Programmation fonctionnelle

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1 Programmation fonctionnelle
Plan: Lisp Un Resumé du Scheme Une session Scheme Scheme: Structures de données simples Structures de données composées Évaluation de fonctions Construction de listes et accès aux éléments Expressions fonctionnelles et définition de fonctions contrôle Fonctions de haut niveau

2 Lisp La programmation fonctionnelle a commencé vers la fin des années 1950 (Veuillez relire la section 2.4). Plusieurs dialectes, Lisp 1.5 (1960), Scheme (1975), Common Lisp (1985)…[LISP = LISt Processor] [Il y a aussi d’autre langages fonctionnels: Hope, ML, Miranda, Haskell.] Plusieurs langages fonctionnels (dont Lisp) ont comme fondation mathématique le -calcul (lambda-calcul), un système qui permet aux fonctions d’être les valeurs d’une expression.

3 Lisp (2) Mécanismes de control fondamentaux: Application de fonctions
Composition de fonctions Instructions conditionnelles récursivité Les structures de données sont simples: listes, atomes (symboles et nombres).

4 Lisp (3) Les programmes et données sont exprimés à l’aide de la même syntaxe: L’application de fonctions et les instructions conditionnelles sont écrites comme des listes, en parenthèse, avec le nom de l’instruction comme préfixe. Le programme et les données sont distinguées selon le contexte. Cette uniformité des données et du programme permettent une grande flexibilité et expressivité: Les programmes peuvent être manipulés comme des données. Un interpréteur de LISP d’ une page en LISP a été à la base de la première implémentation en bootstrapping d’un langage de programmation (une technique très puissante)

5 Lisp (4) 5 fonctions primitives: cons — construit une liste,
car — la tête d’une liste, cdr — la queue d’une liste, eq — Égalité d’atomes (Booléenne), atom — Vérifie si une atome (Booléenne); Deux autres opérations essentielles: L’évaluation d’expressions, Appliquer une fonction aux paramètres (déjà évalués)

6 Lisp (5) Lisp est utilisé de façon interactive (comme Prolog):
Aucun programme principal, L’interpréteur évalue les expressions et retourne leur valeur (les expressions peuvent invoquer des fonctions très compliquées), Un programme Lisp est une collection de fonctions qui peuvent être invoquées directement ou indirectement par l’interpréteur. Toute expression est évaluée: Il faut dire explicitement à Lisp de ne pas évaluer quelque chose (avec quote) Un atome est traité littéralement: il n’est que lui même et n’a d’autre valeur que son nom.

7 Lisp (6) Lisp 1.5 à plusieurs points faibles:
Syntaxe peu commode (mais élégante et uniforme). Règles à porté dynamique [Que nous verrons plus tard] Traitement inconsistant des fonctions en tant que paramètres (due à la porté dynamique).

8 Un Resumé du Scheme Scheme est un sous-ensemble de Lisp.
Il fait la distinction entre nombres et symboles La porté est lexicale (plutôt que dynamique) Corrige le problème du traitement des paramètres (grâce à la porté lexicale): Les fonctions sont des objets de première classe, c’est à dire qu’elles peuvent être créées, assignées à des variables, passées comme paramètres, retournées comme valeurs. Les structures de données, en Scheme sont simples, uniformes et versatiles. Comme pour Lisp 1.5, on les appelles S-expressions.

9 Le system Scheme pour ce cours
Veuillez vous connecter (via ssh) a site1, et taper scm au prompt. % scm SCM version 5d3, Copyright (C) Free Software Foundation. SCM comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY; for details type `(terms)'. This is free software, and you are welcome to redistribute it under certain conditions; type `(terms)' for details. ;loading /usr/local/lib/slib/require ;done loading /usr/local/lib/slib/require.scm ;loading /usr/local/lib/scm/Transcen ;done loading /usr/local/lib/scm/Transcen.scm ;Evaluation took 50 mSec (0 in gc) cells work, 4000 env, bytes other > A ce moment la, vous êtes en dialogue avec la boucle interactive supérieure. Vous pouvez, par example, taper (terms) ou (exit) ou (quit) ou vous pouvez continuer…

10 Une session Scheme % scm > ( cons 'alpha '( beta ) ) (alpha beta)
> ( cons 'alpha '( beta ) ) (alpha beta) > ( symbol? 'alpha ) #t > ( symbol? '( alpha ) ) #f

11 Une session Scheme(2) > ( null? 'alpha ) #f > ( null? () ) #t
> ( null? () ) #t > ( number? 'alpha ) > ( number? 23 ) > ( symbol? alpha ) ERROR: unbound variable: alpha ; in expression: (... alpha) ; in top level environment. 

