JUI - 1. predn

1
JUI - 1. prednáška Funkcionální programování
Úvod do jazyka Lisp

• RNDr. Jirí Dvorák, CSc.
• dvorak_at_uai.fme.vutbr.cz

2
Principy funkcionálního programování

• Funkcionální program se vytvárí jako souhrn
  definic funkcí a jejich aplikací ve forme výrazu.
  Jedná se o to, jak vyjádrit daný algoritmus
  pomocí vzájemne provázaných (zpravidla
  rekurzivních) funkcí.
• Výpocet podle takového programu lze chápat jako
  provedení aplikace nejaké funkce na urcitou sadu
  hodnot jejích argumentu, jehož smyslem je získat
  výslednou hodnotu. Pocítac má ve funkcionálním
  programování roli vyhodnocovace výrazu. Základním
  krokem vyhodnocení je pritom zjednodušení
  (redukce) výrazu.
• Výsledek výpoctu je do znacné míry nezávislý na
  poradí, v nemž se redukují jednotlivé dílcí
  výrazy. To umožnuje snížení rizika možných chyb
  programování, a vyústuje napr. do úvah o
  paralelním provádení redukcních transformací na
  pocítacích, jejichž technická realizace už nemusí
  vycházet z von Neumannova modelu.

3
Pocítac jako vyhodnocovac výrazu
Definice
Výrazy
Vyhodnocení
Prostredí
Výsledky
4
Rekurze

• V neimperativním programovacím stylu je rekurze
  duležitým nástrojem pro rešení složitých
  problému.
• Taxonomie rekurzivních definic (pro funkcionální
  styl)
• Vnorená rekurze - rekurzivní volání funkce
  obsahuje v argumentech volání téže funkce.
• Kaskádní (stromová) rekurze - ve stejném výrazu
  se objevuje nekolik rekurzivních volání, ale bez
  vzájemného vnorení.
• Lineární rekurze - v každé z alternativ v
  definici funkce se vyskytuje nejvýše jedno její
  rekurzivní volání.
• Koncová rekurze - speciální prípad lineární
  rekurze, kdy rekurzivní volání je poslední
  operací príslušné alternativy definice.

5
Historie jazyka Lisp

• Jazyk Lisp je jedním z nejstarších dosud
  používaných programovacích jazyku. Puvodne vznikl
  koncem 50. let (Mc Carthy, 1960) jako urcitá
  notace pro zápis algoritmu pracujících se seznamy
  (LISP LISt Processing).
• Další verze jazyka Lisp
• Lisp 1.5 (Mc. Carthy, 1962), MacLisp (1974),
• InterLisp (1978), Franz Lisp, Zeta Lisp, Scheme,
  
• Common Lisp (1984), Xlisp (1986)

6
Typy dat

• Souhrnne se data v Lispu nazývají S-výrazy
  (symbolické výrazy).
• Jednoduché typy dat - atomy
• císelné celocíselné, reálné
• symbolické speciální znaky, identifikátory
  (mohou obsahovat písmena, císlice, pomlcku a
  podtržítko obvykle se nerozlišují velká a malá
  písmena).
• Strukturované typy dat
• tecka-dvojice
• seznam (speciální prípad tecky-dvojice ve
  zkrácené notaci)

7
Tecka-dvojice

• Tecka-dvojice
• (S-výraz1.S-výraz2)
• Tecka-dvojice predstavuje binární strom, kde
  S-výraz1 odpovídá levému podstromu a S-výraz2
  pravému podstromu.
• Tecka-dvojice je fyzicky reprezentována základní
  lispovskou bunkou (tzv. cons-bunkou), delenou na
  2 cásti, které obsahují ukazatele na príslušné
  podvýrazy. Názvy techto cástí jsou dány
  historicky (oznacují cásti strojového slova na
  pocítaci IBM 1040 kde byl Lisp poprvé
  implementován).

address part
decrement part
S-výraz1
S-výraz2
8
Seznam

• Seznam
• (S-výraz1 S-výraz2 S-výrazN)
• Seznam je tvoren posloupností S-výrazu
  oddelených mezerami a uzavrených do kulatých
  závorek.
• Zápis seznamu v podobe tecky-dvojice
• (S-výraz1.(S-výraz2.( .(S-výrazN.nil) )))
• Atom nil je speciální atom, který reprezentuje
  konec seznamu.
• Fyzická implementace seznamu

S-výraz1
S-výraz2
S-výrazN
9
Struktura programu

• Program v Lispu se skládá z tzv. forem.
• Forma (E-výraz) je S-výraz, který lze vyhodnotit
  lispovským interpretem.
• Program je tedy posloupností vyhodnotitelných
  S-výrazu, což znamená, že program má stejný
  charakter jako jím zpracovávaná data.
• Typy forem
• císelný atom
• symbolický atom (identifikátor)
• zápis funkce

10
Atomické formy

• Císelný atom
• Vyhodnocením se získá císlo vyjádrené zápisem
  atomu.
• Symbolický atom (identifikátor)
• Je považován za promennou a jeho vyhodnocením se
  získá hodnota, která je v daném okamžiku vázána
  na daný atom. Pokud v okamžiku vyhodnocení není
  na daný atom žádná hodnota navázána, je
  signalizována chyba.
• Promenné se standardne prirazenou hodnotou
• T hodnota je T (true)
• NIL hodnota je NIL
• F hodnota je NIL
• Pozn. platí konvence, že jakákoli hodnota ruzná
  od NIL vyjadruje pravdivostní hodnotu true.

11
Zápis funkce

• Zápis funkce (presneji zápis aplikace funkce) má
  tvar seznamu vytvoreného podle následujícího
  schématu
• (f a1 a2 an)
• kde f je jméno (atom) vyjadrující funkci a a1,
  a2, , an jsou formy vyjadrující argumenty, na
  než se má funkce f aplikovat.
• Pro zápis funkce se v Lispu používá dusledne
  prefixová notace, pricemž se celý zápis uzavírá
  vždy do závorek.
• Pri vyhodnocení zápisu funkce Lisp nejprve
  vyhodnotí všechny argumenty a teprve na získané
  hodnoty aplikuje funkci f. Poradí vyhodnocování
  argumentu není v Lispu presne specifikováno.
• Výjimkou z tohoto pravidla jsou speciální funkce,
  z nichž každá má specifická pravidla pro
  vyhodnocení (resp. nevyhodnocení) argumentu.
  Zápisy techto funkcí se nazývají speciální formy.