函數式編程語言

1、基礎知識

　　（一）編程語言（程序設計語言）的分類？

　　　一般可分爲4類：命令式語言、函數式語言、邏輯語言和麪向對象的語言（實際上還有不少不一樣的劃分版本）

　　　　一、命令式編程語言（imperative language）

　　　　　　計算機體系結構是影響語言設計的一個重要因素，目前的大多數語言都是圍繞着馮諾依曼結構設計的，

　　　　　　這些語言稱爲「命令式語言」。

　　　　　　命令式語言的核心特徵：

　　　　　　（1）變量（馮諾依曼結構的存儲單元）

　　　　　　（2）賦值語句（數據傳輸）

　　　　　　（3）迭代形式的循環（馮諾依曼結構中實現循環的最高效形式）

　　　　二、函數式編程語言（functional language）

　　　　　　命令式編程語言是以馮諾依曼這種體系結構爲模型，而函數式程序語言的目的是儘量的模擬數學函數。

　　　　　　函數式語言的核心特徵：

　　　　　　（1）以「函數」爲首，如同命令式語言中的「變量」，函數能夠賦值給其餘變量，能夠做爲其餘函數的參數，

　　　　　　　　或者做爲其餘函數的返回值。

　　　　　　（2）不修改變量的值

　　　　　　（3）只有表達式，沒有語句。此處的語句指的是沒有返回值得某些操做。

　　　　　　（4）引用透明（Referential transparency），函數的運行不依賴與外部變量或「狀態」，簡單的說就是，

　　　　　　　　同一個輸入（參數），老是會產生同一個輸出（返回值），這與數學函數的特徵很一致。

　　　　　　　　命令式語言由於全局變量等的存在，就沒法作到這一點。

　　　　　　（5）對比命令式語言，遞歸形式的循環

　　　　三、邏輯程序設計語言（logic programming language）（未研究）

　　　　　　邏輯程序設計語言：基於邏輯符號邏輯的語言稱爲邏輯程序設計語言，或者聲明性語言

　　　　　　邏輯程序設計：用一種符號邏輯做爲程序設計語言來進行程序設計，一般稱爲邏輯程序設計　　　　

　　　　　　邏輯式編程語言是基於規則的編程語言

　　　　　　程序是事實和規則集，經過符號邏輯表示程序，並使用邏輯推導過程來生成結果。

　　　　四、面嚮對象語言（object oriented language）

　　　　　　聽起來最親切的一個種類..........

　　　　　　嚴格來講，面嚮對象語言不該該處在與命令式語言並列的狀態，面嚮對象語言的設計也是依據馮諾依曼結構，

　　　　　　它是從命令式語言發展而來，我以爲它自己就是命令式語言。

　　　　　　「面向對象」：強調的是開發模式，與它相對的開發模式就是「面向過程」

　　　　　　因此說就是「命令式語言」一般指的是「面向過程開發的編程語言」，好比C語言；

　　　　　　　　　　　「面嚮對象語言」指的就是「面向對象開發的編程語言」，好比C++和Java。

　　　　　　主要特徵：

　　　　　　（1）封裝：將數據和方法封裝成類

　　　　　　（2）繼承：子類繼承父類，能夠自動共享父類的數據結構和方法

　　　　　　（3）多態：子類能夠修改父類的方法

　　　　五、其餘語言：

　　　　（1）腳本語言（Scripting language）（python、JavaScript等等）

　　　　　　腳本語言也是一類語言，只不過度類的依據與上述不一樣，腳本語言屬於「命令式語言」的範疇

　　　　　　單拎出這個分類是因爲其的運行方式——解釋執行，沒有編譯過程

　　　　（2）可視化語言

　　　　　　一樣是命令式語言的一個子類，可以以拖放的方式生成代碼段（好比.NET）

　　　　（3）標記語言（markup language）（HTML、XML等）

　　　　　　這種語言，不算作編程語言；

　　　　　　可是某些標記語言（好比HTML和XML）的擴展中，也加入了一些程序設計的功能

　　　　　　——標記與程序設計混合語言（好比JSP標準標籤庫中的JSTL）

　　　　（4）還有一些特殊用途的語言等等　　

　　（二）語言執行方式？

　　　　一、編譯執行——針對編譯語言

　　　　　　簡單理解，編譯執行就是先將源語言（一般是高級語言）翻譯成目標語言機器語言（01碼），以後再執行。

　　　　　　源語言——>目標語言的翻譯過程，包括詞法分析、語法分析、語義分析多個步驟

　　　　　　什麼是翻譯，用會話語言想一下就懂了，翻譯就是從一種語言換成另外一種語言的過程（中文—>英文）

　　　　　　（我之因此在這寫這麼多，是由於這個簡單的道理我是通過好久才悟的....）

　　　　二、徹底解釋執行——針對動態語言（腳本語言）

　　　　　　對比編譯執行，就是沒有翻譯的過程，程序由另外一個稱爲解釋器的程序（虛擬機）解釋執行。　　　　　　

　　　　三、混合執行——編譯與徹底解釋的折中

　　　　　　源語言——（翻譯）——> 中間語言——（解釋執行）——>結果

　　　　　　引入中間語言的目的是什麼呢？就是這種語言更便於解釋執行

　　　　　　好比Java：

　　　　　　（1）首先，將源代碼翻譯成中間語言（中間形式）——字節碼

　　　　　　（2）Java虛擬機（字節碼解釋器）對字節碼進行解釋執行

　　　　　　由此也能夠理解，編譯有兩種可能性：

　　　　　　（1）對於編譯語言來講：編譯是將源代碼編譯成可以做用於真機的指令，生成的語言是直接做用於硬件的

　　　　　　（2）對於動態語言來講：編譯是將源代碼編譯成一箇中間形式，好比字節碼

　　　　　　　　　　　　　　　　　 字節碼不是做用於硬件，而是虛擬機

　　　　　　字節碼是什麼？——就是一系列的字節，每一個字節表示一個指令

　　（三）開發環境

　　　　開發環境不難理解，是軟件開發中使用的工具集

　　　　這個工具集能夠只包含一個文件系統、一個文本編輯器、一個連接器和一個編譯器，

　　　　也能夠包含不少集成的工具，每一個工具均可以經過統一的用戶界面來使用。

2、函數式編程

 　　因此什麼是函數式編程呢..........................，首先再複習一下基礎知識.....................................

