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Paradigma Funcional




  1. Paradigma Funcional Historia
  2. Cálculo Lambda
  3. Características
  4. Lenguajes Funcionales
  5. Funciones
  6. Scheme
  7. Historia
  8. Conclusión
  9. Bibliografía

Introducción

El objetivo del paradigma funcional 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 evitando el concepto de estado del cómputo. La secuencia de computaciones llevadas a cabo por el programa se regiría 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.

Todo esto con el objetivo de familiarizar a los estudiantes con un lenguaje elegante en el cual se pueda manejar más fácilmente y así los programas sean menos extensos y complejos.

Otro de los objetivos primordiales de dicho paradigma es buscar satisfacer las necesidades del usuario con respecto a operaciones matemáticas y convertirse en un lenguaje más expresivo.

Paradigma Funcional
Historia

Sus orígenes provienen del Cálculo Lambda (o λ-cαlculo), una teoría matemática elaborada por Alonso Church como apoyo a sus estudios sobre Computabilidad. Un lenguaje funcional es, a grandes rasgos, un azúcar sintáctico del Cálculo Lambda.

Cálculo Lambda

Los orígenes teóricos del modelo funcional se remontan a la década del 30, mas precisamente al año 1934, cuando Alonso Church introdujo un modelo matemático de computación llamado lambda calculo.

A pesar de que en esta época las computadoras aun no existían el lambda cálculo se puede considerar como el primer lenguaje funcional de la historia y sus fundamentos fueron la base de toda la teoría de la programación funcional y de los lenguajes funcionales desarrollados posteriormente. Se puede decir que los lenguajes funcionales modernos son versiones de lambda cálculo con numerosas ayudas sintácticas.

Aunque cuando aparece el cálculo lambda, aún no existían las computadoras, resulta ser una herramienta simple que se adelanta a su época, que abarca dos operaciones:

  1. Definir alguna(s) función(es) de un solo argumento y con un cuerpo específico, denotado por la siguiente terminología:
  2. lx.B, en donde:

    1. x: Define el parámetro o argumento formal.
    2. B: Representa el cuerpo de la función.
    3. Es decir f(x) = B.
  • REDUCCION:
    Consiste en aplicar alguna de las funciones creadas, sobre un argumento real (A); resultado de sustituir las ocurrencias del argumento formal (x), que aparezcan en el cuerpo (B) de la función, con el argumento (A),

es decir: (lx.B)

Ejemplo:

(lx.(x+5))3, indica que en la expresión x + 5, debemos sustituir el valor de x por 3.

Cuando ya no es posible reducir una función, se dice que ésta se encuentra en su estado normal, o sea hemos encontrado el valor de la función, que dependerá únicamente de los argumentos y siempre tendrá la consistencia de regresar el mismo valor para los mismos argumentos.

Lo anterior es la transferencia referencial y al no contar con variables globales, permiten al sistema la ejecución de procesos en forma paralela para incrementar su eficiencia.

Sobre estos simples conceptos está basada la programación funcional, aunque existen otros, usados para identificarla y aumentan su potencial en el desarrollo de aplicaciones.

Características

Los programas escritos en un lenguaje funcional están constituidos únicamente por definiciones de funciones, entendiendo éstas 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 laterales.

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).

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 procedimentales, 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.

Entre los lenguajes funcionales puros, cabe destacar a Haskell y Miranda. Los lenguajes funcionales híbridos más conocidos son Lisp, Scheme, Ocaml y Standard ML (estos dos últimos, descendientes del lenguaje ML).

La programación funcional, es un modelo basado en la evaluación de funciones matemáticas, entendidas como mecanismos para aplicar ciertas operaciones sobre algunos valores o argumentos, para obtener un resultado o valor de la función para tales argumentos.

Sin embargo, tanto argumentos como resultado de una función, pueden ser otra función, o incluso la misma, tal como una forma de recursividad, que constituye una poderosa herramienta de la programación funcional

Lenguajes Funcionales

Los matemáticos desde hace un buen tiempo están resolviendo problemas usando el concepto de función. Una función convierte ciertos datos en resultados. Si supiéramos cómo evaluar una función, usando la computadora, podríamos resolver automáticamente muchos problemas.

Así pensaron algunos matemáticos, que no le tenían miedo a la máquina, e inventaron los lenguajes de programación funcionales. Además, aprovecharon la posibilidad que tienen las funciones para manipular datos simbólicos, y no solamente numéricos, y la propiedad de las funciones que les permite componer, creando de esta manera, la oportunidad para resolver problemas complejos a partir de las soluciones a otros más sencillos.

