Programacion Funcional

Comienza Ya. Es Gratis
ó regístrate con tu dirección de correo electrónico
Rocket clouds
Programacion Funcional por Mind Map: Programacion Funcional

1. Utilidad

1.1. El objetivo es conseguir lenguajes expresivos y matemáticamente elegantes, en los que no sea necesario bajar al nivel de la máquina para describir el proceso llevado a cabo por el programa, y evitar el concepto de estado del cómputo. La secuencia de computaciones llevadas a cabo por el programa se rige única y exclusivamente por la reescritura de definiciones más amplias a otras cada vez más concretas y definidas, usando lo que se denominan "definiciones dirigidas".

2. Características

2.1. Los programas escritos en un lenguaje funcional están constituidos únicamente por definiciones de funciones, entendiendo estas no como subprogramas clásicos de un lenguaje imperativo, sino como funciones puramente matemáticas, en las que se verifican ciertas propiedades como la transparencia referencial (el significado de una expresión depende únicamente del significado de sus subexpresiones), y por tanto, la carencia total de efectos colaterales.

2.1.1. Otras características propias de estos lenguajes son la no existencia de asignaciones de variables y la falta de construcciones estructuradas como la secuencia o la iteración (lo que obliga en la práctica a que todas las repeticiones de instrucciones se lleven a cabo por medio de funciones recursivas).

2.1.1.1. Existen dos grandes categorías de lenguajes funcionales: los funcionales puros y los híbridos. La diferencia entre ambos estriba en que los lenguajes funcionales híbridos son menos dogmáticos que los puros, al admitir conceptos tomados de los lenguajes imperativos, como las secuencias de instrucciones o la asignación de variables. En contraste, los lenguajes funcionales puros tienen una mayor potencia expresiva, conservando a la vez su transparencia referencial, algo que no se cumple siempre con un lenguaje funcional híbrido.

3. En informática, la programación funcional es un paradigma de programación declarativa basado en el uso de funciones matemáticas, en contraste con la programación imperativa, que enfatiza los cambios de estado mediante la mutación de variables.1​ La programación funcional tiene sus raíces en el cálculo lambda, un sistema formal desarrollado en los años 1930 para investigar la definición de función, la aplicación de las funciones y la recursión. Muchos lenguajes de programación funcionales pueden ser vistos como elaboraciones del cálculo lambda.

3.1. En la práctica, la diferencia entre una función matemática y la noción de una "función" utilizada en la programación imperativa, es que las funciones imperativas pueden tener efectos secundarios, como cambiar el valor de cálculos realizados previamente. Por esta razón, carecen de transparencia referencial; es decir, la misma expresión sintáctica puede resultar en valores diferentes en varios momentos de la ejecución del programa.

4. Funciones De Primera Clase y Orden Superior

4.1. Funciones de orden superior son funciones que pueden tomar otras funciones como argumentos o devolverlos como resultados. En cálculo , un ejemplo de una función de orden superior es el operador diferencial d / dx , que devuelve la derivada de una función f .

5. Funciones Puras

5.1. Las funciones puramente funcionales (o expresiones) no tienen efectos secundarios (memoria o E/S). Esto significa que las funciones puras tienen varias propiedades útiles, muchas de las cuales pueden ser utilizadas para optimizar el código:

5.1.1. Si no se utiliza el resultado de una expresión pura, se puede eliminar sin afectar a otras expresiones.

5.1.2. Si una función pura se llama con parámetros que no causan efectos secundarios, el resultado es constante con respecto a la lista de parámetros (a veces llamada transparencia referencial), es decir, si la función pura se llama de nuevo con los mismos parámetros, el mismo resultado será devuelto (esto puede habilitar las optimizaciones de almacenamiento en caché).

5.1.3. Si no hay una dependencia de datos entre dos expresiones puras, entonces su orden puede ser invertido, o pueden llevarse a cabo en paralelo y que no pueda interferir con los otros.

5.1.4. Si el lenguaje no permite efectos secundarios, entonces cualquier estrategia de evaluación se puede utilizar, lo que da la libertad al compilador para reordenar o combinar la evaluación de expresiones en un programa (por ejemplo, usando la poda).

