सभी के लिए कार्यात्मक प्रोग्रामिंग

शुभ दिन। यह लेख एक पोस्ट का अनुवाद है जो मुझे न्यूयॉर्क स्टेट यूनिवर्सिटी में स्टोनी ब्रुक में स्नातक छात्र के ब्लॉग पर दिलचस्पी है। सुलभ रूप में लेख कार्यात्मक प्रोग्रामिंग की मूल अवधारणाओं, उनके फायदे और नुकसान का वर्णन करता है। मुझे लगता है कि यह पाठकों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उपयोगी होगा जो संदेह करते हैं कि उन्हें कार्यात्मक प्रोग्रामिंग की दुनिया में तल्लीन करने की आवश्यकता है या नहीं। अनुवाद और शब्दावली पर इच्छाओं, सुझावों और टिप्पणियों को व्यक्तिगत मेल द्वारा स्वीकार किया जाता है।

अनुवादक की राय कभी-कभी लेखक की राय से मेल नहीं खाती, लेकिन लेख का अनुवाद बेहद मनोरंजक था।

UPD: आप rsdn (लिंक के लिए फ्लेमिंगो के लिए धन्यवाद) पर एक वैकल्पिक अनुवाद विकल्प पा सकते हैं।

सोमवार, 19 जून, 2006

परिचय

प्रोग्रामर विलंबकर्ता (यानी आलसी लोग) होते हैं। आओ, कॉफी बनाओ, मेल चेक करो, गर्मियों में आरएसएस पढ़ें, समाचार पढ़ें, तकनीकी साइट पर नवीनतम लेख देखें, प्रोग्रामिंग फोरम पर राजनीतिक चर्चा देखें। कुल्ला, दोहराएं ताकि कुछ भी याद न हो। दोपहर के भोजन के लिए जाओ। वापस जाओ, कुछ मिनट के लिए IDE में गोता लगाएँ। मेल की जाँच करें। कॉफी बनाओ। और अचानक दिन करीब आ रहा है।

लेकिन समय-समय पर दिलचस्प (शर्मनाक, आशाजनक) लेख और ब्लॉग पोस्ट देखने में आते हैं। यदि आप सही जगह देख रहे हैं, तो कम से कम एक ऐसा लेख आपको हर कुछ दिनों में मिलेगा। इन पदों को समझना मुश्किल है, इसमें समय लगता है, इसलिए वे रीड फ़ोल्डर में जमा होते हैं। इससे पहले कि आप समझ सकें कि क्या है, यह पता चला है कि लिंक का एक गुच्छा और पीडीएफ फाइलों से भरा एक फ़ोल्डर पहले ही जमा हो गया है। आपको पूरे साल और जंगल के बीच में एक झोपड़ी की आवश्यकता होगी, जहां चारों ओर मीलों तक यह सब पता लगाने के लिए एक आत्मा नहीं है। और यह सलाह दी जाती है कि जब आप नदी पर जाएं तो हर सुबह कोई व्यक्ति भोजन लेकर आए और कचरा उठाए।

मुझे नहीं पता कि आपकी सूची क्या है, लेकिन मेरी अधिकांश सूची कार्यात्मक प्रोग्रामिंग से संबंधित है। इस तरह के लेख आमतौर पर सबसे जटिल होते हैं। अक्सर वे एक सूखी अकादमिक भाषा में लिखे जाते हैं, और यहां तक ​​कि "वॉल स्ट्रीट के दिग्गज एक दशक के अनुभव के साथ" यह नहीं समझते कि कार्यात्मक प्रोग्रामिंग (एफपी) पर लेख क्या कहते हैं। यदि आप सिटी ग्रुप के प्रोजेक्ट मैनेजर या ड्यूश बैंक में एक सवाल पूछते हैं ^[१] उन्होंने एर्लांग के बजाय जेएमएस को क्यों चुना, आप प्रतिक्रिया में सुनेंगे कि वे औद्योगिक विकास के लिए शैक्षणिक भाषा का उपयोग नहीं कर सकते। समस्या यह है कि सबसे कठोर आवश्यकताओं वाले अधिकांश जटिल सिस्टम कार्यात्मक प्रोग्रामिंग तत्वों का उपयोग करके लिखे गए थे। कुछ फिट नहीं है।

