Почему Haskell — лучший выбор для функционального программирования

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.

Этот материал представляет собой введение в функциональное программирование на языке Haskell. Расскажем об особенностях и преимуществах и как он применяется на практике.

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 начала краткая историческая справка. Предтечей Хаскела был другой функциональный язык — Миранда с концепцией «ленивых» вычислений. Финансовая поддержка этого языка была вполне солидной, но особой популярности он не снискал, так как распространялся по частной лицензии.

В качестве доступной альтернативы Миранде были созданы другие языки, среди которых наиболее популярным стал Haskell. Название язык получил в честь математика из США Хаскелла Карри, создателя комбинаторной логики.

В 1990 году опубликована первая версия, 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 в открытом характере этого инструмента. Разработчики принимают от всех желающих предложения по улучшению и расширению функционала.

Программа, написанная на Хаскелле, состоит из набора математических функций — определенных соответствий между элементами. Углубляться в алгебраические термины нет смысла, стоит знать лишь о том, для вычисления функций важны исключительно исходные данные.

В программировании на Haskell собственно 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, Хаскелл 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 всего мира.

Характеристики Haskell

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

Ленивость (отложенность)

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. Можно сравнить это с чтением научных статей, в которых есть формулы. Когда читатель доходит до таких мест, от может пропустить их и вернуться позже, как только будет готов сконцентрироваться.

При изучении Хаскелла 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 Хаскелл 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. К примеру, задавать последовательные операции, использовать функции с побочными значениями.

Функциональность

Разработчикам, которые работали только с императивными языками, придется освоить множество новых концепций. Однако определенные сложности пойдут только на пользу программисту — он приобретет новые практические навыки. Эксперты утверждают, что после работы с Хаскелл становится проще кодировать на С++, Java и иных языках.

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 возможность реализованы посредством монад.

В целом здесь действует основной закон Хаскелла: использование функции с одинаковыми параметрами приводит к одному и тому же результату.

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.

Подобная структура существенно упрощает создание и тестирование программных продуктов. Если потребуется улучшить код или исправить ошибку, сделать это можно в отдельном модуле, не затрагивая всю программу. Модульность ускоряет разработку ПО, разделяя отдельные блоки между разными командами разработчиков.

Параметрический полиморфизм

В Хаскелле 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 программеру 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. Устойчивость программы к ошибкам повышается, поскольку они локализованы в отдельных модулях. 
• Благодаря свободному доступу созданы тысячи инструкций, библиотек и рекомендаций для начинающих и опытных программеров на Хаскелл. Активное комьюнити профи и любителей поможет решить проблемы в процессе программирования — всегда можно запросить помощь или найти готовое решение. 
• Поскольку типы назначаются и проверяются еще на стадии компиляции, этим не придется заниматься в процессе работы программы. Благодаря ленивости ПО 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 Хаскелл успешно применяется в практических целях, в том числе для работы с математическими задачами и для разработки утилитарных продуктов. 

Эксперты отмечают и недостатки:

• 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.
• Сложность в решении нестандартных задач. В репозиториях и библиотеках собрано множество решений, но значительная их часть посвящена работе с типовыми проблемами. Нестандартные задачи приходится решать самостоятельно либо просить помощи у сообщества.

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

Основы языка Haskell

Итак, чистая функция всегда показывает стабильный результат при одних и тех же вводных данных. Она не меняет состояния кода и не зависит от внешнего влияния. Такой код проще тестировать по причине его предсказуемости.

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

		

В примере функция add демонстрирует, что для одинаковых значений «x» и «у» итог всегда будет одинаковым. Эта особенность чистых функций чрезвычайно важна и полезна в ФП.

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.

			let x = 5
let y = x + 1 // x остается равным 5

		

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.

			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.

Лямбда-выражения и высшие функции

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

			let add x y = x + y
		

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

Итерации выполняются в Хаскелл с помощью рекурсивных функций, а не циклов, как в более привычных нам императивных языках.

			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.

			let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
let doubled = map (*2) numbers

		

Здесь список содержит числа, а функция используется для удвоения элементов. Операции со списками разработчикам стоит освоить в первую очередь.

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

Простой пример применения лямбда-функции для суммирования двух чисел:

			let add = \x z -> x + z
		

Инструмент полезен для создания локальных функций с ограниченным использованием.

Практическое применение Haskell

В специальной литературе можно встретить утверждение, что Хаскелл — язык гениев и академиков. Это верно лишь отчасти. Первый функциональный язык 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 Хаскелл будет гораздо проще.

Применение на практике Haskell — это разработка видео-серверов, обработка сложных массивов данных, другие многосоставные задачи.

Крупные банки и инвестиционные компании используют функциональный язык для разработки персональных рабочих инструментов. Хаскелл гарантирует точность и корректность вычислений независимо от уровня их сложности.

Кроме того, на этом языке работают программы синтаксического разбора, редактирования текста, некоторые поисковые сервисы и программы по удалению спама и рекламы. Структура Haskell наиболее удобна для отображения грамматических и прочих правил самых сложных языков, включая русский.

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

После установки откройте терминал 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

		

Интерактивная оболочка позволяет свободно работать с кодом и тестировать его. Для изучения языка ее применение обязательно.

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 Хаскелл.

Итоги

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.