Записки программиста

Последний выпуск подкаста Radio-T (номер 253) получился на редкость интересным. Речь зашла о Scala, рефакторинге, TDD, багтрекерах, и даже (наконец-то!) о моем любимом Haskell. К сожалению, тема «чем же так хорош этот ваш Haskell» не была в должной мере раскрыта. Такое чувство, что большинство айтишников действительно не понимают плюсов функционального программирования. В этой заметке я постарался развернуто описать, за что лично мне нравится Haskell.

Как обычно, я не ставлю перед собой цели кого-то в чем-то убедить или что-то доказать. К тому же, я не претендую на знание истины и по поводу некоторых моментов вполне могу заблуждаться. Соглашаться с написанным или нет — дело ваше. Несмотря на то, что пункты пронумерованы, они никаким образом не отсортированы. Другими словами, нет такого, что первый пункт важнее пятого или наоборот.

Важно! Рекомендуется читать статью медленно и вдумчиво, а не так, как вы это делаете обычно :)

1. Красота и декларативность языка

Будучи вещью субъективной и не имеющей строгого определения, «красота языка программирования» является прекрасной темой для холиваров. Потому скажу так — лично мне Haskell кажется очень красивым языком. Некоторые считают, что Haskell сложен, но на самом деле это не так. Одной из причин, по которым мне нравится Haskell, является простое и логичное ядро языка.

Грустный и несчастный Java-программист, который вынужден писать всякие private static final transient volatile List<Pair<Integer, GoddamnLongJavaBean>> dramaticallyTerribleList = new ArrayList<Pair<Integer,GoddamnLongJavaBean>>; когда где-то совсем рядом есть чудесный Haskell // «о себе» одного пользователя HabraHabr

Приведу немного цифр. Описание языка в «Справочнике по языку Haskell» Романа Душкина занимает всего лишь 100 страниц. Остальные 430 страниц занимает описание модулей, которое мне еще ни разу не понадобилось. Объем книги Learn You a Haskell for Great Good! (кстати, скоро будет издан русский перевод) составляет 400 страниц. Лично мне кажется, что при желании ее можно ужать вдвое, ничего при этом не потеряв. Для сравнения, Язык программирования Си Кернигана и Ритчи имеет объем 300 страниц, а Язык программирования C++ Страуструпа — почти 1100 страниц. Вы действительно считаете сложным язык, описание которого даже по самым скромным оценкам имеет примерно тот же объем, что и описание языка Си, которое в свою очередь в 3-4 раза короче описания языка C++?

Тут самое время привести немного кода, продемонстрировав, как любят выражаться некоторые программисты, «высокую декларативность» языка. Например, вот так задается функция, возвращающая список делителей некого числа num:

Прямо как написать определение! Если обозначить множество делителей числа n, как D(n), и перевести написанное выше на язык математики, то получим D(n) = { x | x ∈ ℤ₊, x ≤ n, mod(n, x) = 0 }, где n ∈ ℤ₊. А теперь давайте напишем функцию проверки числа на простоту:

И снова — как будто пишешь математическую формулу. Теперь получим список всех простых чисел:

Да, Haskell умеет работать с бесконечными списками. Это возможно благодаря механизму ленивых вычислений. То есть, ни один из элементов списка простых чисел не будет вычислен до тех пор, пока он на самом деле не будет где-то использован. Помимо удобства, ленивые вычисления позволяют писать более быстрые программы, о чем еще будет рассказано в соответствующем пункте.

Если думаете, что «высокая декларативность» Haskell распространяется только на математические задачи, то вы ошибаетесь. Посмотрите, к примеру, как выглядит код GUI-приложения на Haskell. Или как можно писать запросы к базе данных с помощью библиотеки HaskellDB. Фактически, в запросе используется обычная реляционная алгебра. Преимущество перед SQL здесь заключается в том, что корректность запроса проверяется на этапе компиляции программы. Впрочем, если хотите писать запросы на обычном SQL, никто не будет вам препятствовать.

А еще борцы против оператора goto будут рады узнать, что в Haskell его нет.

2. Автоматическое управление памятью

Haskell полностью берет управление памятью на себя. Цитата из WikiBooks:

Функциональные языки освобождают программиста от этой непростой обязанности. Память выделяется неявно, автоматически, а специальный сборщик мусора (garbage collector) возвращает системе неиспользуемые куски памяти. Оптимальные алгоритмы управления памятью сложны, но сегодня уже достаточно хорошо проработаны. Использование этих алгоритмов не сильно увеличивают время работы программы в целом (в сравнении с тем, когда программист сам, по-умному, занимается выделением и освобождением памяти).