5.2. La mayoría de los compiladores de lenguajes imperativos detectan funciones puras automáticamente y realizan la eliminación de subexpresiones comunes. Sin embargo no siempre es posible detectarlo en bibliotecas pre-compiladas, porque por norma general no dan esta información. Esto provoca que no se puedan realizar optimizaciones que podrían aplicar a dichas funciones externas. Algunos compiladores, como gcc, añaden palabras claves adicionales para que el programador marque explícitamente como puras aquellas funciones externas que proceda, de modo que se le apliquen las optimizaciones pertinentes. Fortran 95 también permite declarar funciones "puras".

5.2.1. Las funciones de orden superior están estrechamente relacionadas con las funciones de primera clase en las cuales las funciones de orden superior y las funciones de primera clase pueden recibir como argumentos y resultados otras funciones. La distinción entre los dos es sutil: "de orden superior", describe un concepto matemático de funciones que operan sobre otras funciones, mientras que la "primera clase" es un término informático que describe las entidades del lenguaje de programación que no tienen ninguna restricción de su utilización (por lo tanto funciones de primera clase pueden aparecer en cualquier parte del programa que otras entidades de primer nivel como los números pueden, incluidos como argumentos a otras funciones y como sus valores de retorno).

5.2.1.1. Las funciones de orden superior permiten la aplicación parcial, una técnica en la que se aplica una función a sus argumentos uno a la vez, con cada aplicación devolver una nueva función que acepta el siguiente argumento. Esto le permite a uno expresar, por ejemplo, la función sucesor como el operador de suma aplicada parcialmente al número natural uno.

6. Recursividad

6.1. Iterar en los lenguajes funcionales es normalmente llevado a cabo mediante recursividad. Las funciones recursivas se invocan a sí mismas, permitiendo que una operación se realice una y otra vez hasta alcanzar el caso base. Aunque algunas recursividades requieren el mantenimiento de una pila, la recursividad mediante una cola puede ser reconocida y optimizada mediante un compilador dentro del mismo código utilizado, para implementar las iteraciones en un lenguaje imperativo. El estándar del esquema del lenguaje requiere implementaciones para conocer y optimizar la recursividad mediante una cola. La optimización de la recursividad mediante una cola puede ser implementada transformando el programa a un estilo de pase de continuidad durante la compilación, entre otros enfoques.

6.1.1. Los patrones comunes de recursividad pueden ser factorizados usando funciones comunes más grandes, con “catamorfismos” y “anamorfismos” (pliegues y despliegues), siendo estos los ejemplos más evidentes. Tal y como las mayores funciones más comunes tienen un rol análogo para construir estructuras de control se tienen los iteradores en los lenguajes imperativos.

6.1.1.1. La mayoría de los lenguajes de programación funcional de propósito general permiten la recursividad sin restricciones y superan el test de Turing, lo que hace que el programa que se interrumpe no pueda tomar una decisión, lo que puede causar una falta de solidez en el razonamiento ecuacional y generalmente requiere introducir inconsistencia dentro de la lógica expresada por los tipos del sistema del lenguaje. Algunos lenguajes de propósito especial como Coq permiten tan solo recursividad bien fundamentada y tienen una normalización fuerte(cálculos no finalizados pueden ser expresados tan solo con flujos de valores infinitos llamados codata) En consecuencia, estos lenguajes fallan el test de Turing y declarar funciones ciertas en ellos es imposible, pero pueden declarar una amplia clase de cálculos interesantes mientras evitan los problemas producidos por la recursividad sin restricciones. La programación funcional limitada a la recursividad bien construida con unas cuantas restricciones más se llama programación funcional total.

