Principais paradigmas de programação. Programação imperativa Programação funcional Programação lógica Programação OO

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2 Principais paradigmas de programação Programação imperativa Programação funcional Programação lógica Programação OO

3 Programação Imperativa É o paradigma mais usado. Programas são definidos através de sequências de comandos. Ocorre mutação de variáveis (atribuição). Laços são as estruturas básicas de controle. Programação OO: dependência do paradigma imperativo.

4 Programação Funcional Programas são expressões que eventualmente retornam um valor. Programação é feita através de valores imutáveis e operações envolvendo esses valores. Sem variáveis mutáveis, sem atribuição, sem laços e outras estruturas de controle imperativas. Funções como mecanismo básico de abstração. Funções como valores que podem ser produzidos, consumidos e combinados. Proximidade com a matemática -> facilita o trabalho dos compiladores

5 Introdução à Programação Funcional Origem do paradigma Alonzo Church and Haskell Curry. Década de 30: Alonzo Church desenvolveu as bases do Cálculo Lambda. Formalismo matemático para definir e invocar funções

6 Introdução à Programação Funcional Haskell Curry desenvolveu os princípios da lógica combinatória Mostra como combinar funções para representar tarefas de computação.

7 Introdução à Programação Funcional Expansão do paradigma Permite estruturar computações com efeitos colaterais (que mudam o estado do programa) separados do código. Objetivo do Paradigma Funcional: Escrever código sem efeitos colaterais

8 Introdução à Programação Funcional Efeitos colaterais Na matemática, uma função possui efeito colateral se ela realiza alguma operação diferente do cálculo de seu retorno Qualquer operação além do retorno altera o estado do programa. Exemplos: Modificar uma variável dentro da função; Modificar uma estrutura de dados; Ler uma entrada digitada pelo usuário; Imprimir alguma informação na console;...

9 Introdução à Programação Funcional Conceito: Funções sem efeitos colaterais: não alteram o estado do programa. São chamadas de funções puras. Vantagens no uso de funções puras: Facilidade para analisar, testar e depurar programas. As variáveis não mudam! Facilita a programação concorrente.

10 Introdução à Programação Funcional Conceito: Transparência referencial Capacidade de referenciar uma função pura através da computação de seu retorno. Exemplo: y = sin(x) Ao longo do programa, podemos fazer referência a y no lugar de sin(x).

11 Introdução à Programação Funcional Princípios da Programação Funcional Imutabilidade de Estado Funções de Primeira Classe Funções de Alta Ordem Funções Puras e Efeitos Colaterais Recursividade Avaliação Não-estrita Programação declarativa

12 Imutabilidade de Estado Começando com um exemplo int s = 0; for (int i = 0; i < data.length; i++) { s += data[i]; } O que faz o trecho de código acima? O que pode dar errado nesse código?

13 Imutabilidade de Estado int s = 0; for (int i = 0; i < data.length; i++) { s += data[i]; } Se algum processo externo ao trecho alterar algum elemento de data, ocorrerá um efeito colateral. A variável data deve ser tratada como imutável. Após a sua definição, não serão permitidas alterações em seus valores

14 Imutabilidade de Estado Valores imutáveis Variáveis e objetos imutáveis são thread-safe A maioria das linguagens de programação não fazem distinção entre um valor (o conteúdo armazenado na memória) e a variável ao qual o valor se refere. Não alteram o estado do programa Os compiladores conseguem otimizar com maior eficiência objetos imutáveis

15 Imutabilidade de Estado Por que precisamos de variáveis imutáveis? Para facilitar a programação concorrente Várias threads alterando o mesmo valor -> necessidade de sincronização Para facilitar os testes Não é necessário acompanhar e testar as alterações na variável

16 Imutabilidade de Estado Entretanto... Algum nível de mutação é inevitável. Exemplo: rotinas de I/O Como resolver? Encapsular as partes dos programas que são mutáveis. Padrões de projetos Actor e Software Transactional Memory.

17 Imutabilidade de Estado Como resolver? int s = 0; for (int i = 0; i < data.length; i++) { s += data[i]; } Em Java final int data[]; int s = 0; for (int i = 0; i < data.length; i++) { s += data[i]; }

18 Imutabilidade de Estado Em Scala (versão 1) var s = 0 for(i <- data) s+=i Outra versão var s = 0 data.foreach(i => s+=i)

19 Funções com valores de 1ª classe Método tradicional de passagem de parâmetros em Java: Passar valores primitivos ou objetos. Valores primitivos e objetos são valores de 1ª classe em Java. É possível passar um método como parâmetro de outro método? Qual a diferença entre um método e uma função?