También se incluyó la posibilidad de definir funciones recursivamente.

Un lenguaje funcional ofrece conceptos que son muy entendibles y relativamente fáciles de manejar para todos los que no se durmieron en las clases de matemáticas. El lenguaje funcional más antiguo, y seguramente el más popular hasta la fecha, es LISP, diseñado por McCarthy [1] en la segunda mitad de los años 50. Su área de aplicación es principalmente la Inteligencia Artificial. En la década de los 80 hubo una nueva ola de interés por los lenguajes funcionales, añadiendo la tipificación y algunos conceptos modernos de modularización y polimorfismo, como es el caso del lenguaje ML.

Programar en un lenguaje funcional significa construir funciones a partir de las ya existentes. Por lo tanto es importante conocer y comprender bien las funciones que conforman la base del lenguaje, así como las que ya fueron definidas previamente. De esta manera se pueden ir construyendo aplicaciones cada vez más complejas.

La desventaja de este modelo es que resulta bastante alejado del modelo de la máquina de von Neumann y, por lo tanto, la eficiencia de ejecución de los intérpretes de lenguajes funcionales no es comparable con la ejecución de los programas imperativos precompilados. Para remediar la deficiencia, se está buscando utilizar arquitecturas paralelas que mejoren el desempeño de los programas funcionales, sin que hasta la fecha estos intentos tengan un impacto real importante.

Los dos mecanismos básicos presentados anteriormente se corresponden con los conceptos de abstracción funcional y aplicación de función; si le agregamos un conjunto de identificadores para representar variables se obtiene lo mínimo necesario para tener un lenguaje de programación funcional. Lambda calculo tiene el mismo poder computacional que cualquier lenguaje imperativo tradicional.

Las ventajas de tener un lenguaje tan simple son:

  • Permite definiciones simples.
  • Facilita el estudio de aspectos computacionales.
  • Su carácter formal facilita la demostración de propiedades.

Aplicaciones

  • Compilación de lenguajes funcionales.
  • Especificar semántica a lenguajes imperativos.
  • Formalismo para definir otras teorías.

Programación funcional:

La crítica de John Backus a los "lenguajes convencionales de von Neumann" llamó la atención hacia la programación funcional (hacia 1978). El estilo de programación adoptado por Backus fue denominado FP (Functional Programming).

El componente básico de los lenguajes funcionales es la noción de función y su estructura de control esencial la aplicación de una función. Entre los lenguajes funcionales se encuentran ISWIM, ML, LISP y todos sus derivados, como Scheme. Las características fundamentales de los lenguajes funcionales de programación son, según [SET92]:

1. El valor de una expresión depende sólo de los valores de sus subexpresiones, si las tiene. La programación funcional pura es una programación sin asignaciones. En realidad, la mayoría de los lenguajes funcionales son impuros, ya que permiten asignaciones. Sin embargo, su estilo de programación es diferente al de los lenguajes de programación imperativa.

2. Almacenamiento implícito. El programador no debe preocuparse en manejar el almacenamiento de datos. Una consecuencia de esto es que la implementación del lenguaje debe realizar una "recolección de basura" para recuperar la memoria que se ha usado y no se volverá a utilizar.

3. Las funciones son valores de primera clase. Una función puede ser el valor de una expresión, pasarse como argumento o colocarse en una estructura de datos. Esto permite potentes operaciones.

Al decir que un lenguaje de programación es funcional, se suele hacer referencia al paradigma de programación funcional.

En términos general, al desarrollar software en el paradigma de programación, en contraste con el paradigma de programación imperativo, se tiende a enfatizar más la evaluación de expresiones que la ejecución secuencial de comandos.

En el fondo, para ejecutar programas los computadores ejecutan, de manera secuencial, instrucciones de código de máquina. De cierta forma, ésto hace que los lenguajes imperativos sean más cercanos a la manera en que funcionan los computadores, al forzar a los programadores a formular sus algoritmos como una serie de pasos que se realizarán de manera secuencial.

Los lenguajes funcionales, por otro lado, son más cercanos a la manera en que funciona la mente humana, pues tienden a permitirle a los programadores describir sus algoritmos como expresiones que serán evaluadas.

Hay varias consecuencias del énfasis en la evaluación de expresiones que son comunes a la mayoría de lenguajes funcionales:

  • Los procedimientos son ciudadanos de primera categoría Los procedimientos y funciones son objetos visibles que pueden ser almacenados dentro de estructuras complejas, pasados como argumentos, construidos en tiempo de ejecución y manipulados al igual que otros tipos como los números y las cadenas.
  • Manejo automático de memoria El programador no necesita llevar un registro manual de la memoria utilizada por cada objeto y liberarla; la implementación del lenguaje se encarga de eso de manera automática.