7. Evaluacion Estricta Frente A La No Estricta

7.1. Los lenguajes funcionales pueden ser clasificados por el hecho de usar evaluación estricta(eager) o no estricta(lazy), conceptos que hacen referencia a cómo los argumentos de las funciones son procesados cuando una expresión está siendo evaluada. La diferencia técnica está en la notación semántica de las expresiones que contienen cálculos fallidos o divergentes. Bajo la evaluación estricta, la evaluación de cualquier término que contenga un sub-término fallido hará que este sea de por sí fallido. Por ejemplo, la expresión:

7.1.1. print length([2+1, 3*2, 1/0, 5-4])

7.2. fallará bajo evaluación estricta por la división por cero en el tercer elemento de la lista. Utilizando evaluación no estricta, el tamaño de la función devolverá un valor de 4( por ejemplo el número de elementos de la lista) ya que evaluar esto no afectará al estar evaluando los que componen la lista. En resumen, la evaluación estricta evalúa por completo los argumentos a menos que sus valores requieran evaluar la propia función que se llama a sí misma.

7.2.1. La implementación de la estrategia común para evaluación no estricta en los lenguajes funcionales es la de reducción mediante un grafo. La evaluación no estricta es utilizada por defecto en multitud de lenguajes funcionales puros, incluidos Miranda, Clean y Haskell.

7.2.1.1. Hughes (1984) defendía la evaluación no estricta como un mecanismo para mejorar la modularidad de los programas a través de la separación de tareas, a partir de la implementación de productores y consumidores de flujos de datos de forma fácil e independiente. Launchbury (1993) describe algunas dificultades que tenía la evaluación no estricta, particularmente al analizar los requisitos de almacenamiento de los programas, y propone una semántica operacional para ayudar durante el análisis. Harper (2009) propone incluir ambas técnicas (evaluación estricta y no estricta) en el mismo lenguaje, utilizando los tipos del sistema del lenguaje para distinguirlas.

8. Sistema De Tipos

8.1. Especialmente desde el desarrollo de inferencia de tipos Hindley - Milner en la década de 1970, los lenguajes de programación funcionales han tendido a utilizar el cálculo lambda con tipos, en comparación con el cálculo lambda sin tipos utilizado en Lisp y sus variantes (tales como el lenguaje scheme).

8.1.1. El uso de tipos de datos algebraicos y la coincidencia de patrones hace que la manipulación de estructuras de datos complejas convenientes y expresivos, la presencia de comprobaciones estrictas de tipos en tiempo de compilación hace que los programas sean más fiables, mientras que la inferencia de tipos libera al programador de la necesidad de declarar manualmente los tipos para el compilador.

8.1.1.1. Algunos lenguajes funcionales orientados a la investigación, tales como Coq, Agda, Cayenne y Epigram se basan en la teoría de tipo intuicionista, que permite a los tipos a depender de los términos. Estos tipos se denominan tipos dependientes. Se ha demostrado que estos sistemas de tipos sofisticados son tan expresivos que sus respectivos problemas de inferencia de tipos dejan de ser decidibles. Los tipos dependientes pueden expresar proposiciones arbitrarias en la lógica de predicados intuicionista. Este resultado se conoce como isomorfismo de Curry-Howard, y convierte a la programación funcional con una teoría de tipos intuicionista o equivalente en una forma de escribir pruebas matemáticas formales, de las que un compilador puede generar código certificado. Si bien estos lenguajes son principalmente de interés en la investigación académica (incluyendo las matemáticas formalizadas), han comenzado a ser utilizados en la ingeniería también. Compcert es un compilador para un subconjunto del lenguaje de programación C que está escrito en Coq y el cual se verificó formalmente. Una forma limitada de tipos dependientes llamados tipos de datos algebraicos generalizados (GADTs) puede ser implementado de una manera que ofrece algunos de los beneficios de la programación dependiente, evitando la mayor parte de su inconveniencia. GADTs están disponibles en el Glasgow Haskell Compiler, en OCaml (desde la versión 4.00) y en Scala y se han propuesto como adiciones a otros lenguajes, incluyendo Java y C#.

9. La programación funcional en lenguajes no funcionales

9.1. Es posible utilizar un estilo de programación funcional en lenguajes que tradicionalmente no se consideran lenguajes funcionales. Por ejemplo, tanto D y Fortran95 se apoyan explícitamente en funciones puras. Funciones de primera clase, se han añadido lentamente a los lenguajes principales. Por ejemplo, a principios de 1994, el apoyo a lambda, filtro, mapa, y reducir esta en Python. Luego, durante el desarrollo de Python 3000, Guido van Rossum pidió la eliminación de estas características. Sin embargo, más tarde cambió de opinión, y solo la reducción fue eliminado, a pesar de que sigue siendo accesible a través de los módulos de biblioteca functools estándar. Funciones de primera clase también fueron introducidas en PHP 5.3, Visual Basic9, C#3.0 y C++11.