12 Une session Scheme (3) > ( define alpha 5 ) #<unspecified>
> ( number? alpha ) #t > ( symbol? alpha ) #f > ( cdr ( cons 'x '( y z ) ) ) (y z) > ( cons 'x ( cdr '( y z ) ) ) (x z) > ( ) 3

13 Une session Scheme(4) > ( define ( addOne x ) ( + x 1 ) )
#<unspecified> > ( addOne ( addOne 15 ) ) 17 > ( define ( myAnd x y ) ( if x y #f ) > ( myAnd ( symbol? '(a) ) ( eq? 'a 'a ) ) #f > ( and ( symbol? '(a) ) ( eq? 'a 'a ) )

14 Une session Scheme(5) > ( define ( myOr x y ) ( if x #t y ) )
#<unspecified> > ( myOr ( symbol? '(a) ) ( eq? 'a 'a ) ) #t > ( or ( symbol? '(a) ) ( eq? 'a 'a ) ) > ( eq? 'a 'a ) > ( eq? 'a 'b ) #f > ( eq? '( a ) '( a ) )

15 Une session Scheme(6) > ( define ( numberList? x )
( if ( not ( list? x ) ) #f ( if ( null? x ) #t ( if ( not ( number? ( car x ) ) ) ( numberList? ( cdr x ) ) ) ) ) ) #<unspecified> > ( numberList? ' ( ) )

16 Une session Scheme (7) > ( define ( numberList? x ) ( cond
( ( not ( list? x ) ) #f ) ( ( null? x ) #t ) ( ( not ( number? ( car x ) ) ) #f ) ( else ( numberList? ( cdr x ) ) ) ) ) > ( numberList? ' ( ) ) #t > ( numberList? ' ( bad 4 ) ) #f

17 Une session Scheme (8) > ( define ( eqExpr? x y ) ( cond
( ( symbol? x ) ( eq? x y ) ) ( ( number? x ) ( eq? x y ) ) ; x must be a list now: ( ( null? x ) ( null? y ) ) ; x must be a non-empty list now: ( ( null? y ) #f ) ( ( eqExpr? ( car x ) ( car y ) ) ( eqExpr? ( cdr x ) ( cdr y ) ) ) ( else #f ) ) ) > ( eqExpr? '( a b ( c d ) ) '( a b ( c d ) ) ) #t > ( eqExpr? '( a b ( c d ) ) '( a b ( c d e) ) ) #f

18 Une session Scheme (9) > ( define ( member? K L ) ( cond
( (null? L ) #f ) ( ( eqExpr? K ( car L ) ) #t ) ( else ( member? K ( cdr L ) ) ) ) ) #<unspecified> > ( member? 'aa '( bb cc aa ee rr tt ) ) #t > ( member? 'aa '( bb cc (aa) ee rr tt ) ) #f

19 Une session Scheme (10) > ( define ( append L1 L2 ) ; built-in!
(if ( null? L1 ) L2 ( cons ( car L1 ) ( append ( cdr L1 ) L2 ) ) ) ) WARNING: redefining built-in append #<unspecified> > ( append '( ab bc cd ) '( de ef fg gh ) ) (ab bc cd de ef fg gh) > ( exit ) ;EXIT

20 Structures de données simples
Nombres: entiers ou floats. Une variable est un nom lié à une donnée, par exemple: (define pi ) Une variable a un type implicite, dépendant de sa valeur. Elle peut prendre une valeur d’un autre type: (set! pi ) (set! pi 'alpha) (set! pi (cons pi '(rho))) Un symbole est un nom n’ayant d’autre valeur que lui même.