Los lenguajes funcionales han permanecido en uso por mucho tiempo y han mostrado todo el poder de su gran nivel de expresividad. Al permitir la creación de procedimientos en tiempo de ejecución, permiten un gran nivel de modularidad que, de acuerdo con sus proponentes, difícilmente puede alcanzarse en otros paradigmas de programación.

Dentro de los lenguajes funcionales se encuentran Lisp, Haskell, CaML y muchos otros.

El lenguaje provee algunas funciones basicas, que son primitivas para construir funciones más complejas. Se definen algunas estructuras para representar datos en los parámetros y resultados de las funciones. Este paradigma normalmente se implementa mediante interpretadores, pero tambien se pueden compilar.

Funciones

Los primeros ordenadores se construyeron en los años cuarenta. Pronto se almacenaron los programas en la memoria del ordenador, haciendo que los primeros lenguajes de programación hicieran su entrada. En aquel tiempo el uso de un ordenador era muy costoso y era lógico que el lenguaje de programación guardara mucha relación con la arquitectura del ordenador.

Un ordenador consta de una unidad de control y una memoria. Por eso un programa consistía en instrucciones para cambiar el contenido de la memoria. La unidad de control se encargaba de ejecutarlas. De esta manera se creo el estilo de programación imperativa. Los lenguajes de programación imperativa como Pascal y C se caracterizan por la existencia de asignaciones ejecutadas consecutivamente.

Antes de la existencia de los ordenadores se inventaron métodos para resolver problemas. Por tanto, no existía la necesidad de hablar en términos de una memoria que cambie por instrucciones en un programa.

En la matemática de los últimos cuatrocientos años son muy importantes las funciones. Estas establecen la relación entre los parámetros (la ‘entrada’) y el resultado (la ‘salida’) de procesos definidos. Con cada computación, el resultado depende de una u otra forma de los parámetros. Por esa razón, una función es una buena manera de especificar una computación. Esta es la base del estilo de programación funcional. Un ‘programa’ consiste en la definición de una o mas funciones.

Para la ejecución de un programa, se dan parámetros a una función y el ordenador tiene que calcular el resultado. Con este tipo de computación existe libertad en la manera de ejecución. ¿Por qué tendría que describirse en qué orden deben ejecutarse las computaciones parciales?

Con el tiempo, al bajar los precios de los ordenadores y al subir los precios de los programadores, llega a ser más importante describir las computaciones en un lenguaje que esté más cerca del mundo del hombre, que cerca del ordenador. Los lenguajes funcionales se unen a la tradición matemática y no están muy influidos por la arquitectura concreta del ordenador.

Scheme

Scheme es un lenguaje funcional, derivado de LISP. Scheme es un lenguaje compacto con un alto grado de abstracción, por lo cual resulta adecuado para cursos introductorios de computación, donde el énfasis está en la metodología de resolución de problemas. Scheme permite resolver problemas complejos con programas cortos y elegantes. De este modo, el lenguaje se convierte en un aliado para resolver problemas, no un problema más que resolver.

Historia

El desarrollo de los lenguajes funcionales ha sido influenciado a lo largo de la historia por muchas fuentes, pero ninguna tan grande ni fundamental como el trabajo de Alonzo Church en el Cálculo Lambda.

El Cálculo Lambda fue asimismo el fundamento en que se basó el desarrollo del Lisp, pero el propio John McCarthy ha negado ese hecho3. El impacto del Cálculo Lambda en el desarrollo inicial del Lisp fue mínimo y no ha sido sino hasta recientemente que el popular lenguaje ha comenzado a evolucionar de acuerdo con los ideales del mismo. Por otra parte, Lisp ha tenido una gran influencia en el desarrollo de los lenguajes funcionales que le siguieron.

La motivación original de McCarthy para desarrollar Lisp fue el deseo de contar con un lenguaje para procesamiento de listas algebraicas que pudiera usarse para llevar a cabo investigación en inteligencia artificial.

Uno de los primeros intentos por desarrollar un lenguaje de tal naturaleza fue realizado por McCarthy, con el llamado FLPL (FORTRAN - compiled List Processing Language), que se implementó en el FORTRAN con que contaba la IBM 704 en 1958. Durante los años subsiguientes McCarthy diseñó, refinó e implementó Lisp (List Processor), en parte porque FLPL no contaba con recursividad ni con condicionales dentro de las expresiones.