दरअसल, वायुसेना पर लेखों को समझना मुश्किल है, लेकिन उन्हें आसान लिखा जा सकता है। ज्ञान के परिणामस्वरूप रसातल का कारण विशुद्ध रूप से ऐतिहासिक है। संक्षेप में, वायुसेना की अवधारणा में कुछ भी जटिल नहीं है। इस लेख को “एएफ के लिए सुलभ मार्गदर्शक” के रूप में देखें, हमारे अनिवार्य दिमाग और वायुसेना की दुनिया के बीच एक सेतु के रूप में। अपने आप को कॉफी पिलाई और जारी रखा। मुझे उम्मीद है कि बहुत जल्द सहकर्मी आपके FI टिप्पणियों के बारे में मजाक करना शुरू कर देंगे।

तो वायुसेना क्या है? यह कहां से आया? यह किसके लिए उपयुक्त है? यदि यह वास्तव में इतना उपयोगी है, जैसा कि एफपी के वकील इसके बारे में कहते हैं, तो इसका उपयोग औद्योगिक पैमाने पर अधिक बार क्यों नहीं किया जाता है? केवल पीएचडी वाले लोग कार्यात्मक भाषाओं की ओर क्यों झुके हैं? लेकिन इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि कार्यात्मक भाषाओं को सीखना इतना कठिन क्यों है? इन सभी क्लोजर, कंटिन्यू, क्युरिंग, आलसी कंप्यूटिंग और साइड इफेक्ट्स की अनुपस्थिति के पीछे क्या छिपा है? यह सब एक ऐसी परियोजना में कैसे इस्तेमाल किया जा सकता है जो पूरे ब्रह्मांड को कवर नहीं करता है? यह सब इतना अच्छा क्यों है जो पवित्र और हमारे अनिवार्य दिलों के लिए प्रिय है? जल्द ही हम इसका पता लगाएंगे। शुरुआत करने के लिए, आइए समझते हैं कि अकादमिक लेखों और वास्तविक दुनिया के बीच भारी अंतर का कारण क्या है। इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, बस पार्क में चलें।

पार्क में चलो

टाइम मशीन में जाओ। पार्क में हमारी सैर 380 ईसा पूर्व के लंबे समय से भूल वसंत के उन धूप दिनों में से 2 हजार साल पहले हुई थी। एथेंस की शहर की दीवारों से परे, जैतून के पेड़ों की कोमल छाया के नीचे, प्लेटो एक सुंदर सुस्त लड़के के साथ अकादमी की ओर चल दिया। मौसम अद्भुत था, दोपहर का भोजन पेट में सुखद था, और बातचीत धीरे-धीरे दार्शनिक विषयों में बदल गई।

"प्लेटो ने उन दो छात्रों को देखा," इस मुद्दे को शैक्षिक अर्थ देने के लिए शब्दों का चयन सावधानी से करें। "उनमें से कौन आपको लगता है कि लंबा है?" लड़का दास ने पूल की ओर देखा, जहां दो लोग खड़े थे। "वे उसी ऊंचाई के बारे में हैं," लड़के ने जवाब दिया। "आप एक ही ऊंचाई के बारे में शब्दों से क्या मतलब है?" प्लेटो ने पूछा। "ठीक है, यहाँ से वे एक जैसे दिखते हैं, लेकिन मुझे यकीन है कि अगर हम करीब आते हैं, तो मैं ऊंचाई में अंतर देख सकता हूँ।"

प्लेटो मुस्कुराया। उन्होंने लड़के को सही दिशा में आगे बढ़ाया। "तो आप यह कहना चाहते हैं कि दुनिया में आदर्श रूप से मेल खाने वाली चीजें नहीं हैं?" लड़का विचारशील हो गया और जवाब दिया: "हां, मुझे ऐसा लगता है। हमेशा एक छोटा सा अंतर होता है, भले ही हम इसे देख न सकें। "फिर अगर इस दुनिया में पूरी तरह से संयोग नहीं हैं, तो आप 'आदर्श' समानता की अवधारणा को कैसे समझते हैं?" इसने लड़के को स्तब्ध कर दिया। उसने उत्तर दिया: "मुझे नहीं पता।"

