WikiSort.ru - Программирование

Место и роль в информатике

Язык OCaml является языком программирования общего назначения, но при этом имеет свои сложившиеся области применения^[3].

Во-первых, это — создание «безопасных» (не только в смысле информационной безопасности) приложений. В языке используется сборка мусора, а большинство типов данных являются ссылочными (англ. boxed), что означает предотвращение переполнения буферов во время исполнения программы. Кроме того, статическая типизация и проверки времени компиляции делают невозможными некоторые другие классы ошибок, такие, как ошибки приведения типов в силу отсутствия автоматического приведения типов. Кроме того, код может быть формально верифицирован. Имеются утилиты автоматического доказательства типовой корректности кода, превосходящие таковые для большинства языков программирования. И что немаловажно, меры безопасности не влияют на эффективность исполняемого кода^[3].

Другой областью успешного применения OCaml являются приложения, управляемые данными (data-driven). К этой области относится обработка текста, а также написание компиляторов. OCaml имеет не только средства для текстовой обработки (какими славится, например, Perl или AWK), но и инструменты для глубокого семантического анализа и преобразования текста, что делает OCaml применимым в задачах интеллектуального анализа данных (англ. data mining)^[3].

Разумеется, OCaml, как и другие диалекты ML, используются в исследовательских задачах и задачах верификации, при котором основной код пишется на некотором языке программирования, а затем формально верифицируется и анализируется программой на OCaml^[3]. Например, на OCaml написана система интерактивного доказательства теорем Coq.

Основные свойства

OCaml занимает особое место среди языков программирования благодаря сочетанию эффективности, выразительности и практичности. Среди особенностей языка, развивавшихся в течение более чем 40 лет, со времени создания ML, можно выделить^[4]:

• Статическая проверка типов
• Параметрический полиморфизм
• Функции первого класса
• Алгебраические типы данных и сопоставление с образцом
• Поддержка программирования с неизменяемыми структурами данных (англ. immutable programming)
• Автоматическая сборка мусора
• Эффективный компилятор в машинный код, без применения JIT-компиляции

История

OCaml ведёт своё происхождение от ML (англ. meta language), который был реализован на диалекте Лиспа Робином Милнером в 1972 году в качестве программного средства для доказательства теорем, как метаязык логики вычислимых функций (LCF, англ. logic for computable functions). Позднее был сделан компилятор, а к 1980 году ML стал полноценной системой программирования^[5].

Ги Кузино (Guy Cousineau) добавил в язык алгебраические типы данных и сопоставление с образцом и определил ML в виде категориальной абстрактной машины (CAM). Таким образом, CAM-ML мог быть описан, верифицирован и оптимизирован, что явилось шагом вперёд для ML^[6].

Дальнейшим развитием был созданный к 1987 году Аскандером Суарецом (Ascánder Suárez) и продолженный Пьером Вейсом (Pierre Weis) и Мичелом Мони (Michel Mauny) язык Caml (переигранное CAM-ML)^[5][6].

В 1990 году Ксавье Лерой (Xavier Leroy) и Дамьен Долигез (Damien Doligez) выпустили новую реализацию, названную Caml Light. В этой реализации на Си использовался интерпретатор байт-кода и быстрый сборщик мусора. С написанием библиотек язык стал использоваться в образовании и исследовательских институтах^[5][6].

В 1995 году увидел свет Caml Special Light, развиваемый К. Лероем. Система программирования получила компилятор в машинные коды, что поставило эффективность исполняемого кода в один ряд с другими компилируемыми языками. В то же время была разработана система модулей, идея которой была заимствована из Standard ML^[5].

В современном виде OCaml появился в 1996 году, когда Дидье Реми (Didier Rémy) и Джером Вуйон (Jérôme Vouillon) реализовали для языка стройную и эффективную поддержку объектов. Эта объектная система позволяет на этапе компиляции в типобезопасной манере использовать идиомы объектно-ориентированного программирования, без свойственных C++ и Java проверок времени выполнения^[5].

В 2000-х годах язык плавно развивался, одновременно получая всё большее признание в коммерческих проектах и образовании. Среди разработанного в это время можно отметить полиморфные методы и вариантный типы, именованные и необязательные параметры, модули первого класса, обобщённые алгебраические типы данных (GADT). Язык стал поддерживать несколько аппаратных платформ (X86, ARM, SPARC, PowerPC)^[5][6].