21 Structures de données composées
Le format générale d’une liste: (E1 E En) où Ei est une S-expression. Dépendamment du contexte, une liste peut être traité littéralement (comme une donnée): ((William Shakespeare) (The Tempest)) ou comme une application de fonction avec les paramètres passés par valeur: (append x y)

22 Structures de données composées (2)
Une liste (E1 E En) est produite par cons: (cons E1 (cons E2 ... (cons En ()) ... )) produit: (E1 . (E2 ... (En . ( )) ... )) On a aussi les paires ‘pointées’, peu utilisées en pratique: cons( ) produit: ( . )

23 Évaluation de fonctions
Avec: une liste (E0 E En) Étape 1 Évalue E0 pour obtenir V0, Évalue E1 pour obtenir V1, ......, Évalue En pour obtenir Vn. V0 doit être une fonction, V1, ..., Vn sont des données. Étape 2 Applique V0 à V1, ..., Vn C’est à dire, calcule V0(V1, ..., Vn).

24 Quote L’évaluation est bloquée par quote:
(quote pi) ou de façon équivalente: 'pi Si pi est défini ainsi: (define pi ) Exemples: (* 2.0 pi) retourne (* 2.0 'pi) paramètre invalide ('* 2.0 'pi) fonction invalide (write 'pi) affiche le symbole pi (write pi) affiche

25 Construction de listes et accès aux éléments
Les listes sont définies récursivement: Une liste vide: (), Une liste non-vide: (cons a x) où x is a list. La tête et la queue d’une liste: (car (cons a x)) retourne a (cdr (cons a x)) retourne x (car ()) et (cdr ()): paramètre invalide

26 Accès aux éléments Une convention de notation pour accéder aux autres éléments de la liste: (caar x)  (car (car x)) (cdadr x)  (cdr (car (cdr x)))) Par exemple, l’évaluation suivante se fait en 4 étapes: (caadar '((p ((q r) s) u) (v))) (caadr '(p ((q r) s) u)) (caar '(((q r) s) u)) (car '((q r) s)) '(q r) Le deuxième élément d’une liste x — si il existe: (cadr x) Le troisième, quatrième, ... : (caddr x), (cadddr x), ...

27 Fonctions primitives car, cdr, cons sont les fonctions primitives qui permettent l’accès aux listes. Trois autres sont des prédicats: des fonctions qui retournent #t ou #f. (symbol? x) #t ssi x est un symbole symboles, (number? x) ssi x est un nombre, (eq? x y) ssi x et y sont des symboles et sont égaux.

28 Autre fonctions Autre fonctions (elle peuvent être définie à partir des primitives): (equal? x y) vrai ssi x et y sont des objets identiques (pas nécessairement atomique) (null? x) si x est () – la liste vide. (append x y) concatène les listes x et y.

29 Définir des fonctions Une définition lie l’expression d’une fonction à un nom: (define (square x) (* x x)) ou, de façon équivalente: (define square (lambda (x) (* x x))) Le nom d’une fonction peut être évaluée: > square #<CLOSURE (x) (* x x)> Les fonctions n’ont pas nécessairement de nom! > ((lambda (x) (* x x x)) 3) 27

30 Contrôle Les structures de contrôle en Scheme, comme en Lisp, sont simple. Il n’existe pas de boucles. Il y a l’application de fonctions, l’expression conditionnelle, et la séquence (une concession aux programmeurs habitués aux langages impératifs): > (begin (print 'okay) (print '(great))) okay (great) ;Evaluation took [...] La valeur retournée par (begin ...) est la valeur du dernier terme.

31 Instructions conditionnelles
(cond (C1 E1) (C2 E2) (Cn En) (else En+1)) La dernière partie, (else En+1), est optionnelle. (Ci Ei) représente une paire condition-expression. Les pairs sont évaluées de gauche à droite. On arrête quand on trouve un Ci qui est vrai (qui retourne #t ). On retourne le Ei correspondant. else est évalué comme #t.