　　（一）數學函數

　　　　數學函數是從一個集合到另外一個集合的映射，前者稱爲定義域，或者稱爲值域。

　　　　映射過程的描述：表達式或者表

　　　　特徵：

　　　　（1）映射表達式的求值順序由遞歸表達式和條件表達式控制

　　　　（2）給定同一個參數，老是輸出值域幾個中的同一個元素

　　　　一、簡單函數——函數名後跟括號內的一組參數，以後是表達式，例如：

　　　　　　f(x)=x*x*x，其中x是實數

　　　　　　此函數：

　　　　　　（1）定義域和值域都是實數

　　　　　　（2）若是執行求f(2)，即參數是2，在整個求值過程當中，x的值恆爲2，不改變

　　　　二、λ標記法——提供了一種定義匿名函數的方法。

　　　　　　λ表達式：是一個匿名函數，說明了函數的參數和映射，然而此函數沒有名字，

　　　　　　　　　　λ表達式和其餘函數定義同樣，能夠有一個以上的參數——λ(x)x*x*x

　　　　　　λ計算：一個使用λ表達式的計算模型

　　　　　　λ計算是函數式編程語言的靈感所在

　　　　三、高階函數——以一個或多個函數做爲參數，兩種類型

　　　　（1）函數組合，有兩個函數參數，並生成一個函數

　　　　　　該函數的值是將第一個實參函數應用到第二個實參函數的結果上。

　　　　　　h(x)=f(g(x)); f(x)=x+2; g(x)=3*x;

　　　　（2）以單個函數爲參數，能夠應用到一組自變量上，結果組合成列表或者序列

　　　　　　h(x)=x*x;

　　　　　　a(h,(2,3,4))——>(4,9,16)

　　（二）函數式程序設計基礎

　　　　最根本的一點：函數式程序設計語言的目的是儘量的模擬數學函數！

　　　　命令式語言：計算表達式，將結果存儲在存儲單元中（程序中的變量），這就是賦值語句的做用

　　　　純函數式程序設計語言：

　　　　（1）沒有變量，沒有賦值語言；

　　　　（2）沒有變量，也所以沒有迭代結果（由於迭代是由變量控制的），重複執行必須用遞歸

　　　　（3）程序：就是函數定義和函數應用的說明

　　　　（4）程序的執行：對函數應用的求值

　　　　（5）給定相同的參數，執行函數老是生成相同的結果，這一特性稱爲引用透明

　　　　　 　這一特性使得語義比命令式語言更簡單，更易測試

　　　　（6）提供了一組函數，一組函數組成更復雜的函數

　　　　ps. 上述均是針對純函數式語言，可是目前大多數函數語言都包含一些命令式語言的特性，好比變量和賦值語句；

　　　　　　早期的函數式語言一般是用解釋器來執行，但如今大多數都是編譯執行。

　　（三）命令式語言對函數式編程的支持（以python爲例）

　　　　一、lambda表達式——定義匿名函數

　　　　　　lambda a,b : 2*a+b

　　　　二、支持高階函數

　　　　（1）函數做爲參數傳遞　　　　　　

 1 >>> def f(x):
 2     return x*x
 3 
 4 >>> add(-5,9,f)
 5 106
 6 >>> def f(x):
 7     return x*x
 8 
 9 >>> def add(x,y,f):
10     print f(x)+f(y)
11 
12     
13 >>> add(2,3,f)
14 13

　　　　（2）內置的高階函數map()

　　　　　　map函數有兩個參數，一爲函數，一爲列表，返回值對每個參數求值　　　　

1 >>> map(lambda x:x**3,[1,2,3,4,5])
2 [1, 8, 27, 64, 125]
3 >>> def f(x):
4     return x*x*x
5 
6 >>> map(f,[1,2,3,4,5])
7 [1, 8, 27, 64, 125]
8 >>> 

　　　　（3）內置高階函數reduce()

　　　　　　map函數有兩個參數，一爲函數，一爲列表，返回值對每個參數反覆調用函數

  View Code

　　　　（4）內置高階函數filter()——判斷

  View Code

　　　　（5）..........

　　　　三、支持閉包....

　　（四）函數式編程的優勢

　　　　一、適用於並行編程——由於不會修改變量，因此過程當中不須要同步互斥；

　　　　二、惰性求值：這個須要編譯器的支持。表達式不在它被綁定到變量以後就當即求值，而是在該值被取用的時候求值；

　　　　三、函數肯定性：給定同一個參數，確定是有一個一樣的輸出

 　　　  四、代碼更簡潔

　　　　..........

　　其餘：

　　　　一、命令式語言是依據馮諾依曼結構的，可是函數式語言並無

　　　　　 因此說在當前的體系結構上，函數式語言的優點體現的並不明顯，仍是難以取代命令式語言

　　　　二、純函數式語言如今不多，大多引入了命令式語言的特性

　　　　三、函數式語言近來被關注的愈來愈多，也正是由於命令式語言加入了對其的支持

　　　　四、理解函數式語言，最重要的就是理解它的設計儘量的依照了數學函數的思想