Тем самым в программах на Haskell гарантируется отсутствие таких сложных в обнаружении ошибок, как переполнение буфера, пустой указатель, неинициализированные данные и утечки памяти. Считается, что многие люди испытывают трудности при работе с указателями, так что полностью избавиться от них, видимо, неплохая идея.

Кстати, далеко не все из перечисленных проблем по-настоящему решены в таких высокоуровневых языках, как Java, Perl и Python (о проблемах C++ я вообще молчу). Например, в книге Python — подробный справочник Дэвида Бизли приводится пример программы (в моем экземпляре — на стр 174), использующей паттерн «наблюдатель», в которой сборщик мусора не в состоянии освободить память, если только не воспользоваться weakptr.

Люди, 21-ый век на дворе! Будем еще 90 лет управлять памятью с помощью костылей типа счетчиков ссылок и weakptr, а то и вообще вручную? Или наконец забудем, как страшный сон, и будем двигаться дальше?

3. Чистые функции

Функция называется детерминированной, если возвращаемое ею значение зависит только от аргументов. Говорят, что функция не имеет побочных эффектов, если при ее вызове не производится запись в файл, чтение из сокета, изменение глобальных переменных и так далее. Функция называется чистой, если она является детерминированной и не имеет побочных эффектов.

В Haskell горячо приветствуется написание чистых функций. Сколько бы мы не передавали функции одни и те же аргументы, она все время будет возвращать один результат. Кроме того, мы можем быть уверены, что при вызове чистой функции не происходит запись в файл или передача каких-то данных по сети. Это существенно упрощает разработку программ.

Вот что написано в книге Роберта Мартина Чистый код — создание, анализ и рефакторинг по поводу побочных эффектов:

Побочные эффекты суть ложь. Ваша функция обещает сделать что-то одно, но делает что-то другое, скрытое от пользователя. Иногда она вносит неожиданные изменения в переменные своего класса — скажем, присваивает им значения параметров, переданных функции, или глобальных переменных системы. В любом случае такая функция является коварной и вредоносной ложью, которая часто приводит к созданию противоестественных временных привязок и других зависимостей.

Но неужели Haskell обходится без чтения из файлов, работы с сетью и пользовательского ввода? Ведь это все — побочные эффекты. Следовательно, соответствующие действия не могут производиться в чистых функциях.

Дело в том, что в Haskell функции поделены на чистые и «грязные», то есть недетерминированные и имеющие побочные эффекты. «Грязные» функции используются для ввода данных, передачи их в чистые функции и вывода результата. Другими словами, существует эдакий небольшой процедурный мирок внутри чистого функционального языка. Или наоборот, это еще как посмотреть. Все гениальное — просто!

4. Быстродействие

Повторюсь на счет ленивых вычислений. В Haskell что-то начинает вычисляться только тогда, когда оно действительно понадобится. Вы можете объявить список из 9000 элементов, но если вам понадобятся только один из них (и он не будет зависеть от других элементов списка), то будет вычислено значение только этого одного элемента. И этот принцип работает везде, а не только в списках. В каком-нибудь C++ такое тоже можно сделать, но придется самому написать соответствующий код или подключить какую-нибудь библиотеку, а в Haskell все уже есть «из коробки».

Поскольку большинство функций в Haskell являются чистыми, мы можем без труда кэшировать значение, возвращаемое функцией для заданных аргументов. Если функция вызывается многократно с одними и теми же аргументами, реальная работа выполняется только один раз. При втором или третьем вызове из кэша берется уже посчитанное значение.

Рассмотрим другой пример. Допустим, у нас есть некая функция f(a, b). Пусть аргументы a и b — результаты вычислений неких других функций, которые по счастливому стечению обстоятельств являются чистыми. В этом случае a и b могут быть вычислены параллельно! Согласитесь, в эпоху многоядерных процессоров это немаловажно. В ООП языках такую оптимизацию провести намного сложнее.

Кроме того, что мы получаем прирост производительности, мы также автоматически распараллеливаем программу и синхронизируем потоки выполнения! А ведь многопоточное программирование с его дэдлоками — это чуть ли не вторая по важности проблема современного программирования после ручного управления памятью. Если вы думаете, что описанное выше — лишь теория, посмотрите список расширений компилятора GHC и проект Data Parallel Haskell. Все уже реализовано!

Дополнение: См также проект Haskell STM. Транзакционная память интересна тем, что позволяет избавиться от блокировок в многопоточных приложениях.

