Краткое пособие по языку программирования OCaml

Цель данного пособия - познакомить с основами OCaml, который относится к разряду функциональных (аппликативных) языков программирования.

У функциональных языков, ведущих свою "родословную" от Лиспа, сложная и интересная судьба. Эти языки, любимые в университетах, научных институтах и центрах, почти незнакомы широким массам разработчиков.

Не будучи промышленными языками программирования, функциональные языки, тем не менее, являются носителями множества интересных концепций и возможностей, с которыми необходимо познакомиться любому профессионалу в области ИТ. В разные периоды времени, когда традиционные императивные языки выходят из моды, заменяются на более современные, функциональные языки демонстрируют удивительную актуальность в любые времена. Можно утверждать, что они намного опередили свое время, а может быть именно их время ещё не пришло.

OCaml достаточно широко используется на Западе для обучения языкам программирования, курсы по нему можно найти во многих университетах мира. На странице https://ocaml.org/learn/teaching-ocaml.html приведен внушительный список университетских курсов, изучающих OCaml.

Приходится выразить сожаление, что OCaml в России почти неизвестен и практически нет книг и пособий, посвящённых ему, за исключением перевода документации и книг…

• Язык является мультипарадигмальным, то есть поддерживает несколько парадигм программирования. Среди них:
  • функциональная
  • императивная
  • объектно-ориентированная.
• Язык обладает высокой степенью выразительности, облегчающей его освоение и использование.
• Пакет разработчика предоставляет возможность как компиляции кода программы в бай-код или в машинный код, а также работу с программой в режиме интерпретатора.
• Управление памятью в программах полностью автоматическое.
• Ocaml обеспечивает статическую и строгую типизацию, что обнаруживает ошибки ещё на этапе компиляции.

Основной ресурс OCaml расположен по адресу https://ocaml.org, там же можно найти ссылки на установочные пакеты для большого числа операционных систем. После загрузки и развёртывания пакета разработчика (можно произвести установку на обычный флеш-накопитель и использовать как portable-приложение) пользователю доступны следующие программы:

• ocaml - интерпретатор;
• ocamlc - компилятор в байт-код;
• ocamlopt - компилятор в машинный (native) код;

Представляет интерес использование редактора MS Visual Studio Code, далее сокращенно vscode для разработки. Необходимо установить расширение редактора https://github.com/hackwaly/vscode-ocaml или https://github.com/reasonml-editor/vscode-reasonml для комфортной работы. В качестве интерпретатора можно использовать ocaml или (что еще лучше)- utop.

Менеджер пакетов OCaml называется opam. С помощью этой программы устанавливается большинство библиотечных пакетов.

Для перехода в режим интерпретатора нужна запустить программу ocaml. Появится приглашение командной строки (#) и система переходит в режим REPL.

OCaml version 4.07.0

# 

Read Eval Print Loop является одним из самых популярных режимов работы с программами на OCaml. Вы просто набираете в интерпретаторе выражения, а потом видите результат их исполнения.

Рассмотрим примеры использования OCaml в качестве калькулятора:

# 3 + 5;;

Результат выполнения:

OCaml является строготипизированным языком, так что появление int в ответе не должно удивлять. Тип результата выражения должен совпадать с типами операндов. Попробуйте смешать в одном выражение целочисленную и вещественную константы и вы немедленно получите сообщение об ошибке:

# 3 + 5.7;;
Characters 2-5:
  3+5.7;;
    ^^^
Error: This  expression has type float 
but an expression was expected of type
int

На первый взгляд, такое поведение интерпретатора может показаться странным, но не будем забывать, что именно с неявным преобразованием типов в программах начинают появляться трудноуловимые ошибки.

Знаки операций для целых и вещественных чисел отличаются: + и +.