Lisp no es sólo uno de los lenguajes más viejos que existen, sino también el primero en proporcionar recursividad, funciones como ciudadanos de primera clase, recolección de basura y una definición formal del lenguaje (escrita asimismo en Lisp). Las diversas implementaciones de Lisp desarrolladas a través de los años han sido también pioneras en cuanto al uso de ambientes integrados de programación, los cuales combinan editores, intérpretes y depuradores.

Las primeras implementaciones de Lisp tuvieron, sin embargo, algunos problemas que las hicieron perder popularidad, como por ejemplo su tremenda lentitud para efectuar cálculos numéricos, su sintaxis basada por completo en paréntesis que suele causar gran confusión entre los usuarios novatos y su carencia de tipos que hace difícil la detección de errores y el desarrollo de compiladores.

Además, problemas adicionales tales como la carencia de verdaderas funciones como ciudadanos de primera clase y el uso de reglas de ámbito dinámicas, bajo las cuales el valor de una variable libre se toma del ambiente de activación, hicieron que Lisp se mantuviera durante un buen tiempo como un lenguaje restringido a los laboratorios de investigación, lejos del alcance de un número significativo de usuarios. El mismo McCarthy afirmó que su lenguaje no era apropiado "para los programadores novatos o los no programadores", pues se requería una cierta cantidad de "conocimientos sofisticados para apreciar y usar el lenguaje efectivamente".

A partir de 1962, el desarrollo del Lisp divergió en un gran número de dialectos, entre los que destacan MacLisp y ZetaLisp en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Franz Lisp en la Universidad de California en Berkeley, ICI-Lisp en la Universidad de Stanford, y el InterLisp, un producto comercial desarrollado por Bolt, Boranek y Newman (en un laboratorio de investigación privado de los Estados Unidos).

En el otoño de 1975 Gerald Jay Sussman y Guy Lewis Steele Jr. se encontraban estudiando la teoría de los actores como un modelo de computación desarrollada por Carl Hewitt en MIT.

El modelo de Hewitt estaba orientado a objetos y con una fuerte influencia del Smalltalk. De acuerdo con él, cada objeto era una entidad computacionalmente activa capaz de recibir y de reaccionar a los mensajes. A estos objetos y los mensajes que intercambiaban, Hewitt los llamó actores. Dado que Sussman y Steele afrontaban dificultades para entender algunos aspectos teóricos y prácticos del trabajo de Hewitt, decidieron construir un pequeño intérprete de este lenguaje usando MacLisp, a fin de poder experimentar con él. Como Sussman había estado estudiando Algol en aquella época, le sugirió a Steele comenzar con un dialecto de Lisp que tuviera reglas de ámbito estático (i.e., el valor de una variable libre se toma de su ambiente de definición).

Esta decisión les permitió crear actores con la misma facilidad con que se crean las funciones en Lisp (y usando casi los mismos mecanismos). El paso de mensajes se podría entonces expresar sintácticamente en la misma forma en que se invoca una función. La única diferencia entre un actor y una función era que una función regresaba un valor y un actor no regresaba nada, sino que más bien invocaba una continuación, o sea, otro actor que sabía de su existencia.

Sussman y Steele se sintieron tan satisfechos con su mini-intérprete que decidieron llamarlo "Schemer", pensando que con el tiempo se convertiría en otro lenguaje que se pudiera utilizar en inteligencia artificial, tal y como PLANNER, el lenguaje desarrollado por Hewitt. Sin embargo, el sistema operativo ITS limitaba los nombres a 6 letras, por lo que el apelativo del intérprete hubo de ser truncado a "Scheme", que es como se le conoce hoy en día.

Persuadidos de que su intérprete parecía capturar muchas de las ideas que circulaban entonces sobre lenguajes de programación, Sussman y Steele decidieron publicar la definición de Scheme en la forma de un memo del laboratorio de inteligencia artificial del MIT. Esta primera definición del lenguaje era sumamente austera, con un mínimo de primitivas (una por concepto), pero marcó el inició de lo que se convertiría en un lenguaje de programación sumamente popular en las esferas académicas.

En 1976, Sussman y Steele publicaron dos artículos en los que se hablaba sobre semántica de los lenguajes de programación usando Scheme: "Lambda: The Ultimate Imperative" y "Lambda: The Ultimate Declarative", en los cuales los autores enfatizarían el hecho de que Scheme podía soportar eficientemente los principales paradigmas de programación actuales (i.e., imperativo, funcional y orientado a objetos). Esta última publicación se convirtió de hecho en la propuesta de tesis de maestría de Steele, que culminó en el desarrollo de un compilador de Scheme llamado RABBIT.

