OCaml

Язык OCaml является языком программирования общего назначения, но при этом имеет свои сложившиеся области применения[4].

Во-первых, это — создание «безопасных» (не только в смысле информационной безопасности) приложений. В языке используется сборка мусора, а большинство типов данных является ссылочным (англ. boxed), что означает предотвращение переполнения буферов во время исполнения программы. Кроме того, статическая типизация и проверки времени компиляции делают невозможными некоторые другие классы ошибок, такие, как ошибки приведения типов в силу отсутствия автоматического приведения типов. Кроме того, код может быть формально верифицирован. Имеются утилиты автоматического доказательства типовой корректности кода, превосходящие таковые для большинства языков программирования. И что немаловажно, меры безопасности не влияют на эффективность исполняемого кода[4].

Другой областью успешного применения OCaml являются приложения, управляемые данными (data-driven). К этой области относится обработка текста, а также написание компиляторов. OCaml имеет не только средства для текстовой обработки (какими славится, например, Perl или AWK), но и инструменты для глубокого семантического анализа и преобразования текста, что делает OCaml применимым в задачах интеллектуального анализа данных (англ. data mining)[4].

Разумеется, OCaml, как и другие диалекты ML, используются в исследовательских задачах и задачах верификации, при котором основной код пишется на некотором языке программирования, а затем формально верифицируется и анализируется программой на OCaml[4]. Например, на OCaml написана система интерактивного доказательства теорем Coq.

OCaml занимает особое место среди языков программирования благодаря сочетанию эффективности, выразительности и практичности. Среди особенностей языка, развивавшихся в течение более чем 40 лет, со времени создания ML, можно выделить[5]:

• Статическая проверка типов
• Параметрический полиморфизм
• Функции первого класса
• Алгебраические типы данных и сопоставление с образцом
• Поддержка программирования с неизменяемыми структурами данных (англ. immutable programming)
• Автоматическая сборка мусора
• Эффективный компилятор в машинный код, без применения JIT-компиляции

OCaml ведёт своё происхождение от ML (англ. meta language), который был реализован на диалекте Лиспа Робином Милнером в 1972 году в качестве программного средства для доказательства теорем, как метаязык логики вычислимых функций (LCF, англ. logic for computable functions). Позднее был сделан компилятор, а к 1980 году ML стал полноценной системой программирования[6].

Ги Кузино (Guy Cousineau) добавил в язык алгебраические типы данных и сопоставление с образцом и определил ML в виде категориальной абстрактной машины (CAM). Таким образом, CAM-ML мог быть описан, верифицирован и оптимизирован, что явилось шагом вперёд для ML[7].

Дальнейшим развитием был созданный к 1987 году Аскандером Суарецом (Ascánder Suárez) и продолженный Пьером Вейсом (Pierre Weis) и Мичелом Мони (Michel Mauny) язык Caml (переигранное CAM-ML)[6][7].

В 1990 году Ксавье Лерой (Xavier Leroy) и Дамьен Долигез (Damien Doligez) выпустили новую реализацию, названную Caml Light. В этой реализации на Си использовался интерпретатор байт-кода и быстрый сборщик мусора. С написанием библиотек язык стал использоваться в образовании и исследовательских институтах[6][7].

В 1995 году увидел свет Caml Special Light, развиваемый К. Лероем. Система программирования получила компилятор в машинные коды, что поставило эффективность исполняемого кода в один ряд с другими компилируемыми языками. В то же время была разработана система модулей, идея которой была заимствована из Standard ML[6].

В современном виде OCaml появился в 1996 году, когда Дидье Реми (Didier Rémy) и Джером Вуйон (Jérôme Vouillon) реализовали для языка стройную и эффективную поддержку объектов. Эта объектная система позволяет на этапе компиляции в типобезопасной манере использовать идиомы объектно-ориентированного программирования, без свойственных C++ и Java проверок времени выполнения[6].

В 2000-х годах язык плавно развивался, одновременно получая всё большее признание в коммерческих проектах и образовании. Среди разработанного в это время можно отметить полиморфные методы и вариантные типы, именованные и необязательные параметры, модули первого класса, обобщённые алгебраические типы данных (GADT). Язык стал поддерживать несколько аппаратных платформ (X86, ARM, SPARC, PowerPC)[6][7].

Переменная — идентификатор, значение которого связано с определённой величиной. Имена переменных начинаются со строчной буквы или подчёркивания. Привязка обычно выполняется с помощью ключевого слова let, как в следующем примере в интерактивной оболочке[9]:

let v = 1;;

Переменные имеют область видимости. Например, в интерактивной оболочке переменную можно использовать в следующих за её привязкой командах. Аналогично, переменную, определённую в модуле, можно использовать после определения в данном модуле[9].