इस प्रकार गणित की प्रकृति को समझने का पहला प्रयास पैदा हुआ। प्लेटो ने सुझाव दिया कि हमारी दुनिया में सब कुछ आदर्श का एक अनुमान है। उन्होंने यह भी महसूस किया कि लोग एक आदर्श की अवधारणा को समझने में सक्षम थे, हालांकि उन्होंने कभी सामना नहीं किया था। वह इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि आदर्श गणितीय रूप किसी अन्य दुनिया में मौजूद होने चाहिए, और हम किसी तरह इस "वैकल्पिक" ब्रह्मांड के कनेक्शन से उनके बारे में जानते हैं। जाहिर है, हम सही सर्कल नहीं देख सकते हैं। लेकिन एक ही समय में, हम समझते हैं कि एक आदर्श चक्र क्या है और इसे गणितीय रूप से कैसे वर्णित किया जा सकता है। फिर गणित क्या है? ब्रह्मांड को गणितीय कानूनों द्वारा क्यों वर्णित किया गया है? क्या गणित सब कुछ बता सकता है? ^[2]

गणित का दर्शन एक बहुत ही जटिल विषय है। अधिकांश दार्शनिक विषयों की तरह, वह जवाब देने के बजाय सवाल पूछता है। अधिकांश वैज्ञानिक इस तथ्य से सहमत हैं कि गणित एक वास्तविक पहेली है: यह बुनियादी सुसंगत सिद्धांतों के एक सेट पर आधारित है और इन सिद्धांतों को कैसे संचालित किया जाए, इस पर नियमों का एक सेट है। फिर हम अधिक से अधिक जटिल कानून प्राप्त करने के लिए नियमों को जोड़ सकते हैं। गणितज्ञ इस विधि को "औपचारिक प्रणाली" या "पथरी" कहते हैं। उदाहरण के लिए, आप टेट्रिस के लिए एक औपचारिक प्रणाली बना सकते हैं। वास्तव में, एक कामकाजी टेट्रिस अपने आप में एक औपचारिक प्रणाली है; यह केवल एक असामान्य रूप में लिखा गया है।

अल्फा सेंटॉरी से शराबी जीवों की सभ्यता हमारे औपचारिक टेट्रिस या सर्कल सिस्टम को पढ़ने में सक्षम नहीं होगी, क्योंकि उनके एकमात्र इंद्रिय केवल गंध कर सकते हैं। वे कभी भी एक टेट्रिस का निर्माण नहीं कर सकते हैं, लेकिन उनके पास निश्चित रूप से सर्कल के लिए एक औपचारिक प्रणाली होगी। सबसे अधिक संभावना है, हम इसके साथ परिचित नहीं हो पाएंगे, क्योंकि हमारी गंध की भावना इतनी विकसित नहीं है। लेकिन जैसे ही प्रस्तुति की भाषा को डिक्रिप्ट किया जाता है (विभिन्न संवेदी उपकरण और मानक रिवर्स इंजीनियरिंग तकनीकों के माध्यम से), किसी भी बौद्धिक रूप से विकसित सभ्यता के लिए बुनियादी अवधारणाएं स्पष्ट हो जाएंगी।

