Haskell

Haskell — функциональный язык программирования, характеризующийся полной, строгой и статической типизацией с автоматическим выведением типов, поддержкой ленивых вычислений. Был разработан в 1990 году и первоначально использовался как инструмент для математических и научных исследований. Сегодня является одним из самых востребованных функциональных языков и достаточно широко применяется в промышленном программировании.

История

Предпосылкой к появлению компьютерного языка «Хаскелл» стала разработка в 1985 году другого функционального ЯП — «Миранда», в котором впервые была реализована концепция «ленивых» вычислений. Несмотря на то что «Миранда» получила хорошую коммерческую поддержку, этот язык распространялся по проприетарной лицензии и был закрыт для свободного исследования и развития. 

Чтобы обойти это ограничение, различные разработчики начали создавать во второй половине 80-х годов разные свободные функциональные языки программирования, одним из которых и стал Haskell. Свое название он получил в честь американского математика Хаскелла Карри, который изобрел комбинаторную логику и развивал теорию типов. 

Первая версия Haskell появилась в 1990 году, а через 8 лет комитет разработчиков представил The Haskell 98 Report. Именно этот стандарт по сей день остается основным, хотя совершенствование «Хаскелла» не останавливается и в него постоянно вносятся новые улучшения. Во многом это стало возможным благодаря открытому характеру языка: комитет, который занимается разработкой, бесплатно принимает предложения от всех желающих. 

Общая характеристика языка Haskell

Язык программирования «Хаскелл» относится к категории функциональных. Написанная на нем программа представляет собой набор функций в математическом смысле, то есть как зависимостей (соответствий) между элементами (аргументом и значением) двух множеств. При этом для вычисления значения функции имеют только исходные данные независимо от того, в каком порядке оно происходит. 

Функция в Haskell — это основная структурная единица кода. Задача программиста заключается в описании ее таким образом, чтобы компилятору (программе, переводящей текст в машинный код) было понятно:

• какие параметры могут перейти в функцию;
• какие действия с ними нужно выполнить;
• в каком виде представить полученный результат. 

Важной характеристикой языка «Хаскелл» является «ленивость». То есть функции вычисляются по мере их необходимости. Если для исполнения программы в каком-то случае не нужно знать значение конкретной функции — она откладывается «на потом». Этот принцип получил название «ленивых» (или отложенных) вычислений. Например, в программе «Калькулятор» заложено много функций, в том числе сложение, вычитание, умножение, деление и т.д. Но если пользователю в данный момент требуется именно сложение, будет выполнено только оно. 

К другим важным характеристикам Haskell относятся:

Строгая статическая типизация. Тип данных — это категория элементов некоторого множества, к которым могут быть применены какие-либо определенные операции. Иными словами, он определяет, что это за данные, какие у них могут быть значения и что с ними можно сделать. У «Хаскелла» строгая и статичная система типов — это значит, что они четко различаются между собой, и это разделение задается еще на этапе компиляции, а не в процессе выполнения программы. Однако в данном языке есть особый тип данных, который называется монадой. Он представляет собой контейнер, содержащий значение произвольного типа. Наличие монад помогает выполнять на функциональном Haskell некоторые действия, свойственные императивному программированию: например, задавать последовательность операций, выполнять функции с побочными эффектами и т.д.

Модульность. Программы, написанные на «Хаскелле», представляют собой совокупность независимых друг от друга блоков, каждый из которых выполняет определенную функцию. При этом программный код разбивается на отдельные файлы, содержащие модули. Такая структура упрощает разработку и тестирование ПО — при необходимости внести изменения или исправить ошибку можно только в конкретном модуле или элементе, не переделывая всю программу. Кроме того, модульность помогает ускорить разработку программного продукта, разделив модули между отдельными командами разработчиков. 

Чистота. «Хаскелл» работает только с чистыми функциями, для которых характерны:

• строгая детерминированность — то есть каждому значению аргумента соответствует только одно значение функции;
• отсутствие побочных эффектов — воздействий функции на среду ее выполнения, таких как вызов обработчиков исключительных ситуаций (проще говоря, ошибок), чтение и изменение значений глобальных переменных и т.д.

Однако, так как для некоторых задач программирования требуются и недетерминированность, и присутствие побочных эффектов, в «Хаскелле» эти возможности предусмотрены с помощью монад. 

