внешней среды.

Пример:

main :: IO ()
main = do
    putStrLn "Введите ваше имя:"
    name <- getLine
    putStrLn ("Привет, " ++ name ++ "!")

Монада List

Монада списка позволяет обрабатывать последовательности значений, представляя вычисления, которые могут иметь несколько результатов.

Пример:

pairs :: [Int] -> [Int] -> [(Int, Int)]
pairs xs ys = xs >>= x -> ys >>= y -> return (x, y)
-- результат: все возможные комбинации пар элементов из двух списков

Монады как способ управления побочными эффектами

Монады — это способ изолировать и контролировать побочные эффекты. Например, монада State позволяет управлять состоянием без явного изменения глобальных переменных:

import Control.Monad.State

type Counter = Int

increment :: State Counter Int
increment = do
    count <- get
    put (count + 1)
    return count

runCounter :: Int -> (Int, Counter)
runCounter start = runState increment start

В данном примере мы управляем состоянием счетчика, передавая его между функциями без явного изменения.

Преимущества монад

1. Чистота кода: Монады позволяют абстрагировать побочные эффекты и управлять ими, сохраняя чистоту функций.

2. Повторное использование: Монадические операции можно легко адаптировать к разным типам данных и контекстам.

3. Ясность и читаемость: Использование синтаксиса do в Haskell делает код более понятным и структурированным.

Недостатки монад

1. Сложность освоения: Новичкам трудно понять концепцию монад, особенно если у них нет опыта работы с функциональной парадигмой.

2. Скрытая логика: Абстракции, которые предоставляют монады, могут затруднить понимание работы программы для разработчиков, не знакомых с Haskell.

Монады в функциональном программировании — это мощный инструмент, который позволяет эффективно управлять вычислениями и побочными эффектами. В Haskell монады не только способствуют созданию предсказуемого и структурированного кода, но и позволяют использовать широкий спектр библиотек и инструментов, созданных на их основе.

Вывод

Язык функционального программирования Haskell содержит мощные и эффективные инструменты для написания чистого кода. Начинающие разработчики, освоив базовые концепции, смогут постепенно перейти к более сложным аспектам функциональной парадигмы. Следующий шаг — создание надежных и предсказуемых систем, применяемых в различных отраслях программирования.

Cписок используемых источников

1. Nishant Shukla «Haskell Data Analysis Cookbook» — Published by Packt Publishing Ltd. Livery Place 35 Livery Street Birmingham B3 2PB, UK, 2014. — 334 с.

2. Почему Haskell — лучший выбор для функционального программирования https://tproger.ru/articles/vvedenie‑v-funkcionalnoe‑programmirovanie‑na‑yazyke‑haskell, 6.11.2024 г.

3. Real World Haskell by Bryan O»Sullivan, John Goerzen, and Don Stewart Copyright 2009 Bryan O»Sullivan, John Goerzen, and Donald Stewart. Printed in the United States of America. — 712 с

4. Beginning Haskell: A Project‑Based Approach Copyright © 2014 by Alejandro Serrano Mena — 405 с.

5. Функциональное программирование на языке Haskell, Роман Душкин, 2013. — 608 с.

6. Использование Haskell в разных сферах деятельности. https://habr.com/ru/companies/typeable/articles/595 289/, 6.11.2024

7. Programming in Haskell Second Edition GRAHAM HUTTON, University Printing House, Cambridge CB2 8BS, United Kingdom — 272 с.