9.1.1. En Java, las clases anónimas a veces pueden ser utilizados para simular clausuras. Sin embargo, las clases anónimas no son siempre los reemplazos completos de las clausuras, ya que tienen capacidades más limitadas. Por ejemplo, Java 8, incluye expresiones lambda para reemplazar determinadas clases anónimas. Sin embargo, la presencia de excepciones con comprobaciones en este lenguaje puede desaconsejar el uso de programación funcional, ya que puede ser necesario para capturar las excepciones que se deben controlar para después volverlas a lanzar ellos (problema este que sin embargo no se produce en otros lenguajes sobre JVM que no tienen excepciones comprobadas, como es Scala).

9.1.1.1. Muchos patrones de diseño orientado a objetos se pueden expresar en términos de programación funcional por ejemplo : el patrón de estrategia simplemente dicta el uso de una función de orden superior, y el patrón de visitantes corresponde aproximadamente a un catamorfismo, o doble también conocido como reducir, comprimir, o inyectar, se refiere a una familia de funciones de orden superior que analiza una estructura de datos recursiva y se recombinan con el uso de una operación de combinación.

9.1.1.1.1. Del mismo modo, la idea de los datos inmutables de la programación funcional se incluye a menudo en lenguajes de programación imperativa, por ejemplo, la tupla de Python, que es una matriz inmutable.

10. Ventajas de usar un paradigma funcional

10.1. Entre las ventajas que suelen citarse de usar un paradigma funcional en la programación de computadoras, están las siguientes:​

10.1.1. Ausencia de efectos colaterales.

10.1.2. Proceso de depuración menos problemático.

10.1.3. Pruebas de unidades más confiables.

10.1.4. Mayor facilidad para la ejecución concurrente.

11. Lenguajes Funcionales

11.1. Entre los lenguajes funcionales puros, cabe destacar a Haskell y Miranda. Los lenguajes funcionales híbridos más conocidos son Scala, Lisp, Clojure, Scheme, Ocaml, SAP y Standard ML (estos dos últimos, descendientes del lenguaje ML). Erlang es otro lenguaje funcional de programación concurrente. Mathematica permite la programación en múltiples estilos, pero promueve la programación funcional. R también es un lenguaje funcional dedicado a la estadística.4​Recientemente Microsoft Research está trabajando en el lenguaje F# (Functional#).

11.1.1. Entre otros lenguajes que se podrían utilizar para programación funcional se podrían incluir a Perl, pues, aunque es un lenguaje de propósito muy general, se pueden realizar programas usando exclusivamente funciones definidas por el usuario; así como Python, como lenguaje que incorpora el paradigma funcional; o Ruby.

12. Uso en la industria

12.1. La programación funcional es más popular en el ámbito académico que en ámbitos industriales. Sin embargo se han empezado a usar importantes lenguajes de programación funcionales en sistemas comerciales o industriales. Un ejemplo de lenguaje de programación funcional usado en el ámbito industrial es Erlang, el cual fue desarrollado para poner en práctica sistemas de tolerancia a fallos en las telecomunicaciones. Importantes empresas como WhatsApp, Facebook, o T-Mobile optaron por Erlang como lenguaje en alguno de sus desarrollos. Otro ejemplo de uso de los lenguajes de programación funcionales en la industria es el caso del uso del Scheme de Lisp, que fue usado como base en el desarrollo de aplicaciones para los primeros ordenadores de la firma Apple Macintosh. De hecho, hoy en día, está siendo usado para desarrollo de sistemas de simulación y de control de telescopio. Haskell, es un ejemplo de lenguaje que se creó con propósito de lenguaje de investigación pero que se ha usado para el desarrollo de sistemas aeroespaciales, programación web y diseño de hardware. Otros lenguajes de programación funcionales han sido usados en ámbitos comerciales y financieros.