Параметрический полиморфизм. Это способность оперировать значениями различных типов одним и тем же образом. Она повышает выразительность языка программирования и позволяет многократно использовать один фрагмент кода для работы с разными данными, что существенно упрощает и ускоряет разработку программного обеспечения. Проще говоря, программисту не нужно писать для обработки каждого типа данных свой код — достаточно использовать уже имеющийся, если он подходит. 

Частичное применение. В «Хаскелле» по умолчанию функции с несколькими аргументами (многоместные) представляются как функции высшего порядка, в которых аргументами являются другие функции. Благодаря этому к функции можно «привязать» не особо важные или редко меняющиеся аргументы, а принимать (то есть непосредственно работать) она будет с важными и часто меняющимися. 

Преимущества языка Haskell

Из особенностей «Хаскелла» вытекают и основные его преимущества перед другими языками программирования:

• «Чистые» и «нечистые» слои языка четко разделены, благодаря чему программисту легче работать с обоими по отдельности, что способствует пониманию кода не только тем, кто его написал, но и сторонним разработчиком.
• За счет разделения кода на отдельные блоки существенно упрощается тестирование программного обеспечения. Найти и исправить ошибку в отдельном модуле гораздо легче, к тому же не нужно переделывать весь программный продукт. Также это повышает устойчивость кода к ошибкам: если они происходят в одном модуле, то не обязательно отразятся на всей системе.
• Благодаря открытому характеру языка существует множество инструкций, библиотек готовых решений, справочных рекомендаций, книг по Haskell и других полезных материалов. Сформировалось довольно мощное комьюнити профессионалов и любителей: если разработчик столкнулся с проблемой во время работы над продуктом, у него есть где бесплатно попросить помощи или самостоятельно найти решение.
• Строгая типизация не позволяет смешивать значения различных типов и проводить неявные вычисления. Это существенно снижает вероятность ошибки или побочных эффектов при программировании. Если же разработчик все же использует неявные преобразования (Haskell это допускает), то сразу будет видеть, где код может сработать не так, как надо.
• За счет того, что типы присваиваются и проверяются еще на этапе компиляции, этот процесс не нужно проводить во время работы программы. Также за счет «ленивости» вычислений программа не тратит ресурсы на выполнение ненужных в данный момент функций, задействуя только необходимые. Соответственно, повышается скорость исполнения программного кода. 
• Благодаря тому что функции в Haskell исполняются по мере востребованности, а не в порядке, прописанном программистом, с помощью этого языка достаточно просто добиться многозадачности и параллельного вычисления. Это тоже положительно влияет на быстродействие программы.
• Для «Хаскелла» разработано множество инструментов тестирования и отладки, интеграции с кодом на других языках программирования и т.д. Все это способствует тому, что он может успешно применяться не только для обучения или в академических интересах, но и для решения практических задач — от математических и научных расчетов до разработки приложений.

Недостатки языка Haskell

• Специфичный синтаксис, который может поначалу восприниматься как очень сложный и нерациональный. Особенно часто с этой проблемой сталкиваются опытные разработчики, привыкшие работать с языками в других, более мейнстримных парадигмах программирования. Напротив, Haskell для начинающих свой путь в программировании довольно прост, так как их сознание еще не настроено на конкретную парадигму.
• «Хаскелл» развивается неравномерно на различных платформах — его основные разработчики делают упор на Linux и MacOS и недостаточно уделяют внимание Windows. Из-за этого программисты, работающие на последней, сталкиваются с нехваткой инструментов, запозданием обновлений и другими проблемами. 
• Хотя для Haskell существует множество репозиториев и библиотек, зачастую в них имеются только решения для типовых проблем. Если программист сталкивается с нестандартной задачей, то придется либо решать ее самостоятельно, либо обращаться за помощью к представителям сообщества.
• Активно развивается только основной компилятор Haskell GHC, причем это развитие происходит неравномерно. Из-за этого часто возникают проблемы с обратной совместимостью.
• Для Haskell на данный момент не существует хороших интегрированных сред разработки. Те, которые имеются сейчас, предлагают очень ограниченный набор возможностей вроде подсветки синтаксиса или простого автозаполнения по словарю. Другие функции, например навигация или рефакторинг (изменение внутренней структуры программы, не затрагивающее ее поведение), либо отсутствуют, либо очень неоптимизированные. 