Históricamente, Scheme contribuyó a estrechar la brecha entre los teóricos (que estudiaban el Cálculo Lambda y el modelo de actores) y los prácticos (implantadores y usuarios de Lisp) en el área de lenguajes de programación. Además, Scheme hizo la semántica denotacional mucho más accesible a los programadores y proporcionó una plataforma operacional que permitiera a los teóricos realizar sus experimentos. Por su reducido tamaño, no había necesidad de tener una versión centralizada del lenguaje que tuviera que soportar un gran número de plataformas, como sucedía con Lisp.

De tal forma, brotaron por todas partes implementaciones y dialectos de Scheme hacia inicios de los 80. Un ejemplo es el Scheme 311 [11], desarrollado en la Universidad de Indiana varios años antes de que alguien hiciera un intento por producir una implementación aislada del lenguaje (i.e., que no tuviera que montarse sobre Lisp).

Conclusión

Hoy en día Scheme es un lenguaje simple, pero poderoso; pequeño, pero flexible. Su naturaleza lo hace ideal para la enseñanza, incluso como primer lenguaje de programación, por su notable facilidad para incorporar diversos paradigmas con sólo un puñado de primitivas.

Como lenguaje imperativo, conserva la pureza y elegancia que le proporcionan la recursividad y las funciones de orden superior, superando así a muchos de los lenguajes que hoy gozan de gran popularidad, tales como Pascal y C. Como lenguaje orientado a objetos, hace alarde de un sistema de paso de mensajes y de manipulación de objetos equiparable únicamente al de Smalltalk. Su mecanismo de continuaciones proporciona procedimientos de escape como ciudadanos de primer orden, condenando a la obsolescencia a los mecanismos similares con que cuentan otros lenguajes.

El uso de streams permite implementar la evaluación concisa, convirtiendo al lenguaje en una herramienta idónea para cursos avanzados de lenguajes de programación. Una de sus pocas desventajas estriba en su carencia de tipos, aunque existen versiones de Scheme que incorporan un sistema similar al de ML (por ejemplo, Scheme 48).

Desde una perspectiva más pragmática, podemos decir que su sintaxis es extremadamente simple, lo que permite que el lenguaje pueda dominarse fácilmente en sólo 6 meses. Los estudiantes suelen preferirlo, sobre todo, cuando se trata del primer lenguaje de programación que aprenden, y los instructores lo elogian porque facilita la enseñanza de ideas de abstracción y diseño de algoritmos, tan útiles para formar buenos programadores.

Con la sabia filosofía de proporcionar sólo una primitiva que haga lo que queremos en vez de varias, como en otros lenguajes, Scheme se erige en la cima de los lenguajes preferidos por las nuevas generaciones, ya no sólo como una mera curiosidad científica, como se vió a Lisp en otra época, sino como una herramienta efectiva que sirve para aprender a programar y a resolver problemas del mundo real.

Bibliografía

La página de Scheme
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Scheme
Scheme. Scheme es un dialecto de Lisp creado a mediados de los 70 por Guy Lewis
Steele Jr. ... schemers.org es un completo sitio sobre Scheme. ...
www.rodoval.com/paginalen.php?len=Scheme

Manual de referencia de Scheme 1 El lenguaje de programación ...
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Page 1. Manual de referencia de Scheme 1 El lenguaje de programación Scheme
En cualquier lenguaje tenemos palabras que se combinan ...
www.cs.us.es/documentacion/scheme.pdf

Introducción a la programación con SCHEME

José Helo Guzmán, Cartago: Editorial Tecnológica de Costa Rica, 2000

ISBN 9977-66-113-8

Programación Funcional 2004
... paradigma de programación funcional. exploren y utilicen con seguridad los
conceptos del paradigma funcional. conozcan las principales ...
groupfia.info.unlp.edu.ar/ fcional/objetivos.php?javascript=0

Lenguaje Funcional Miranda - Monografias.com
... mediante relaciones entre objetos o entidades. Evolución del paradigma funcional.
Lambda calculo. Los orígenes teóricos del modelo ...
www.monografias.com/trabajos16/ lenguaje-miranda/lenguaje-miranda.shtml

Las virtudes de la programción funcional
... Mi intención con esta nota (y las dos que le seguirán) es ilustrar como el paradigma
Funcional es _muchísimo_ más expresivo que el Imperativo, mucho más ...
mail.pm.org/pipermail/caracas-pm/ 2002-November/000245.html

 

 

Tatiana Macchiavello


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