In computer science, declarative programming is a programming paradigm—a style of building the structure and elements of computer programs—that expresses the logic of a computation without describing its control flow.[1]
Many languages that apply this style attempt to minimize or eliminate side effects by describing what the program must accomplish in terms of the problem domain, rather than describing how to accomplish it as a sequence of the programming language primitives[2] (the how being left up to the language's implementation). This is in contrast with imperative programming, which implements algorithms in explicit steps.[3]
Declarative programming often considers programs as theories of a formal logic, and computations as deductions in that logic space. Declarative programming may greatly simplify writing parallel programs.[4]
Common declarative languages include those of database query languages (e.g., SQL, XQuery), regular expressions, logic programming (e.g. Prolog, Datalog, answer set programming), functional programming, configuration management, and algebraic modeling systems.
The term is often used in contrast to imperative programming, which dictates the transformation steps of its state explicitly.[5]
Declarative programming is often defined as any style of programming that is not imperative. A number of other common definitions attempt to define it by simply contrasting it with imperative programming. For example:
These definitions overlap substantially.
Декларативное программирование — это неимперативный стиль программирования, при котором программы описывают желаемые результаты без явного перечисления команд или шагов, которые необходимо выполнить. Функциональные и логические языки программирования характеризуются декларативным стилем программирования. В логическом программировании программы состоят из предложений, выраженных в логической форме, и вычисления используют эти предложения для решения задач, которые также выражены в логической форме.
В чисто функциональном языке , таком как Haskell , все функции не имеют побочных эффектов , а изменения состояния представляются только как функции, преобразующие состояние, которое явно представлено в программе как первоклассный объект. Хотя чистые функциональные языки не являются обязательными, они часто предоставляют возможность описать эффект функции в виде серии шагов. Другие функциональные языки, такие как Lisp , OCaml и Erlang , поддерживают смесь процедурного и функционального программирования.
Некоторые языки логического программирования, такие как Пролог , и языки запросов к базам данных, такие как SQL, хотя и являются в принципе декларативными, также поддерживают процедурный стиль программирования.
Декларативное программирование — это общий термин , включающий ряд более известных парадигм программирования .
Программирование с ограничениями устанавливает отношения между переменными в форме ограничений, которые определяют свойства целевого решения. Набор ограничений решается путем присвоения значения каждой переменной, чтобы решение соответствовало максимальному количеству ограничений. Программирование с ограничениями часто дополняет другие парадигмы: функциональное, логическое или даже императивное программирование.
Хорошо известные примеры декларативных предметно-ориентированных языков (DSL) включают язык ввода генератора синтаксического анализатора yacc , QML , язык спецификации сборки Make , язык управления конфигурацией Puppet , регулярные выражения , журнал данных , программирование набора ответов и подмножество SQL ( например, запросы SELECT). Преимущество DSL заключается в том, что они полезны, но не обязательно должны быть полными по Тьюрингу , что позволяет языку быть чисто декларативным.
Многие языки разметки, такие как HTML , MXML , XAML , XSLT или другие языки разметки пользовательского интерфейса, часто являются декларативными. HTML, например, описывает только то, что должно отображаться на веб-странице — он не определяет ни поток управления для отрисовки страницы, ни возможные взаимодействия страницы с пользователем .
По состоянию на 2013 год [update]некоторые программные системы [ какие? ] объединяют традиционные языки разметки пользовательского интерфейса (такие как HTML) с декларативной разметкой, которая определяет, что (но не как) должны делать серверные системы для поддержки объявленного интерфейса. Такие системы, обычно использующие пространство имен XML, специфичное для предметной области , могут включать абстракции синтаксиса базы данных SQL или параметризованные вызовы веб-служб с использованием передачи репрезентативного состояния (REST) и SOAP . [ нужна цитата ]
Языки функционального программирования, такие как Haskell , Scheme и ML , оценивают выражения через приложение-функцию. В отличие от родственной, но более императивной парадигмы процедурного программирования , функциональное программирование уделяет мало внимания явному упорядочению. Вместо этого вычисления характеризуются различными видами рекурсивного применения и композиции функций высшего порядка и поэтому могут рассматриваться просто как набор отображений между доменами и кодоменами . Многие функциональные языки, в том числе большинство из семейств ML и Lisp, не являются чисто функциональными и, таким образом, допускают введение в программы эффектов с сохранением состояния .
Например, файлы Makefile определяют зависимости в декларативной форме [7] , но также включают обязательный список действий, которые необходимо предпринять. Аналогично, yacc декларативно определяет контекстно-свободную грамматику, но включает фрагменты кода с основного языка, что обычно является обязательным (например, C ).
Языки логического программирования , такие как Пролог , Журнал данных и программирование набора ответов , выполняют вычисления, доказывая, что цель является логическим следствием программы, или показывая, что цель верна в модели, определенной программой. Пролог выполняет вычисления, сводя цели к подцелям, сверху вниз, используя обратное рассуждение , тогда как большинство систем Datalog выполняют вычисления снизу вверх, используя прямое рассуждение . Программы набора ответов обычно используют решатели SAT для создания модели программы.
Модели или математические представления физических систем могут быть реализованы в декларативном компьютерном коде. Код содержит ряд уравнений, а не императивных присваиваний, которые описывают («декларируют») поведенческие отношения. Когда модель выражается в этом формализме, компьютер может выполнять алгебраические манипуляции, чтобы лучше сформулировать алгоритм решения. Математическая причинность обычно накладывается на границы физической системы, тогда как поведенческое описание самой системы является декларативным или акаузальным. Языки и среды декларативного моделирования включают Analytica , Modelica и Simile. [8]
Lisp — это семейство языков программирования, вдохновленное математической записью и лямбда-исчислением Алонзо Чёрча . Хотя некоторые диалекты, такие как Common Lisp , в первую очередь императивны, эти Lisp поддерживают функциональное программирование, а другие Lisp, такие как Scheme , предназначены для функционального программирования.