भले ही ब्रह्मांड में कोई बुद्धिमान सभ्यता नहीं थी, लेकिन टेट्रिस और सर्कल के लिए औपचारिक प्रणाली अभी भी तार्किक रूप से सही होगी। इन प्रणालियों को खोजने और औपचारिक रूप देने में सक्षम कोई भी प्राणी नहीं होगा। यदि एक समझदार विदेशी दौड़ अचानक दिखाई देती है, तो वे ब्रह्मांड का वर्णन करने के लिए अपनी औपचारिक प्रणाली विकसित करने की संभावना करेंगे। बेशक, यह संभावना नहीं है कि वे टेट्रिस का आविष्कार करेंगे, क्योंकि ब्रह्मांड में इस खेल के लिए कोई एनालॉग नहीं हैं। टेट्रिस एक बड़ी संख्या में औपचारिक प्रणालियों में से एक उदाहरण है, पहेलियाँ जो आसपास की वास्तविकता से संबंधित नहीं हैं। यहां तक ​​कि प्राकृतिक संख्याओं के रूप में ऐसी अवधारणा को हमेशा वास्तविक दुनिया के लिए जिम्मेदार नहीं ठहराया जा सकता है, क्योंकि आप इतनी बड़ी संख्या की कल्पना कर सकते हैं कि इसे ब्रह्मांड में किसी भी चीज पर लागू नहीं किया जा सकता है, लेकिन यह परिमित होगा।

थोड़ा इतिहास ^[3]

चलो हमारे टाइम मशीन के पहियों को चालू करते हैं और 1930 के दशक में थोड़ा करीब आते हैं। द ग्रेट डिप्रेशन ने नए और पुराने दुनिया को तबाह कर दिया। सभी सामाजिक तबकों के लगभग सभी परिवारों ने भारी आर्थिक मंदी महसूस की। बहुत कम आश्रय बचे हैं जिनमें लोग गरीबी से डर नहीं सकते थे। कुछ लोग ऐसे आश्रयों में रहने के लिए सौभाग्यशाली होते हैं। हम प्रिंसटन विश्वविद्यालय में गणित में रुचि रखते हैं।

गोथिक शैली में निर्मित नई इमारतों ने विश्वविद्यालय को एक सुरक्षा आभा दी। एक नए प्रभाग की स्थापना के लिए देश भर के तर्क विशेषज्ञों को प्रिंसटन में आमंत्रित किया गया था। जबकि अधिकांश अमेरिकी भोजन, उच्च छत, लकड़ी के पैटर्न के साथ दीवारों, एक कप चाय पर दैनिक चर्चा और जंगल में चलने के लिए संघर्ष करते थे, उन्होंने प्रिंसटन में रहने की स्थिति बनाई।

ऐसी बेकार जीवनशैली में जीने वाले गणितज्ञों में से एक अलोंजो चर्च नाम का एक युवक था। अलोंजो ने प्रिंसटन में स्नातक की डिग्री प्राप्त की और स्नातक विद्यालय में रहने के लिए राजी किया गया। अलोंजो ने महसूस किया कि परिवेश बहुत शानदार था। वह शायद ही कभी एक कप चाय के साथ गणित की समस्याओं पर चर्चा करते दिखाई दिए और जंगल में घूमना पसंद नहीं किया। अलोंजो एक अकेला व्यक्ति था: जब वह अकेले काम करता था तब वह अधिक विपुल था। फिर भी, वह नियमित रूप से प्रिंसटन के अन्य निवासियों से मिला। उनमें एलन ट्यूरिंग (एलन ट्यूरिंग), जॉन वॉन न्यूमैन (जॉन वॉन न्यूमैन) और कर्ट गोडेल (कर्ट गोडेल) शामिल थे।

ये चारों औपचारिक प्रणालियों में रुचि रखते थे। वे भौतिक दुनिया पर ज्यादा ध्यान नहीं देते थे, वे अमूर्त गणितीय पहेली के साथ काम करने में रुचि रखते थे। उनकी पहेली में कुछ सामान्य था: गणितज्ञों ने कम्प्यूटेशनल मुद्दों का अध्ययन किया। यदि हमारे पास अनंत कंप्यूटिंग क्षमताओं वाली एक मशीन है, तो उस पर कौन से कार्य हल किए जा सकते हैं? क्या समस्याओं को स्वचालित रूप से हल करना संभव है? क्या अकल्पनीय समस्याएं हैं और क्यों? क्या विभिन्न आर्किटेक्चर वाली कारें सत्ता में समान होंगी?