Привязка переменной может быть осуществлена и в области видимости, заданной конструкцией let-in, как в следующем примере по вычислению площади круга по радиусу:

# let area radius =
      let pi = 3.14 in
      radius *. radius *. pi ;;
val area : float -> float = <fun>
# area 2.0 ;;
- : float = 12.56

В OCaml привязки переменных являются неизменяемыми (как в математических уравнениях), то есть, значение переменной «присваивается» только один раз (единичное присваивание). Другое дело, что внутри let-in может быть другой let-in, в котором вводится другая переменная, которая может «затенить» первую[9].

Для определения функций в OCaml есть несколько синтаксических конструкций.

Функции можно определить с помощью ключевого слова function. Выражение для функции выглядит следующим образом[10]:

function x -> x + 1

В данном случае функция анонимная, и её можно использовать в качестве параметров других функций или применить к некоторому аргументу, например:

(function x -> x + 1) 5

Типом этой функции является int -> int, то есть, функция принимает целое и возвращает целое.

Функция может иметь несколько аргументов[11]:

function (x, y) -> x - y

В этом примере её тип: int * int -> int, то есть, на входе функции — пара, а на выходе — целое.

Есть и другой подход представления функций нескольких аргументов — преобразование N-арной функции в N функций одного аргумента — каррирование. Следующие два вида записи функции, вычисляющей произведение целочисленных аргументов, эквивалентны[11]:

function x -> function y -> x * y
fun x y -> x * y

Именованные функции можно получить, связав переменную с функцией[10]. Определение именованной функции настолько частая операция, что имеет отдельную синтаксическую поддержку. Следующие три записи — эквивалентные способы определить функцию (в интерактивной оболочке):

# let prod = function x -> function y -> x * y ;;
val prod : int -> int -> int = <fun>
# let prod x y = x * y ;;
val prod : int -> int -> int = <fun>
# let prod = fun x y -> x * y ;;
val prod : int -> int -> int = <fun>

Функции двух аргументов можно определить для использования инфиксной записи[10]:

# let (^^) x y = x**2.0 +. y**2.0 ;;
val ( ^^ ) : float -> float -> float = <fun>
# 2.0 ^^ 3.0 ;;
- : float = 13.
# (^^) 2.0 3.0 ;;
- : float = 13.

В этом примере определена функция (^^), вычисляющая сумму квадратов двух чисел с плавающей запятой. Последние два вида записи эквивалентны.

Рекурсивные функции, то есть функции, ссылающиеся на своё же определение, можно задать с помощью let rec[10]:

# let rec fac n =
    match n with 
    | 0 -> 1
    | x -> x * fac (x - 1)
  ;;

В этом же примере вычисления факториала применено сопоставление с образцом (конструкция match-with).

Аргументы функции можно определить как именованные. Именованные аргументы можно указывать в любом порядке[10]:

# let divmod ~x ~y = (x / y, x mod y) ;;
val divmod : x:int -> y:int -> int * int = <fun>
# divmod ~x:4 ~y:3 ;;
- : int * int = (1, 1)
# divmod ~y:3 ~x:4 ;;
- : int * int = (1, 1)

В OCaml можно опускать значения, используя уплотнённую запись (англ. label punning), если имя параметра и переменной совпадают[10]:

# let x = 4 in
  let y = 3 in
  divmod ~x ~y ;;
- : int * int = (1, 1)

Ассоциативность операций в выражениях OCaml определяется префиксом, распространяясь таким образом на операции, определённые пользователем. Знак - работает и как префиксная, и как инфиксная операция, причём при необходимости использовать в качестве префикса совместно с применением функции параметр нужно заключить в скобки[12].

Язык OCaml имеет несколько примитивных типов: числовые типы (целый и числа с плавающей запятой), символьный, строки символов, булевский[13].

Целый тип представляет целые числа из интервала [−2³⁰, 2³⁰ − 1] и [−2⁶², 2⁶² − 1] для 32- и 64-битных архитектур соответственно. С целыми числами можно производить обычные операции сложения, вычитания, умножения, деления, взятия остатка от деления: +, -, *, /, mod. В случае выхода результата за допустимый интервал ошибки не происходит, а результат вычисляется по модулю границы интервала[14].

