Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




04.03.2021


04.03.2021


04.03.2021


04.03.2021


01.03.2021





Яндекс.Метрика

Функции первого класса

28.01.2021

В информатике язык программирования имеет функции первого класса, если он рассматривает функции как объекты первого класса. В частности, это означает, что язык поддерживает передачу функций в качестве аргументов другим функциям, возврат их как результат других функций, присваивание их переменным или сохранение в структурах данных. Некоторые теоретики языков программирования считают необходимым условием также поддержку анонимных функций. В языках с функциями первого класса имена функций не имеют никакого специального статуса, они рассматриваются как обычные значения, тип которых является функциональным. Термин был впервые использован Кристофером Стрэчи в контексте «функции как объекты первого класса» в середине 1960-х.

Функции первого класса являются неотъемлемой частью функционального программирования, в котором использование функций высшего порядка является стандартной практикой. Простым примером функции высшего порядка будет функция Map, которая принимает в качестве своих аргументов функцию и список и возвращает список после применения функции к каждому элементу списка. Чтобы язык программирования поддерживал Map, он должен поддерживать передачу функций как аргумента.

Существуют некоторые сложности в реализации передачи функций как аргументов и возвращении их как результата, особенно в присутствии нелокальных переменных, введенных во вложенных и анонимных функциях. Исторически они были названы проблемами фунарга, от английского «function argument». В ранних императивных языках программирования эти проблемы обходились путём отказа от поддержки возвращения функций как результата или отказа от вложенных функций и следовательно нелокальных переменных (в частности, C). Lisp, один из первых функциональных языков программирования, применяет подход динамической области видимости, где нелокальные переменные возвращают ближайшее определение этих переменных к точке, в которой функция была вызвана, вместо точки, в которой она была объявлена. Полноценная поддержка для лексического контекста функций первого порядка была введена в Scheme и предполагает обработку ссылок на функции как замыканий вместо чистых, что, в свою очередь, делает необходимым применение сборки мусора.

Концепции

В этой секции рассматривается, как конкретные идиомы программирования реализуются в функциональных языках с функциями первого порядка (Haskell) сравнительно с императивными языками, где функции — объекты второго порядка (C).

Функции высшего порядка: передача функции как аргумента

В языках, где функции — это объекты первого порядка, функции могут быть переданы как аргументы другим функциями так же как и любые другие значения. Так, например, в Haskell:

map :: (a -> b) -> [a] -> [b] map f [] = [] map f (x:xs) = f x : map f xs

Языки, где функции не являются объектами первого порядка, позволяют реализовывать функции высшего порядка с помощью использования делегатов.

Указатели в языке Си с некоторыми ограничениями позволяют строить функции высшего порядка (можно передавать и возвращать адрес именованной функции, но нельзя порождать новые функции):

void map(int (*f)(int), int x[], size_t n) { for (int i = 0; i < n; i++) x[i] = f(x[i]); }

Анонимные и вложенные функции

В языках, поддерживающих анонимные функции, можно передать такую функцию как аргумент функции высшего порядка:

main = map (x -> 3 * x + 1) [1, 2, 3, 4, 5]

В языках, не поддерживающих анонимных функций, необходимо сперва связать функцию с именем:

int f(int x) { return 3 * x + 1; } int main() { int l[] = {1, 2, 3, 4, 5}; map(f, l, 5); }

Нелокальные переменные и замыкания

Если язык программирования поддерживает анонимные или вложенные функции, достаточно логично предполагать, что они будут ссылаться на переменные за пределами тела функции:

main = let a = 3 b = 1 in map (x -> a * x + b) [1, 2, 3, 4, 5]

Если функции представлены в форме чистых, возникает вопрос того, как же передавать значения за пределами тела функции. В таком случае приходится строить замыкание вручную, и на этом этапе говорить о функциях первого класса не приходится.

typedef struct { int (*f)(int, int, int); int *a; int *b; } closure_t; void map(closure_t *closure, int x[], size_t n) { for (int i = 0; i < n; ++i) x[i] = (*closure->f)(*closure->a, *closure->b, x[i]); } int f(int a, int b, int x) { return a * x + b; } void main() { int l[] = {1, 2, 3, 4, 5}; int a = 3; int b = 1; closure_t closure = {f, &a, &b}; map(&closure, l, 5); }

Функции высшего порядка: возврат функций как результата

При возврате функции на самом деле происходит возврат её замыкания. В примере на С все локальные переменные, заключенные в замыкание выйдут из области видимости как только функция, которая составляет замыкание, вернёт управление. Форсирование замыкания в дальнейшем может привести к неопределенному поведению.