К сожалению, мне не удалось найти ни одного бэнчмарка программ на Haskell, кроме shootout.alioth.debian.org. «К сожалению» — потому что у меня к этому бенчмарку много вопросов. Я отказываюсь верить, что программы на Pascal выполняются в 2 раза медленнее программ на Си. Также вызывают сомнения погрешности в стиле ±100% для скриптовых языков. Тем не менее, если верить этому бенчмарку, Haskell на сегодняшний день является самым быстрым языком функционального программирования. По скорости он сравним с языками Java и C#.

5. Меньше рефакторинга

Давайте откроем оглавление книги Рефакторинг — улучшение существующего кода Фаулера и посмотрим, какие типы рефакторинга бывают. Выделение метода, встраивание метода, перемещение метода, встраивание временной переменной, замена временной переменной вызовом метода, введение пояснительной переменной, расщепление временной переменной, замена ссылки значением, замена значения ссылкой… как считаете, многое ли из перечисленного применимо в Haskell при условии, что в этом языке нет ни ссылок, ни переменных (let и where не считаются)?

Недавно я провел на Хабре два опроса, один — в блоге «Java», второй — в блоге «Haskell». Вопрос был одним и тем же — «Как часто вам приходится производить рефакторинг кода на %PROGRAMMING_LANGUAGE%?». На этих опросах я слил почти всю свою карму (кому-то правда глаза режет?), но оно того стоило:

Я готов признать, что часть опрошенных могла ответить, что не занимается рефакторингом на Haskell, потому что не пишет на нем, но едва ли это сильно исказило картину. Во-первых, в опросах есть кнопочка «воздержаться», а во-вторых, вероятно, среди читателей блога «Java» также далеко не все пишут на Java.

Что интересно, сам синтаксис Haskell подталкивает к написанию кода, состоящего из большого количества простых функций. Это связано с тем, что код на Haskell очень любит разрастаться в ширину экрана, а не в высоту, как в ООП языках. Кроме того, если внутри конструкции if-then-else требуется нечто большее, чем просто вернуть значение, то вместо if-then-else намного удобнее определить новую функцию. В действительности, благодаря сопоставлению с образцами и охране, на Haskell можно писать вообще без использования конструкции if-then-else.

В тех же случаях, когда произведение рефакторинга все-таки необходимо, оно происходит просто и легко благодаря строгой статической типизации языка.

6. А нужны ли TDD и UML?

Вспомним, чему нас учит любой учебник по Python или Java. Все является объектом. Используйте объекты, и ваш код станет намного легче сопровождать, расширять и повторно использовать. Уверуйте и покайтесь! Вот, правда, чтобы сопровождать код, извольте составить диаграммы классов, иначе в нем будет невозможно разобраться. И обязательно напишите тесты, покрывающие как можно большую часть кода, иначе любое его изменение сделает вашу программу нерабочей. Прошу вопросы. Да, пожалуйста. Что-что, простите? В каком это смысле «всего лишь надстройка над процедурным программированием»?! Вы что, не слушали? Инкапсуляция, наследование, полиморфизм!

Нет, правда, вы никогда не задумывались, сколько нужно использовать костылей, чтобы ООП работало? Скачайте хотя бы уже упомянутый 253-ий выпуск Radio-T и послушайте, что там говорят о TDD. Фактически, нам предлагают делать в два, а то и в три раза (считая UML) больше работы!

Люди иногда спрашивают, «Что служит аналогом UML для Haskell?». Когда меня впервые спросили об этом 10 лет назад, я подумал, «Ума не приложу. Может быть, нам стоит придумать свой UML». Сейчас я думаю, «Это просто типы!». // Саймон Пейтон Джонс

При этом обычно умалчивается, что далеко не любая задача легко вписывается в рамки ООП. Фактически, ООП неплохо себя зарекомендовало только в игростроении, создании GUI и графических редакторов. Зайдите, к примеру, на CPAN. Возьмите 10 случайных модулей и посмотрите, сколько из них действительно используют ООП (да, в Perl есть ООП), а не просто оформляют модуль в виде класса. Или загляните на Hackage и посчитайте, сколько модулей вполне успешно решают практические задачи вообще без единого намека на ООП.

Примечание: В действительности, функциональным языкам вовсе не чужды инкапсуляция, наследование и полиморфизм. Например, в Haskell инкапсуляция производится на уровне модулей, полиморфизм обеспечивается благодаря классам типов, а наследование существует в чистом виде. О применении идиом ООП на языке Haskell можно прочитать в четвертой главе книги 14 занимательных эссе о языке Haskell и функциональном программировании.