Применение Haskell

Язык программирования Haskell появился и первое время развивался в академической среде. Поэтому первой сферой его применения стало решение математических задач, проведение научных исследований, а также теоретическое изучение концепции функционального программирования как такового. Часто программисты, привыкшие работать с другими языками программирования, говорят, что изучать Haskell нужно только ради понимания его самого, а значимой практической ценности он не имеет. Это утверждение далеко от действительности — «Хаскелл» помогает решать те же самые практические задачи, что и большинство распространенных языков программирования. Вот лишь часть из них:

• Создание ПО для разработчиков. На языке «Хаскелл» написаны многие компиляторы для других языков, среды разработки, инструменты тестирования и т.д. За счет его функционального характера разработчикам проще оптимизировать преобразование программного кода в машинный, найти недочеты и уязвимости в ПО.
• Разработка других языков программирования. Созданный в академической среде, Haskell представляет собой как бы фундаментальный язык, который может использоваться для создания более прикладных, предметно ориентированных ЯП. Например, на его основе разработан Cryptol, на котором создаются криптографические алгоритмы, Bluespec SystemVerilog, с помощью которого проектируются и верифицируются полупроводниковые схемы, и т.д.
• Обработка и синтаксический анализ текста. С помощью Haskell можно создать простые и эффективные инструменты для анализа любого естественного или искусственного языка (включая компьютерные). Это достигается за счет того, что на «Хаскелле» проще задавать правила, которым подчиняется знаковая система. С его помощью можно разделять фразы и предложения на отдельные словосочетания, слова и предлоги, выявлять между ними связи, находить ошибки и неправильные конструкции. Все это используется в системах компьютерного анализа текста, используемых лингвистами, редакторами, копирайтерами, SEO-специалистами и т.д.
• Финансовые инструменты. Одно из требований, предъявляемых к ПО в финансовой сфере, — точность вычислений и отсутствие ошибок, цена которых может достигать миллиардов долларов. Поэтому многие системы для торговли на биржах, анализа рисков, учета банковских транзакций, бухучета и т.д. проектируются именно на Haskell.
• Обработка данных. Так как в «Хаскелле» данные четко разделены по типам, анализировать их и работать с ними становится значительно проще. Эту особенность языка эффективно используют и для фундаментальных исследований в Data Science, и для решения прикладных задач, связанных с обработкой больших массивов различной информации. Смежной сферой применения Haskell является разработка систем принятия решений, которые неизменно связаны с анализом данных.
• Прикладное программирование. «Хаскелл» активно используется для разработки сугубо прикладных приложений — десктопных, мобильных, серверных и т.д. Помимо компиляторов и других программ для разработчиков, на этом языке написаны некоторые операционные системы (например, экспериментальная House), текстовый редактор Yi, фреймовый оконный менеджер Xmonad и другие программные продукты. Также Haskell применяется в игровой сфере — например, для моделирования городских ландшафтов. 
• Обучение. «Хаскелл» хорошо подходит для изучения основ функционального программирования за счет относительно простого синтаксиса и семантики, наличия большого количества справочных материалов, инструкций и поддержки комьюнити. Многие программисты считают, что этот язык является подходящим для понимания принципов программирования вообще. 

Перспективы и проблемы Haskell

Развитие и применение языка программирования «Хаскелл» сталкивается с определенными проблемами:

• Низкой коммерческой поддержкой. Хотя Haskell может применяться для решения прикладных задач, сам язык не так активно поддерживается крупными игроками рынка, как его более распространенные собратья вроде JavaScript, C++, Python и т.д. Во многом это объясняется как специфичностью самого функционального программирования, так и закрепившейся за языком репутацией «академического».
• Непониманием со стороны сообщества. Многие начинающие и опытные программисты, изучающие другие парадигмы программирования, с трудом переходят на «Хаскелл» из-за его непривычности. Это создает ему репутацию «трудного языка», который к тому же мало востребован на рынке, чтобы тратить время и силы на его изучение.
• Появление других функциональных языков. «Хаскелл» во многом был и остается экспериментальной платформой, на которой исследуются различные возможности функционального программирования. Из-за этого, с одной стороны, в языке встречаются недочеты, с другой — его удачные решения «перетекают» в более новые языки, такие как Rust, PureScript. Они лишены его недостатков и «детских болезней», из-за чего выглядят более перспективными.

Тем не менее постепенно востребованность Haskell в прикладном программировании растет, хотя на сегодняшний день он по-прежнему сильно уступает по популярности другим распространенным языкам программирования. Специалисты неоднозначно оценивают его будущее, хотя в общем сходятся на том, что у этого ЯП большой потенциал, в том числе и в сфере прикладного ПО.