純函數式程式設計
在電腦科學中，純函數式編程通常指示一種程式設計範式，這是建造電腦程式的結構和元素的一種風格，就是將所有計算都當作數學函數的求值（evaluation）。純函數式程式設計還可以定義為禁用狀態變更和可變數據。
純函數式程式設計主要在於確保函數遵守函數式範式，只依賴於它們的實際參數，而不用管任何全域或局部的狀態。
純與非純的區別
[編輯]在純與非純函數式程式設計之間的確切區別是有爭議的事情[1]。
當一個程式使用了某些函數式程式設計概念的時候， 比如頭等函數和高階函數，它通常就被稱為是函數式的[2]。但是，頭等函數不必然是純函數式的，由於它可以使用來自指令式範式的技術，比如陣列或輸入/輸出方法，故而它們不是純函數程式。事實上，最早被引證為函數式的程式語言，IPL和LISP[3][4]，按照當前定義都是非純函數式語言。
純函數式數據結構必然是永續性數據結構。永續性是函數式程式設計所要求的，如果沒有它，相同的計算就可能返回不同的結果。函數式程式設計可以使用非純函數式的永續性數據結構，比如永續性陣列，而這些數據結構不可以用在純函數式程式中。
純粹採用函數式程式設計的基礎部件（如map、reduce、filter等），進行響應式編程（非同步數據流程編程）的程式設計範式，被稱為函數式響應式編程。
純函數式程式設計的性質
[編輯]單賦值
[編輯]任何改變現存值的賦值（比如x := x + 1），在純函數式程式設計中都是不允許的[5]。在現今的函數式程式設計中，賦值是被勸阻的，用以支援也叫做「初始化」的單賦值。單賦值是名字繫結的用例，不同於本文其他部分描述的賦值之處在於，它只能做一次，通常是在變數被建立的時候，不允許後續的重新賦值。純函數式程式設計共通於數據流程編程的這個特徵，簡化了平行計算[6]，因為求值的兩個部份如果都是純函數式的就會永不互動。
參照透明性
[編輯]如果將一個表達式替代為它的值只在程式執行的特定點上是有效的，則這個表達式不是參照透明性的。這些順序點的定義和次序是指令式編程的理論基礎。參照透明性的表達式可以在任何時間求值，既不需要定義順序點也根本不需要對求值次序的任何保證，不需要做這些考慮的編程叫做純函數式程式設計。
寫參照透明性風格的代碼的好處是能得到智能編譯器，易於靜態代碼分析，和自動進行更好的代碼最佳化。強制參照透明性的語言的主要缺點是，使得表達天然適合指令式編程的步驟序列的運算，更加蠢笨和更不簡潔。這些語言通常結合某種機制，使得這些任務更加容易而又保持語言的純函數式性質，比如明確子句文法和單子。
參照透明性要求表達式是純函數的，也就是表達式的值對於相同的輸入也必須是相同的，它的求值不能有副作用。在現今的函數式程式設計中，很少使用副作用。缺少副作用導致程式易於形式驗證。函數式語言比如Standard ML、Scheme和Scala不限制副作用，但是編程者會習慣性的避免使用它們[7]。函數式語言Haskell使用單子行動來表達副作用，比如輸入/輸出和其他有狀態的計算[8][9]。
數據結構
[編輯]純函數式數據結構，是可以用純函數式語言如Haskell實現的數據結構。實際上，這意味着建造這種數據結構，必須只使用永續性資料類型比如元組、和類型、積類型，和基本類型如整數、字元、字串。純函數式資料類型，同它們的指令式對應者相比，經常以不同的方式表現[10]。例如，具有以恆定時間來訪問和更新的陣列，是多數指令式語言的基本構件，而且很多指令式數據結構，比如雜湊表和二叉堆積，也是基於陣列的。陣列可以被替代為對映或隨機訪問列表，它容許純函數式實現，但是訪問和更新時間複雜度是對數。因此，純函數式數據結構可以用在非純函數式語言中，但是它們可能不是能得到的最有效率的工具，特別是不要求永續性的情況下。
一般而言，把一個指令式程式轉換成純函數式程式，還需要確保原先可變的那些數據結構，變為顯式的傳遞給並返回自更新它們的函數，這是叫做儲存傳遞風格的一種程式結構。
求值策略
[編輯]每種求值策略對當純函數式程式設計時都返回相同的結果。特別是，它確保編程者不需要考慮程式是按什麼次序求值的，因為及早求值（嚴格求值）將返回同惰性求值（非嚴格求值）相同的結果。但是，仍有可能一個及早求值可以不終止，而相同程式的惰性求值會停機。純函數式的好處是惰性求值是可以被更容易的實現，因為所有表達式在任何時刻都返回同樣的結果，不用管程式的狀態，它們的求值可以隨着需要而推延。
純函數式語言
[編輯]純函數式語言是只認可純函數編程的語言。但是純函數式程式可以用非純函數式的語言寫成。純函數式語言主要有：
歷史上曾有重要影響的還有NPL、Hope、SASL、KRC和Miranda以及Joy等。
參見
[編輯]參照
[編輯]- ^ Sabry, Amr. What is Purely Functional Language ?. Journal of Functional Programming. January 1993, 8 (1): 1–22. doi:10.1017/S0956796897002943.
- ^ Atencio, Luis. Functional Programming in Javascript. Manning Publications. 18 June 2016. ISBN 978-1617292828.
- ^ The memoir of Herbert A. Simon (1991), Models of My Life pp.189-190 ISBN 0-465-04640-1 claims that he, Al Newell, and Cliff Shaw are "commonly adjudged to be the parents of [the] artificial intelligence [field]", for writing Logic Theorist, a program which proved theorems from Principia Mathematica automatically. In order to accomplish this, they had to invent a language and a paradigm which, which viewed retrospectively, embeds functional programming.
- ^ McCarthy, John. History of Lisp. In ACM SIGPLAN History of Programming Languages Conference. June 1978: 217–223 [2020-04-24]. doi:10.1145/800025.808387. （原始內容存檔於2008-06-07）.
- ^ Crossing borders: Explore functional programming with Haskell 互聯網檔案館的存檔，存檔日期November 19, 2010，., by Bruce Tate
- ^ Marlow, Simon. Parallel and Concurrent Programming in Haskell: Techniques for Multicore and Multithreaded Programming. O'Reilly Media. 18 June 2013. ISBN 978-1449335946.
- ^ Matthias Felleisen et al., How To Design Programs, MIT Press. [2021-02-07]. （原始內容存檔於2021-05-02）.
- ^ Haskell 98 report, http://www.haskell.org （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
- ^ Imperative Functional Programming, Simon Peyton Jones and Phil Wadler, Conference Record of the 20th Annual ACM Symposium on Principles of Programming Languages, pages 71–84, 1993
- ^ Purely functional data structures （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） by Chris Okasaki, Cambridge University Press, 1998, ISBN 0-521-66350-4