अन्य वैज्ञानिकों के साथ मिलकर, अलोंजो ने एक औपचारिक प्रणाली विकसित की जिसे लैम्ब्डा कैलकुलस कहा जाता है। प्रणाली अनिवार्य रूप से काल्पनिक मशीनों में से एक के लिए एक प्रोग्रामिंग भाषा थी। यह उन कार्यों पर आधारित था जो तर्कों के रूप में कार्य करते हैं, और एक फ़ंक्शन वापस करते हैं। इस तरह के एक समारोह को ग्रीक पत्र लैंबडा द्वारा नामित किया गया था, जिसने पूरे सिस्टम को नाम दिया था ^[४] । इस प्रणाली का उपयोग करते हुए, अलोंजो उपरोक्त प्रश्नों के बारे में तर्क बनाने और उनके उत्तर प्राप्त करने में सक्षम था।

अलोंजो के बावजूद, एलन ट्यूरिंग ने एक समान अध्ययन किया। उन्होंने एक और औपचारिक प्रणाली विकसित की (जिसे अब ट्यूरिंग मशीन कहा जाता है), और इसके इस्तेमाल से वह अलोंजो के समान निष्कर्ष पर आए। यह बाद में साबित हुआ कि ट्यूरिंग मशीन और लाइबाडा कैलकुलस में समान शक्ति है।

इस क्षण, हमारी कहानी बंद हो जाती है। मैं इस लेख को संक्षेप में प्रस्तुत करूंगा, और यदि दूसरे विश्व युद्ध की शुरुआत नहीं हुई है, तो आप दूसरे पृष्ठ पर जाएंगे। दुनिया धधक रही थी। अमेरिकी सैनिकों ने तोपखाने का बहुत इस्तेमाल किया। सटीकता में सुधार करने के लिए, सेना ने गणितज्ञों के एक बड़े समूह को काम पर रखा, जिन्होंने लगातार बैलिस्टिक शूटिंग टेबल के लिए आवश्यक अंतर समीकरणों को हल किया। यह जल्दी से स्पष्ट हो गया कि इस तरह का कार्य मैन्युअल समाधान के लिए बहुत जटिल था, और इस समस्या को दूर करने के लिए विशेष उपकरण विकसित किए गए थे। पहली बैलिस्टिक टेबल सॉल्यूशन मशीन मार्क I आईबीएम द्वारा बनाई गई थी - इसका वजन 5 टन था, जिसमें 750'000 पार्ट्स शामिल थे और प्रति सेकंड 3 ऑपरेशन कर सकते थे।

बेशक, दौड़ वहाँ समाप्त नहीं हुई। 1949 में, इलेक्ट्रॉनिक डिसक्रीट वेरिएबल ऑटोमैटिक कंप्यूटर (EDVAC) को जनता को दिखाया गया। यह वॉन न्यूमैन वास्तुकला कार्यान्वयन का पहला उदाहरण था, और वास्तव में काम करने वाली ट्यूरिंग मशीन थी। कुछ समय के लिए अलोंजो चर्च का काम एक तरफ रख दिया गया।

1950 के दशक के उत्तरार्ध में, एमआईटी के प्रोफेसर जॉन मैकार्थी, जो एक प्रिंसटन स्नातक भी थे, ने अलोंजो चर्च के काम में रुचि दिखाना शुरू किया। 1958 में, उन्होंने सूची प्रसंस्करण भाषा, लिस टी पी रोजिंग भाषा (लिस्प) की शुरुआत की। लिस्प की कल्पना अलोंजो के लैम्ब्डा कैलकुलस के कार्यान्वयन के रूप में की गई थी, जो वॉन न्यूमैन कंप्यूटर पर चलता है। कई कंप्यूटर वैज्ञानिकों ने लिस्प की अभिव्यंजक शक्ति को नोट किया है। 1973 में, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में एक आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस लैब में प्रोग्रामर्स के एक समूह ने लोहे का विकास किया, जिसे उन्होंने लिस्प मशीन कहा। यह अलोंजो के लैम्ब्डा कैलकुलस का एक हार्डवेयर कार्यान्वयन था।

कार्यात्मक प्रोग्रामिंग

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String reverse(String arg) {
    if(arg.length == 0) {
        return arg;
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    else {
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    }
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(Machine Assisted Proofs and Optimizations)

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    return i + j;
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class add_function_t {
    int add(int i, int j) {
        return i + j;
    }
}

add_function_t add = new add_function_t();

add . . add . . add_function_t runtime , . , . , ( ) . . Java , ( ). « », , Java .