32 Cas spécial: if (cond (C1 E1) (else E2)) Peut être abrégé:
(if C1 E1 E2)

33 D’autre exemples de fonctions
(define (same_neighbours? l) (cond ((null? l) #f) ((null? (cdr l)) #f) ((equal? (car l)(cadr l)) #t) (else (same_neighbours? (cdr l))) ) )

34 Pile en Scheme (define (empty? stack) (null? stack) )
)  (define (pop stack) (if (empty? stack) stack (cdr stack) ) ) (define (push el stack) (cons el stack) ) (define (top stack) (if (empty? stack) () (car stack) ) )

35 Minimum d’une liste (define (minL Lst) (if (null? Lst) Lst
(minL-aux (car Lst)(cdr Lst)) ) ) (define (minL-aux Elt Lst) (cond ((null? Lst) Elt) ((> Elt (car Lst)) (minL-aux (car Lst)(cdr Lst))) (else (minL-aux Elt (cdr Lst)))

36 Minimum d’une liste, une variante a porte locale
(define (minL-aux Elt Lst) (if (null? Lst) Elt (let ((carl (car Lst)) (cdrl (cdr Lst))) (if (> Elt carl) (minl-aux carl cdrl) (minl-aux Elt cdrl) ) ) ) )

37 Un autre exemple de portée locale
> (define (quadruple x) (let ((double (lambda (x) (+ x x)))) (double (double x)) ) ) #<unspecified> > (quadruple 8) 32 > (double 8) unbound variable: double ; in expression: (... double 8) ; in top level environment.

38 Un autre exemple de portée locale (2)
> (define (quadruple x) (define (double x) (+ x x)) (double (double x)) ) #<unspecified> > (quadruple 8) 32 > (double 8) unbound variable: double ; in expression: (... double 8) ; in top level environment.

39 Fonctions de haut-niveau
Certaine fonctions prennent des fonctions comme paramètres. > (define (combine Fun1 Fun2 X) (Fun1 (Fun2 X)) ) > (combine (lambda (x) (+ 1 x)) (lambda (x) (* 2 x)) 6) > (combine (lambda (x) (* 2 x)) (lambda (x) (+ 1 x)) Équivalent à: > ((lambda (x) (+ 1 x)) ((lambda (x) (* 2 x)) 6)) > ((lambda (x) (* 2 x)) ((lambda (x) (+ 1 x)) 6))

40 Fonctions de haut-niveau (2)
Un exemple classique: map, l’opération qui applique une fonction aux éléments d’une liste: (E1 E En)  ((f E1) (f E2) (f En)) (define (map F Lst) (if (null? Lst) Lst (cons (F (car Lst)) (map F (cdr Lst))) ) ) Par exemple (map (lambda(x) (+ x 1)) '(1 2 3)) retourne: (2 3 4)

41 Fonctions de haut-niveau (3)
Une version de map qui applique la fonction à chaque éléments sans retourner la liste résultante: (define (do-for-all F L) (if (null? L) L (let ((dummy (F (car L)))) (do-for-all F (cdr L)) ) ) ) Par exemple: (do-for-all write '(1 2 3))

42 Fonctions de haut-niveau (4)
Voici un petit exercice: (define (f) (lambda (x) (+ 1 x))) Quelle est la valeur de cette fonction?

43 Réducteurs Soit F une opération binaire, c’est à dire, à deux paramètres. Soit F0 une constante. On veut exprimer la transformation suivante: (E1 E En)  (F E1 (F E2 (F (F En F0) ))) Qui s’exprime plus facilement avec une notation infixe: (E1 E En)  E1 F E2 F F En F F0

44 Reducteurs (2) Example: (E1 E2 ...... En)  E1 + E2 + ...... + En + 0
(define (reduce F F0 L) (if (null? L) F0 (F (car L) (reduce F F0 (cdr L))) ) )

45 Reducers (3) > (reduce + 0 '(1 2 3 4)) > (reduce * 1 '(1 2 3 4))
> (reduce (lambda (x y) (+ x y 1)) '(1 2 3)) > (reduce cons () '( )) > (reduce append () '((1) (2) (3)))

46 Noms pre-determines Manipulation de liste Pour définir car cdr cons
append list length caar, cadr, cdar, cddr, ..., caaaar, ..., cddddr Pour définir define lambda

47 Noms pré-determinés (2)
Contrôle if cond else let begin Logique not and or #t #f Arithmétique et comparaison < > * <= / >= max = min

48 Noms pré-déterminés (3)
Prédicats symbol? number? integer? real? list? null? eq? equal? procedure? fonctions I/O write display print read Divers load map quote set!