20 Funções com valores de 1ª classe Métodos Bloco de código pertencente obrigatoriamente à uma classe; Só pode ser invocado no contexto da própria classe; Java só possui métodos -> não são valores de primeira classe! (i) Não é possível passar um método como parâmetro, (ii) retornar um método de outro método ou (iii) atribuir um método como valor de uma variável Funções Função não é amarrada com nenhuma classe ou objeto; Pode ser invocada em qualquer parte do programa;

21 Funções com valores de 1ª classe Em programação funcional Uma função pode ser composta com outras funções; Uma função pode ser passada como parâmetro de outra função; Uma função pode retornar outra função como valor; Uma função pode ser atribuída a uma variável como valor. Funções denotam valores de 1ª classe

22 Funções com valores de 1ª classe Exemplos da matemática Seja f a função f(x)=x+1 e g a função g(x)=x 2 +x Construções válidas: (i) f(g(x)), g(f(x)), f(f(x)),... (ii) f(g(x))(10)(funções se associam à direita) (iii) f(x)= y (y é imutável)

23 Lambdas e Closures Em linguagens funcionais, a legibilidade do código pode ser melhorada através de funções anônimas, ou lambdas. Função anônima: é uma expressão cujo resultado é avaliado por uma função. A função é definida sem um nome Exemplo: (x,y) -> x+y Qual o tipo de (x,y)? Solução: inferência de tipos

24 Lambdas e Closures Recurso avançado de linguagens funcionais Um bloco de código pode fazer referência à variáveis livres. Variável livre: não é passada como argumento ou definida localmente (no escopo do bloco). Em Java: inner classes são exemplos de variáveis livres. Um closure é a formação de um bloco de código com as características acima

25 Funções de alta ordem Recurso avançado de linguagens funcionais São funções de 1ª classe que permitem a passagem de outras funções como parâmetro ou retornam uma função. São chamadas de funções de alta ordem. Exemplos típicos: Funções com operações sobre estrutura de dados: Listas, pilhas, filas, árvores, etc. Padrões de combinação de funções. Exemplo: f(g(x)), (succ(pred e))->e, (pred (succ e))->e

26 Efeitos colaterais Mutação de estado é fonte de erros nos programas concorrentes -> provocam efeitos colaterais. Na matemática, funções não possuem efeitos colaterais. Exemplo: a função sin(x) não altera o estado externo do programa quando calculada. A função sin(x) e o valor retornado são sinônimos. É possível representar o resultado da chamada pela própria chamada! Os compiladores podem armazenar sin(x)ao invés do valor retornado pela função.

27 Efeitos colaterais Estilo de programação: criação de funções puras. Permitir que a função só possa alterar valores internamente Em programação funcional, uma função não deve alterar variáveis globais.

28 Recursão Em linguagens tipicamente funcionais um loop clássico não é permitido: for (int i=0; i<x; i++ {... Motivo: a variável i é mutável. Solução: usar recursão para iterar sobre valores.

29 Recursão Resolvendo o problema imutabilidade com recursão int s = 0; for (int i = 0; i < data.length; i++) { s += data[i]; }

30 Recursão Resolvendo o problema imutabilidade com recursão // versão com Array def somaarray(x:array[int], size:int):int = { if (size == 1) return x(0) else return x(size-1) + somaarray(x, size-1) } // Versão com List def somalista(xs: List[Int]): Int = { if(xs.isempty) 0 else xs.head + somalista(xs.tail) }

31 Recursão Resolvendo o problema imutabilidade com recursão // versão com List e operação de redução x.foldleft(0)(_+_) // Obs.: em Scala, o mais indicado seria usar o // método sum da classe List // Exemplo: x.sum

32 Exercício 1 Para relembrar e praticar o uso de algoritmos recursivos, resolva os exercícios abaixo: 1. Crie um algoritmo recursivo para imprimir os elementos de um array com N posições na ordem crescente. 2. Crie um algoritmo recursivo para calcular o valor de x y (x elevado a y), onde x e y são inteiros. 3. Dada uma estrutura de dados do tipo pilha de tamanho N, escreva um algoritmo recursivo para retirar da pilha o elemento i, onde 1 i N.

33 Avaliação não-estrita de funções Em outros paradigmas de programação, devemos atribuir um valor para uma variável, logo após a sua declaração. Exemplo (em Java): int i =10; Chamado de avaliação estrita. No paradigma funcional podemos utilizar variáveis que não foram computadas após a sua declaração. O valor da variável será avaliado sob demanda. Chamado de avaliação não-estrita.

34 Avaliação não-estrita de funções Exemplo de aplicação: Vamos usar a função range em Python 2.x: >>> r = range(10) >>> print r [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] Os 10 valores da lista são atribuídos logo após a sua declaração (avaliação estrita) Imagine agora uma lista gigante, com bilhões de elementos. Toda a lista é alocada na memória logo após a sua atribuição.

35 Avaliação não-estrita de funções Exemplo de aplicação: A função xrange em Python 2.7 funciona com avaliação não-estrita: >>> r = xrange(10) >>> print r xrange(10) Os valores de r são atribuídos sob demanda, em tempo de execução. Para imprimir a lista: >>> lst = [x for x in r] >>> print(lst) [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

36 Avaliação não-estrita de funções Na matemática, existem inúmeros conjuntos infinitos Exemplo: números inteiros Esses conjuntos só podem ser representados de forma simbólica. Não é possível escrever um programa que imprima todos os número inteiros! Como lidamos com esses conjuntos? Subconjuntos de valores finitos Cada subconjunto é avaliado sob demanda, de forma não-estrita.

37 Programação declarativa Linguagens funcionais são declarativas por natureza. Para entender, vamos olhar a função Fatorial factorial(n) = 1 if n = 1 n * factorial(n-1) if n > 1

38 Programação declarativa Solução Declarativa (Java) Solução Imperativa (Java) public static long declarativefactorial(int n) { assert n > 0 : "Argument must be greater than 0"; I f (n == 1) return 1; else return n * declarativefactorial(n-1); } public static long imperativefactorial(int n) { assert n > 0 : "Argument must be greater than 0"; Long result = 1; for (int i = 2; i<= n; i++) { result *= i; } return result; }