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        msg.setClientCode("ABCD_123");
        // ...
        
        sendMessage(msg);
    }
    
    // ...
}

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class MessageHandler {
    void handleMessage(Message msg) {
        // ...
        if(msg.getDestination().equals("server1") {
            msg.setClientCode("ABCD_123");
        } else {
            msg.setClientCode("123_ABC");
        }
        // ...
        
        sendMessage(msg);
    }
    
    // ...
}

. , . MessageHandler :

abstract class MessageHandler {
    void handleMessage(Message msg) {
        // ...
        msg.setClientCode(getClientCode());
        // ...
        
        sendMessage(msg);
    }
    
    abstract String getClientCode();
    
    // ...
}


class MessageHandlerOne extends MessageHandler {
    String getClientCode() {
        return "ABCD_123";
    }
}


class MessageHandlerTwo extends MessageHandler {
    String getClientCode() {
        return "123_ABCD";
    }
}

. . . ! :

class MessageHandler {
    void handleMessage(Message msg, Function getClientCode) {
        // ...
        Message msg1 = msg.setClientCode(getClientCode());
        // ...
        
        sendMessage(msg1);
    }
    
    // ...
}


String getClientCodeOne() {
    return "ABCD_123";
}


String getClientCodeTwo() {
    return "123_ABCD";
}


MessageHandler handler = new MessageHandler();
handler.handleMessage(someMsg, getClientCodeOne);

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«» Java — . . , . :

int pow(int i, int j);
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{
    return pow(i, 2);
}

, , , . ( (Haskell Curry), , ). , , , . — , ( ).

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class square_function_t {
    int square(int i) {
        return pow(i, 2);
    }
}
square_function_t square = new square_function_t();

, . . , ! , , ().

( ) — , . , :

String s1 = somewhatLongOperation1();
String s2 = somewhatLongOperation2();
String s3 = concatenate(s1, s2);

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somewhatLongOperation1 somewhatLongOperation2 , . , , ? — . , - s1 s2. , concatenate. concatenate , , ! Haskell — . Haskell - (!), Haskell .

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unless(stock.isEuropean()) {
    sendToSEC(stock);
}

, sendToSEC (stock) . unless? , , Haskell, . unless !

void unless(boolean condition, List code) {
    if(!condition)
        code;
}

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System.in.readLine();

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int j = add(5, 10, square);

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System.in.readLine();

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System.out.println("Please enter your name: ", System.in.readLine);

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(Pattern matching)

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int fib(int n) {
    if(n == 0) return 1;
    if(n == 1) return 1;
        
    return fib(n - 2) + fib(n - 1);
}

Java- Pattern matching-

int fib(0) {
    return 1;
}
int fib(1) {
    return 1;
}
int fib(int n) {
    return fib(n - 2) + fib(n - 1);
}

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int f(int n < 10) { ... }
int f(int n) { ... }

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Pattern matching , . ( ) . . , Pattern matching. , , .

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Function makePowerFn(int power) {
   int powerFn(int base) {
       return pow(base, power);
   }


   return powerFn;
}


Function square = makePowerFn(2);
square(3); // returns 9

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Function makeIncrementer() {
   int n = 0;


   int increment() {
       return ++n;
   }
}


Function inc1 = makeIncrementer();
Function inc2 = makeIncrementer();


inc1(); // returns 1;
inc1(); // returns 2;
inc1(); // returns 3;
inc2(); // returns 1;
inc2(); // returns 2;
inc2(); // returns 3;

n , . n, , , makeIncrementer . ? ? .

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class some_function_t {
   SymbolTable parentScope;
   
   // ...
}

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