Числа с плавающей запятой представляются 53-битной мантиссой и порядком из интервала [−1022, 1023], следуя стандарту IEEE 754 для чисел с двойной точностью. В операциях эти числа нельзя смешивать с целыми. Кроме того, операции над числами с плавающей запятой синтаксически отличаются от целочисленных операций: +., -., *., /.. Также имеется операция возведения в степень: **. Для преобразования целых чисел в числа с плавающей запятой и обратно доступны функции: float_of_int и int_of_float[14].

Для чисел с плавающей запятой имеются и другие математические функции: тригонометрические (sin, cos, tan, asin, acos, atan), округления (ceil, floor), экспоненциальная (exp), логарифмические (log, log10), а также извлечение квадратного корня (sqrt)[14]. Для числовых типов имеются и полиморфные операции сравнения[14].

Символьный тип — char — соответствует представлению символа с кодом от 0 до 255 (первые 128 символов совпадают с ASCII). Строчный тип — string — последовательность символов (максимальная длина: 2²⁴ — 6)[15]. Пример с использованием функции преобразования целого к строке и операции конкатенации:

# "Example " ^ string_of_int(2) ;;
- : string = "Example 2"

Булевский тип имеет два значения: true (истина) и false (ложь). Операции над величинами булевского типа: унарная not (отрицание), бинарные: && (и), || (или). Бинарные операции вычисляют сначала левый аргумент, а правый — только если требуется[16].

Булевские значения получаются в результате сравнений: = (структурное равенство), == (тождество), <> (отрицание структурного равенства), != (отрицание тождества), <, >, <=, >=. Для примитивных типов кроме строк и чисел с плавающей точкой структурное равенство и тождество совпадают, для других типов тождественными считаются значения, располагающиеся по одному адресу в памяти, а при структурном сравнении значения проверяются покомпонентно[16].

Кроме того, а OCaml имеется специальный тип unit, который имеет всего одно значение — ()[16].

В OCaml список — конечная неизменяемая последовательность элементов одного типа, реализованная как односвязный список. Следующий пример демонстрирует синтаксис списка[17]:

# ['a'; 'b'; 'c'] ;;
- : char list = ['a'; 'b'; 'c']
# 'a' :: ('b' :: ('c' :: [])) ;;
- : char list = ['a'; 'b'; 'c']
# 'a' :: 'b' :: 'c' :: [] ;;
- : char list = ['a'; 'b'; 'c']
# [] ;;
- : 'a list = []

Операция :: позволяет построить список на основе нового элемента и хвоста старого списка. При этом «старый» список не изменяется:

# let lst = [1; 2] ;;
val lst : int list = [1; 2]
# let lst1 = 0 :: lst ;;
val lst1 : int list = [0; 1; 2]
# lst ;;
- : int list = [1; 2]
# lst1 ;;
- : int list = [0; 1; 2]

Список является одним из основных типов данных в OCaml. Следующий пример кода определяет рекурсивную (обратите внимание на ключевое слово rec) функцию, которая перебирает элементы данного списка и возвращает их сумму:

let rec sum xs =
  match xs with
    | []       -> 0
    | x :: xs' -> x + sum xs'

 # sum [1;2;3;4;5];;
 - : int = 15

Другой способ подсчёта суммы заключается в использовании функции свёртки:

let sum xs =
    List.fold_left (+) 0 xs

  # sum [1;2;3;4;5];;
  - : int = 15

Записи являются важным элементом в системе типов OCaml. Запись представляет собой набор хранимых вместе значений, при котором каждый элемент значения-записи доступен по своему имени — имени поля записи. Пример описания типа, связывания записи с переменной и доступ к полю записи[18]:

# type user =
    { login       : string;
      password    : string;
      nick        : string;
    };;
# let usr = { login = "myuser"; password = "secret"; nick = "aka" ; } ;;
val usr : user = {login = "myuser"; password = "secret"; nick = "aka"}
# usr.nick ;;
- : string = "aka"

Следует заметить, что тип переменной usr был установлен компилятором автоматически.

Как и в случае с другими типами, тип может быть параметризован. Другие возможности записей[18]:

• сопоставление с образцом (irrefutable)
• синтаксические уплотнение полей (field punning) записи в случае совпадения имён полей и переменных
• повторное использование полей и разрешение неоднозначности с помощью модулей
• функциональное обновление (functional update) записи
• изменяемые (mutable) поля
• fieldslib и поле записи как объект первого класса
• итераторы полей

Вариантный тип представляет данные, которые могут принимать различные формы, определяемые явно заданными метками. В следующем примере определён тип для базовых цветов[19]:

# type main_color = Red | Green | Blue ;;
# Blue ;; 
- : main_color = Blue
# (Red, Blue) ;;
- : main_color * main_color = (Red, Blue)

В примере выше вариантный тип используется в качестве перечислимого типа. В OCaml вариантный тип, тем не менее, является более богатым, так как помимо меток позволяет задавать и данные, например:

# type color_scheme = RGB of int * int * int | CMYK of float * float * float * float;;
type color_scheme =
    RGB of int * int * int
  | CMYK of float * float * float * float

При определении функций вариантный тип естественно сочетается с сопоставлением с образцом.

