miniaturadeimagen|Captura con código fuente de Lisp, la familia más antigua de lenguajes de programación declarativa. El mismo programa usado para mostrar estas ventanas, StumpWM, a su vez está escrito en Lisp. En informática, la programación funcional es un paradigma de programación declarativa basado en el uso de verdaderas funciones matemáticas. En este estilo de programación las funciones son ciudadanas de primera clase, porque sus expresiones pueden ser asignadas a variables como se haría con cualquier otro valor; además de que pueden crearse funciones de orden superior.
La programación funcional tiene sus raíces en el cálculo lambda, un sistema formal desarrollado en los años 1930 para investigar la naturaleza de las funciones, la naturaleza de la computabilidad y su relación con la recursión. Los lenguajes funcionales priorizan el uso de recursividad y aplicación de funciones de orden superior para resolver problemas que en otros lenguajes se resolverían mediante estructuras de control (por ejemplo, ciclos).
Algunos lenguajes funcionales también buscan eliminar la mutabilidad o efectos secundarios; en contraste con la programación imperativa, que se basa en los cambios de estado mediante la mutación de variables. En programación funcional pura, si dos expresiones son sintácticamente iguales entonces siempre devolverán el mismo resultado. Es decir, son lenguajes con transparencia referencial. Lo anterior también puede ser aprovechado para diseñar estrategias de evaluación que eviten repetir el cómputo de expresiones antes vistas, o para evaluar distintas ramas de un programa en paralelo sin mayor preocupación.
Los lenguajes de programación funcional, especialmente los puramente funcionales, han sido enfatizados en el ambiente académico y no tanto en el desarrollo comercial o industrial. Sin embargo, lenguajes de programación funcional como Lisp (Scheme, Common Lisp, etc.), Erlang, Rust, Objective Caml, Scala, F#, Clojure, Racket, Wolfram Language y Haskell, también han sido utilizados en aplicaciones comerciales e industriales. También es utilizada en la industria a través de lenguajes de dominio específico como R (estadística), Mathematica (cómputo simbólico), J y K (análisis financiero). Los lenguajes de uso específico usados comúnmente como SQL y Lex/Yacc, utilizan algunos elementos de programación funcional, especialmente al procesar valores mutables. Las hojas de cálculo también pueden ser consideradas lenguajes de programación funcional.
Otros lenguajes de programación no están diseñados específicamente para seguir un estilo funcional, sin embargo lo ofrecen como alternativa. Por ejemplo, Perl, JavaScript y Python fueron diseñados con capacidades de programación funcional, además de incorporar otros paradigmas. Versiones recientes de lenguajes originalmente sin capacidades funcionales, como C++ y Java, han ido incorporando algunos conceptos de la programación funcional.
Utilidad La programación funcional se caracteriza por dividir la mayor cantidad posible de tareas en funciones, de esta forma estas tareas pueden ser usadas por otras funciones con diferentes objetivos.
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.
Este paradigma, por no contener datos mutables, se caracteriza por ser usado para el manejo de información y no para la creación o modificación de la misma.
Características miniaturadeimagen|fold(f, [1,2,3,4,5])
Función de orden superior ¨fold¨ (también llamada "reduce"). Toma una función arbitraria f de aridad 2 (por ejemplo, la suma) así como una lista de argumentos. Luego aplica la función a una pareja de la lista, y el resultado se usa para aplicar la función recursivamente con el siguiente elemento de la lista. Esto puede ser usado, por ejemplo, para imitar un bucle "for" o "while" con una variable acumuladora o sumatoria. 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.
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 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.
Funciones de primera clase y de orden superior
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 .
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).
Las funciones de orden superior permiten la aplicación parcial y la currificación, 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.
Funciones puras 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:
Si no se utiliza el resultado de una expresión pura, se puede eliminar sin afectar a otras expresiones.
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).
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.
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).
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".
Recursividad
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.
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.
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.
Evaluación estricta frente a la no estricta 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:
print length([2+1, 3*2, 1/0, 5-4])