Почему мне кажется, что «костылей» должно быть меньше при использовании Haskell? Ну, во-первых, раз нет классов (не путать с классами типов) — не нужно рисовать их диаграммы :) Теоретически ничто не мешает рисовать диаграммы классов типов, но лично мне такие еще ни разу не попадались. Во-вторых, как мы уже выяснили, Haskell — «очень декларативный» язык. То есть, обычно мы пишем на нем, что хотим получить, а не как. Таким образом, программа документирует сама себя. И в-третьих, строгая статическая типизация языка позволяет ликвидировать целые классы ошибок еще на этапе компиляции программы. Это не отменяет необходимость временами писать тесты, но существенно сокращает их количество.

Кстати, важными свойствами Haskell являются отсутствие побочных эффектов и кроссплатформенность языка, притом настоящая кроссплатформенность, а не как у C++. Программа, написанная один раз, одинаково хорошо работает под любой ОС и любой архитектурой процессора без необходимости писать какие-то макросы или вроде того. Это приводит к тому, что программисты на Haskell часто (!) вообще не компилируют свои программы.

Знаю, звучит нелепо. Сам не верил, пока не попробовал. Это выглядит примерно так. Создаем новый модуль. Вводим пару новых типов, объявляем первую функцию. Запускаем интерпретатор ghci, проверяем функцию на типичных данных и паре краевых случаев. Если работает — забываем про только что написанную функцию и пишем следующую. Когда весь необходимый функционал реализован, смотрим, какие сущности следует экспортировать из модуля и вносим соответствующие правки. Все, работа выполнена! Без единой компиляции. Если программа заработала в ghci, то ее правильно соберет любой компилятор Haskell, под любую платформу. Вот, что такое настоящая кроссплатформенность.

7. Широкая область применения

Распространенное заблуждение в отношении Haskell заключается в том, что этот язык якобы пригоден для решения только узкого круга хитроумных математических задач. И действительно, как прикажете решать «обычные» задачи, если у нас даже циклов нет? На самом деле, рекурсия ничем не хуже циклов. Думать итерациями или думать рекурсиями — это всего лишь дело привычки. И нет, рекурсия совсем не обязательно должна использовать какую-то память. Вообще-то, именно злоупотребление ООП в конечном счете приводит к мышлению по шаблону, и выводам в стиле «видимо, эта задачка с олимпиады по спортивному программированию, раз я не знаю, как ее решить».

Однако вернемся к области применения. Как я уже отмечал, Haskell прекрасно подходит для написания GUI приложений. Писать на нем для веб я еще не пробовал, но, судя по отзывам, Haskell и тут справляется не хуже PHP:

Я только что закончил написание простенькой FastCGI программы на Haskell. Мне хотелось понять, как работают веб-приложения на Haskell и подходит ли этот язык для создания сайта, посвященного изучению языков. Haskell не только справился с задачей. Оказалось, что писать на нем намного веселее, чем на PHP // jekor.com, вольный перевод

Еще примеры сайтов на Haskell — hpaste.org и блог lymar.ru. Если вы предпочитаете работать с фреймворками, то будете рады узнать, что для Haskell написано довольно много готовых веб-фрейморков.

Дополнение: Обратите также внимание на русский перевод книги о веб-фреймворке Yesod.

Haskell прекрасно подходит для работы с сетью, базами данных, регулярными выражениями, написания компиляторов и многого другого. Код на Haskell может взаимодействовать с кодом на других языках и быть скомпилирован в байткод LLVM, JVM и .NET, а также в JavaScript. На Haskell можно писать даже модули ядра Linux.

Среди интересных проектов на Haskell мне хотелось бы отметить фреймовый оконный менеджер Xmonad, интерактивную среду разработки Leksah, текстовый редактор Yi, генератор статических сайтов Hakyll, torrent-клиент СombinaTorrent, веб-браузер Hbro, распределенную систему управления версиями Darcs, компилятор языка программирования Perl 6 под названием Pugs, шутер от первого лица Frag, движок рендеринга трехмерной графики Lambda Cube 3D, игровой движок HGamer3D, сервер игры Hedgewars и (!) операционную систему House.

В заключение, мне хотелось бы поблагодарить Романа Душкина за помощь в написании заметки. Благодаря ему, текст был существенно улучшен, а также обогащен интересными фактами о мире функционального программирования.

Надеюсь, заметка показалась вам интересной. Как обычно, я буду рад любым комментариям и вопросам читателей.

Дополнение: См также хабрапост Haskell в продакте, отчет менеджера проекта

Метки: Haskell, Функциональное программирование.