Переменные

Переменная — идентификатор, значение которого связано с определённой величиной. Имена переменных начинаются со строчной буквы или подчёркивания. Привязка обычно выполняется с помощью ключевого слова let, как в следующем примере в интерактивной оболочке^[8]:

let v = 1;;

Переменные имеют область видимости. Например, в интерактивной оболочке переменную можно использовать в следующих за её привязкой командах. Аналогично, переменную, определённую в модуле, можно использовать после определения в данном модуле^[8].

Привязка переменной может быть осуществлена и в области видимости, заданной конструкцией let-in, как в следующем примере по вычислению площади круга по радиусу:

# let area radius =
      let pi = 3.14 in
      radius *. radius *. pi ;;
val area : float -> float = <fun>
# area 2.0 ;;
- : float = 12.56

В OCaml привязки переменных являются неизменяемыми (как в математических уравнениях), то есть, значение переменной «присваивается» только один раз (единичное присваивание). Другое дело, что внутри let-in может быть другой let-in, в котором вводится другая переменная, которая может «затенить» первую^[8].

Функции

Для определения функций в OCaml есть несколько синтаксических конструкций.

Функции можно определить с помощью ключевого слова function. Выражение для функции выглядит следующим образом^[9]:

function x -> x + 1

В данном случае функция анонимная, и её можно использовать в качестве параметров других функций или применить к некоторому аргументу, например:

(function x -> x + 1) 5

Типом этой функции является int -> int, то есть, функция принимает целое и возвращает целое.

Функция может иметь несколько аргументов^[10]:

function (x, y) -> x - y

В этом примере её тип: int * int -> int, то есть, на входе функции — пара^[⇨], а на выходе — целое.

Есть и другой подход представления функций нескольких аргументов — преобразование N-арной функции в N функций одного аргумента — каррирование. Следующие два вида записи функции, вычисляющей произведение целочисленных аргументов, эквивалентны^[10]:

function x -> function y -> x * y
fun x y -> x * y

Именованные функции можно получить, связав переменную с функцией^[9]. Определение именованной функции настолько частая операция, что имеет отдельную синтаксическую поддержку. Следующие три записи — эквивалентные способы определить функцию (в интерактивной оболочке):

# let prod = function x -> function y -> x * y ;;
val prod : int -> int -> int = <fun>
# let prod x y = x * y ;;
val prod : int -> int -> int = <fun>
# let prod = fun x y -> x * y ;;
val prod : int -> int -> int = <fun>

Функции двух аргументов можно определить для использования инфиксной записи^[9]:

# let (^^) x y = x**2.0 +. y**2.0 ;;
val ( ^^ ) : float -> float -> float = <fun>
# 2.0 ^^ 3.0 ;;
- : float = 13.
# (^^) 2.0 3.0 ;;
- : float = 13.

В этом примере определена функция (^^), вычисляющая сумму квадратов двух чисел с плавающей запятой. Последние два вида записи эквивалентны.

Рекурсивные функции, то есть функции, ссылающиеся на своё же определение, можно задать с помощью let rec^[9]:

# let rec fac n =
    match n with 
    | 0 -> 1
    | x -> x * fac (x - 1)
  ;;

В этом же примере вычисления факториала применено сопоставление с образцом (конструкция match-with).

Аргументы функции можно определить как именованные. Именованные аргументы можно указывать в любом порядке^[9]:

# let divmod ~x ~y = (x / y, x mod y) ;;
val divmod : x:int -> y:int -> int * int = <fun>
# divmod ~x:4 ~y:3 ;;
- : int * int = (1, 1)
# divmod ~y:3 ~x:4 ;;
- : int * int = (1, 1)

В OCaml можно опускать значения, используя уплотнённую запись (англ. label punning), если имя параметра и переменной совпадают^[9]:

# let x = 4 in
  let y = 3 in
  divmod ~x ~y ;;
- : int * int = (1, 1)

Выражения

Ассоциативность операций в выражениях OCaml определяется префиксом, распространяясь таким образом на операции, определённые пользователем. Знак - работает как префиксная, так и инфиксная операция, причём при необходимости использовать в качестве префикса совместно с применением функции параметр нужно заключить в скобки^[11].