# 1.7 +. 7.1;;
- : float = 8.7999999999999989

Для преобразования значений из одного типа в другой существуют специальные функции int_of_float и float_of_int:

# int_of_float 1.7 + 4;;
- : int = 5
# 1.7 +. float_of_int 4;;
- : float = 5.7

Для выхода из интерпретатора в ОС нужно выполнить команду exit 0;;

В качестве основных типов используются:

Операции над целыми значениями:

Операции над вещественными значениями:

Для работы с вещественными числами можно использовать встроенные функции:

Дополнительно к типам (множественным) относят:

• кортежи
• списки
• массивы

Пример действий над строками (конкатенации):

# "Hello " ^ "world!";;
- : string = "Hello world!"

Преобразование из строки в целое и обратно:

# string_of_int 12;;
- : string = "12"
# int_of_string "-56";;
- : int = -56

Пример действий с символьным типом:

# int_of_char('A');;
- : int = 65

Для работы с логическим типом имеются логические операции:

Для сравнения значений между собой используют такие операции:

Чем отличаются структурное и физическое равенства?

Структурное равенство позволяет сравнить значение полей структуры (при множественных типах), в то время как физическое сравнивает адреса в памяти. Следует помнить, что вещественные числа и строки относятся к структурным типам.

Как и во многих других языках в OCaml существует конструкция if..else для ветвления процесса вычисления

# if a=b then 1 else 2;;
- : int = 1

Можно вкладывать условные конструкции друг в друга:

# if 3=3 then if 2=2 then 1 else 2 else 3;;
- : int = 1
# if 3=4 then if 2=2 then 1 else 2 else 3;;
- : int = 3

С помощью конструкции let можно задавать имена различным экземплярам данных, а также объявлять функции.

Создадим именованную константу:

# let pi=3.14;;
val pi : float = 3.14

В дальнейшем можно использовать имена для построения других выражений:

# let pi2=2. *. pi;;
val pi2 : float = 6.28

Приведённые примеры использования let задают глобальные объявления, которые будут действовать на всём протяжении программы.

Одной из форм использования let является группировка глобальных объявлений:

# let a=1 and b=2 and c=3;;
val a : int = 1
val b : int = 2
val c : int = 3

Локальное объявление создаёт связь между именем и значеним в определённой области кода:

# let a=2 in a*a;;
- : int = 4

Аналогично можно использовать группировку при локальных обхявлениях:

# let a=2 and b=3 in a*b;;
- : int = 6

Действие локального объявления заканчивается в тот момент, когда программа выходит из локальной области. Если существовало глобальное объявление с тем же именем, то оно восстанавливается.

let a = 5;;
Printf.printf "%i\n" a;;
let a = 7 in 
  let b = a * a in
    Printf.printf "%i %i\n" a b;;
Printf.printf "%i\n" a;;

5
7 49
5

Очень важную роль в программах имеет конструкция match, сопоставляющую выражение с набором образцов:

# let test x=
  match x with
  | 1 -> "hello" 
  | 2 -> "by"    
  | _ -> "unknown";;             
val test : int -> string = <fun>
# test 1;;
- : string = "hello"

Пример с использованием сопоставления при работе со списками:

# let rec len x =
  match x with
  [] -> 0
  | hd :: tl -> 1+ len(tl);;
val len : 'a list -> int = <fun>
# len [1;2;3;4];;
- : int = 4

Пример, в котором реализуется процедура нахождения суммы элементов списка:

# let rec sumlist x = 
  match x with
  [] -> 0
  | hd::tl -> hd+sumlist tl;;
val sumlist : int list -> int = <fun>
# sumlist [1;2;3;4;5];;
- : int = 15

Режим REPL - не единственный режим работы OCaml. Можно подготовить файл с исходным кодом и загрузить его в интерпретатор, а можно скомпилировать, причём компиляция осуществляется либо в бай-код, либо в машинный код.

Рассмотрим, как можно загрузить файл в интерпретатор и выполнить его.

(* Содержимое hello.ml *)
Printf.printf "Hello, world!\n" 

Далее, мы загружаем подготовленный файл из интерпретатора:

# #use "путь/hello.ml";;
Hello, world!
- : unit = ()

При использовании команды use нужно указать либо абсолютный либо относительный путь к файлу с исходным кодом.

Можно вызвать интерпретатор и передать ему имя файла (а при необходимости ещё и параметры):

$ ocaml hello.ml
Hello, world!