В схеме можно определить функцию факториала следующим образом:
( define ( факториал n ) ( if ( = n 0 ) 1 ;;; 0! = 1 ( * n ( факториал ( - n 1 ))))) ;;; н! = n*(n-1)! Это можно истолковать как определение факториальной функции с использованием ее рекурсивного математического определения, а не простое определение процедуры, как это обычно делается в императивном языке.
В Лиспе, как и в лямбда-исчислении, функции обычно являются первоклассными гражданами . В общих чертах это означает, что функции могут возвращать функции и использоваться в качестве параметров для других функций.
Это может значительно упростить определение некоторых функций.
Например, если кто-то хочет создать функцию, которая возвращает первые n квадратов в Racket , можно просто написать следующее:
( define ( first-n-squares n ) ( map ( лямбда ( x ) ( * x x )) ;;; Функция, отображающая x -> x^2 ( диапазон n ))) ;;; Список первых n неотрицательных целых чисел Карта в приведенном выше примере принимает функцию и список, применяя функцию к каждому члену списка.
ML (1973) [9] означает «Метаязык». ML статически типизирован, а аргументы функций и возвращаемые типы могут быть аннотированы. [10]
fun times_10 ( n : int ) : int = 10 * n ;ML не так ориентирован на скобки, как Lisp , и вместо этого использует более широкий спектр синтаксиса для кодификации отношений между элементами кода, а не обращается к упорядочиванию списков и вложенности для выражения всего. Ниже приводится применение times_10:
раз_10 2
Он возвращает «20: int», то есть 20значение типа int.
Как и Lisp , ML адаптирован для списков процессов, хотя все элементы списка должны быть одного типа. [11]
Пролог (1972) означает «Программирование в ЛОГИКЕ». Он был разработан для ответа на вопросы на естественном языке [12] с использованием разрешения SL [13] как для вывода ответов на запросы, так и для анализа и генерации предложений на естественном языке.
Строительными блоками программы на Прологе являются факты и правила . Вот простой пример:
кот ( Том ). % Том — кот -мышь ( Джерри ). % Джерри — мышьживотное ( X ) :- кошка ( X ). % каждая кошка является животным ( X ) : - мышь ( X ). % каждая мышь является животнымбольшой ( X ) :- кот ( X ). % каждая кошка большая маленькая ( X ) :- мышь ( X ). % каждая мышь маленькаясъесть ( X , Y ) :- мышь ( X ), сыр ( Y ). % каждой мыши съедает каждый съеденный сыр ( X , Y ) : - большой ( X ), маленький ( Y ). % каждое большое существо съедает каждое маленькое существоУчитывая эту программу, запрос выполняется успешно, хотя и не удается. Более того, запрос завершается успешно с заменой ответа .eat(tom,jerry)eat(jerry,tom)eat(X,jerry)X=tom
Пролог выполняет программы сверху вниз, используя разрешение SLD для обратного рассуждения , сводя цели к подцелям. В этом примере оно использует последнее правило программы, чтобы свести цель ответа на запрос к подцелям сначала найти X, такой, который выполняется, а затем показать, что это выполняется. Он неоднократно использует правила для дальнейшего сведения подцелей к другим подцелям, пока в конечном итоге не достигнет успеха в объединении всех подцелей с фактами в программе. Эта стратегия обратного рассуждения и сокращения целей рассматривает правила в логических программах как процедуры и делает Пролог одновременно декларативным и процедурным языком программирования . [14]eat(X,jerry)big(X)small(jerry)
Широкий спектр приложений Пролога освещен в книге «Год Пролога» [15] , посвященной 50-летнему юбилею Пролога.
Истоки Datalog восходят к началу логического программирования, но примерно в 1977 году он был выделен в отдельную область. Синтаксически и семантически он является подмножеством Пролога. Но поскольку в нем нет составных членов , он не является полным по Тьюрингу .
Большинство систем Datalog выполняют программы снизу вверх, используя правила для дальнейшего анализа , извлекая новые факты из существующих и завершая работу, когда нет новых фактов, которые можно получить, или когда производные факты объединяются с запросом. В приведенном выше примере типичная система Datalog сначала получает новые факты:
животное ( том ). животное ( джерри ). большой ( Том ). маленький ( Джерри ).Используя эти факты, он затем выведет дополнительный факт:
ест ( Том , Джерри ).Затем он прекратится как потому, что новые дополнительные факты не могут быть получены, так и потому, что вновь полученный факт объединяется с запросом.
ест ( X , Джерри ).Datalog применяется для решения таких задач, как интеграция данных , извлечение информации , работа в сети , безопасность , облачные вычисления и машинное обучение . [16] [17]
Программирование набора ответов (ASP) развилось в конце 1990-х годов на основе семантики стабильной модели (множества ответов) логического программирования. Как и Datalog, это подмножество Пролога; и, поскольку в нем нет составных членов, он не является полным по Тьюрингу.
Most implementations of ASP execute a program by first "grounding" the program, replacing all variables in rules by constants in all possible ways, and then using a propositional SAT solver, such as the DPLL algorithm to generate one or more models of the program.
Its applications are oriented towards solving difficult search problems and knowledge representation.[18][19]
In this context, the criterion for calling a programming language declarative is the existence of a clear, mathematically established correspondence between the language and mathematical logic such that a declarative semantics for the language can be based on the model or the proof theory (or both) of the logic.