В OCaml объекты и их типы полностью отделены от системы классов. Классы используются для построения объектов и поддержки наследования, но не являются типами объектов. Объекты имеют собственные объектные типы (object types), и для работы с объектами классы применять необязательно. Объекты не так часто используются в OCaml (так, система модулей является более выразительной, чем объекты, так как модули могут включать типы, а классы и объекты — нет). Основным преимуществом объектов перед записями — они не требуют объявления типов и обладают большей гибкостью благодаря полиморфизму строчных переменных (англ. row polymorphism). С другой стороны, преимущества объектов проявляются при использовании системы классов. В отличие от модулей, классы поддерживают позднее связывание, что позволяет ссылаться на методы объекта без статически заданной реализации и использовать открытую рекурсию (в случае с модулями можно использовать функции и функторы, но синтаксически такие описания требуют написания большего количества кода)[20].

Хотя OCaml является языком программирования с сильной типизацией, система вывода типов (англ. type inference) позволяет определять тип выражения на основе имеющейся информации о его компонентах. В следующем примере функции проверки числа на чётность не указано ни одной декларации типа, и тем не менее у компилятора языка есть полная информация о типе функции[21]:

# let odd x = x mod 2 <> 0 ;;
val odd : int -> bool = <fun>

Помимо функциональных, язык содержит средства императивного программирования: функции с побочными эффектами, изменяемые (mutable) данные, императивные синтаксические конструкции, в частности, явные циклы while и for[22].

Следующий пример напечатает на стандартном выводе (это — побочный эффект функции printf) 11 строк:

for i = 0 to 10 do 
  Printf.printf "i =%d\n" i
done;;

В следующем (довольно искусственном) примере элементы массива на месте увеличиваются на единицу в цикле с предусловием. Для индекса массива используется ссылка (ref), которая инкрементируется в теле цикла:

# let incr_ar ar =
    let i = ref 0 in
    while !i < Array.length ar do
      ar.(!i) <- ar.(!i) + 1;
      incr i
  done ;;
val incr_ar : int array -> unit = <fun>
# let nums = [|1;2;3;4;5|];;
val nums : int array = [|1; 2; 3; 4; 5|]
# incr_ar nums;;
- : unit = ()
# nums;;
- : int array = [|2; 3; 4; 5; 6|]

Побочные эффекты позволяют оптимизировать вычисления, в особенности, когда речь идёт о значительных преобразованиях на больших массивах данных. Также с их помощью реализуются ленивые вычисления и мемоизация[22].

OCaml можно представить себе как состоящий из двух языков: язык ядра со значениями и типами и язык модулей и их сигнатур. Эти языки образуют два слоя в том смысле, что модули могут содержать типы и значения, а обычные значения не могут содержать модулей и модулей-типов. Тем не менее, OCaml предлагает механизм модулей первого класса, которые могут быть значениями и при необходимости преобразуются в обычные модули и обратно[23].

Система модулей OCaml не ограничивается модульной организацией кода и интерфейсами. Одними из важных инструментов обобщённого программирования являются функторы. Упрощённо говоря, функторы являются функцией из модуля в модули, что позволяет реализовать следующие механизмы[24]:

• Внедрение зависимости (англ. dependency injection)
• Авторасширение модулей (англ. autoextension of modules)
• Создание экземпляра (англ. instantiation) модуля с некоторым состоянием

Для запуска интерпретатора языка OCaml необходимо в консоли ввести следующую команду:

$ ocaml
       OCaml version 4.08.1
#

Вычисления можно производить в интерактивном режиме, например:

# 1 + 2 * 3;;
- : int = 7

Следующая программа «hello.ml»:

print_endline "Hello World!";;

может быть скомпилирована либо в байт-код:

$ ocamlc hello.ml -o hello

либо в оптимизированный машинный код:

$ ocamlopt hello.ml -o hello

и запущена:

$ ./hello
Hello World!
$

В следующем примере приведён алгоритм быстрой сортировки, который сортирует список в порядке возрастания:

let rec qsort = function
   | [] -> []
   | pivot :: rest ->
       let is_less x = x < pivot in
       let left, right = List.partition is_less rest in
       qsort left @ [pivot] @ qsort right