Система типов

# "Example " ^ string_of_int(2) ;;
- : string = "Example 2"

# ['a'; 'b'; 'c'] ;;
- : char list = ['a'; 'b'; 'c']
# 'a' :: ('b' :: ('c' :: [])) ;;
- : char list = ['a'; 'b'; 'c']
# 'a' :: 'b' :: 'c' :: [] ;;
- : char list = ['a'; 'b'; 'c']
# [] ;;
- : 'a list = []

# let lst = [1; 2] ;;
val lst : int list = [1; 2]
# let lst1 = 0 :: lst ;;
val lst1 : int list = [0; 1; 2]
# lst ;;
- : int list = [1; 2]
# lst1 ;;
- : int list = [0; 1; 2]

let rec sum xs =
  match xs with
    | []       -> 0
    | x :: xs' -> x + sum xs'

 # sum [1;2;3;4;5];;
 - : int = 15

let sum xs =
    List.fold_left (+) 0 xs

  # sum [1;2;3;4;5];;
  - : int = 15

# type user =
    { login       : string;
      password    : string;
      nick        : string;
    };;
# let usr = { login = "myuser"; password = "secret"; nick = "aka" ; } ;;
val usr : user = {login = "myuser"; password = "secret"; nick = "aka"}
# usr.nick ;;
- : string = "aka"

# type main_color = Red | Green | Blue ;;
# Blue ;; 
- : main_color = Blue
# (Red, Blue) ;;
- : main_color * main_color = (Red, Blue)

# type color_scheme = RGB of int * int * int | CMYK of float * float * float * float;;
type color_scheme =
    RGB of int * int * int
  | CMYK of float * float * float * float

# let odd x = x mod 2 <> 0 ;;
val odd : int -> bool = <fun>

Императивное программирование и функции с побочными эффектами

Хотя бо́льшая часть кода может быть выполнена на OCaml в чистом функциональном стиле, язык позволяет программировать императивно, используя побочные эффекты, а также алгоритмические конструкции вроде циклов^[21].

Следующий пример напечатает на стандартном выводе (это — побочный эффект функции printf) 11 строк:

for i = 0 to 10 do 
  Printf.printf "i =%d\n" i
done;;

В следующем (довольно искусственном) примере элементы массива на месте увеличиваются на единицу в цикле с предусловием. Для индекса массива используется ссылка (ref), которая инкрементируется в теле цикла:

# let incr_ar ar =
    let i = ref 0 in
    while !i < Array.length ar do
      ar.(!i) <- ar.(!i) + 1;
      incr i
  done ;;
val incr_ar : int array -> unit = <fun>
# let nums = [|1;2;3;4;5|];;
val nums : int array = [|1; 2; 3; 4; 5|]
# incr_ar nums;;
- : unit = ()
# nums;;
- : int array = [|2; 3; 4; 5; 6|]

Хотя результатов вычислений можно достичь и чисто функциональными средствами, побочные эффекты позволяют оптимизировать вычисления. Например, они позволяются организовать ленивые вычисления и мемоизацию^[21].

Модульность

OCaml можно представить себе как состоящий из двух языков: язык ядра со значениями и типами и язык модулей и их сигнатур. Эти языки образуют два слоя в том смысле, что модули могут содержать типы и значения, а обычные значения не могут содержать модулей и модулей-типов. Тем не менее, OCaml предлагает механизм модулей первого класса, которые могут быть значениями и при необходимости преобразуются в обычные модули и обратно^[22].

Функторы

Система модулей OCaml не ограничивается модульной организацией кода и интерфейсами. Одними из важных инструментов обобщённого программирования являются функторы. Упрощённо говоря, функторы являются функцией из модуля в модули, что позволяет реализовать следующие механизмы^[23]:

• Внедрение зависимости (англ. dependency injection)
• Авторасширение модулей (англ. autoextension of modules)
• Создание экземпляра (англ. instantiation) модуля с некоторым состоянием

Запуск интерпретатора OCaml

Для запуска интерпретатора языка OCaml необходимо в консоли ввести следующую команду:

$ ocaml
       Objective Caml version 3.09.0
#

Теперь можно вводить различные выражения, которые интерпретатор будет считывать, вычислять и выводить результат на экран:

# 1 + 2 * 3;;
- : int = 7

Hello world

Следующая программа «hello.ml»:

print_endline "Hello World!";;

может быть скомпилирована либо в байт-код:

$ ocamlc hello.ml -o hello

либо в оптимизированный машинный код:

$ ocamlopt hello.ml -o hello

и запущена:

$ ./hello
Hello World!
$

Быстрая сортировка

В следующем примере приведён алгоритм быстрой сортировки, который сортирует список в порядке возрастания:

1 let rec qsort = function
   | [] -> []
   | pivot :: rest ->
       let is_less x = x < pivot in
       let left, right = List.partition is_less rest in
       qsort left @ [pivot] @ qsort right

Последовательность Фибоначчи

let rec fib_aux n a b =
  match n with
  | 0 -> a
  | _ -> fib_aux (n - 1) (a + b) a
let fib n = fib_aux n 0 1