OCaml (Objective Caml) — объектно-ориентированный язык функционального программирования общего назначения, самый распространённый в практической работе диалект языка ML. Был разработан с учётом безопасности исполнения и надёжности программ. Поддерживает функциональную, императивную и объектно-ориентированную парадигмы программирования.
Появился в 1996 году под названием Objective Caml, когда Дидье Реми (Didier Rémy) и Жером Вуйон (Jérôme Vouillon) реализовали поддержку объектно-ориентированного программирования для языка Caml, первоначально разработанного во французском институте INRIA. Официально переименован в OCaml в 2011 году.
Инструментарий OCaml включает в себя интерпретатор, компилятор в байткод и оптимизирующий компилятор в машинный код, сравнимый по эффективности с Java и лишь немного уступающий по быстродействию C и C++.
На языке, в частности, написан рендеринг формул Википедии, использующих тег <math>, файлообменный клиент MLDonkey, стек управления гипервизором Xen xapi (является частью Xen Server/Xen Cloud Platform), язык программирования Haxe.
Роль в информатике Является языком программирования общего назначения, но при этом имеет свои сложившиеся области применения.
Во-первых, это — создание «безопасных» (не только в смысле информационной безопасности) приложений. В языке используется сборка мусора, а большинство типов данных является ссылочным (), что означает предотвращение переполнения буферов во время исполнения программы. Кроме того, статическая типизация и проверки времени компиляции делают невозможными некоторые другие классы ошибок, такие, как ошибки приведения типов в силу отсутствия автоматического приведения типов. Кроме того, код может быть формально верифицирован. Имеются утилиты автоматического доказательства типовой корректности кода, превосходящие таковые для большинства языков программирования. И что немаловажно, меры безопасности не влияют на эффективность исполняемого кода.
Другой областью успешного применения OCaml являются приложения, управляемые данными (data-driven). К этой области относится обработка текста, а также написание компиляторов. OCaml имеет не только средства для текстовой обработки (какими славится, например, Perl или AWK), но и инструменты для глубокого семантического анализа и преобразования текста, что делает OCaml применимым в задачах интеллектуального анализа данных ().
OCaml, как и другие диалекты ML, используются в исследовательских задачах и задачах верификации, при котором основной код пишется на некотором языке программирования, а затем формально верифицируется и анализируется программой на OCaml. Например, на OCaml написана система интерактивного доказательства теорем Coq.
Занимает особое место среди языков программирования благодаря сочетанию эффективности, выразительности и практичности. Среди особенностей языка, развивавшихся в течение более чем 40 лет, со времени создания ML, выделяют следующие: статическая проверка типов, параметрический полиморфизм, функции первого класса, алгебраические типы данных и сопоставление с образцом, поддержка программирования с неизменяемыми структурами данных (), автоматическая сборка мусора, эффективный компилятор в машинный код без применения JIT-компиляции.
История OCaml ведёт своё происхождение от ML (), который был реализован на диалекте Лиспа Робином Милнером в 1972 году в качестве программного средства для доказательства теорем, как метаязык логики вычислимых функций (LCF, ). Позднее был сделан компилятор, а к 1980 году ML стал полноценной системой программирования.
Ги Кузино (Guy Cousineau) добавил в язык алгебраические типы данных и сопоставление с образцом и определил ML в виде категориальной абстрактной машины (CAM). Таким образом, CAM-ML мог быть описан, верифицирован и оптимизирован, что явилось шагом вперёд для ML.
Дальнейшим развитием был созданный к 1987 году Аскандером Суарецом (Ascánder Suárez) и продолженный Пьером Вейсом (Pierre Weis) и Мичелом Мони (Michel Mauny) язык Caml (переигранное CAM-ML).
В 1990 году Ксавье Лерой (Xavier Leroy) и Дамьен Долигез (Damien Doligez) выпустили новую реализацию, названную Caml Light. В этой реализации на Си использовался интерпретатор байт-кода и быстрый сборщик мусора. С написанием библиотек язык стал использоваться в образовании и исследовательских институтах.
В 1995 году увидел свет Caml Special Light, развиваемый К. Лероем. Система программирования получила компилятор в машинные коды, что поставило эффективность исполняемого кода в один ряд с другими компилируемыми языками. В то же время была разработана система модулей, идея которой была заимствована из Standard ML.
В современном виде OCaml появился в 1996 году, когда Дидье Реми (Didier Rémy) и Джером Вуйон (Jérôme Vouillon) реализовали для языка стройную и эффективную поддержку объектов. Эта объектная система позволяет на этапе компиляции в типобезопасной манере использовать идиомы объектно-ориентированного программирования, без свойственных C++ и Java проверок времени выполнения.
В 2000-х годах язык плавно развивался, одновременно получая всё большее признание в коммерческих проектах и образовании. Среди разработанного в это время можно отметить полиморфные методы и вариантные типы, именованные и необязательные параметры, модули первого класса, обобщённые алгебраические типы данных (GADT). Язык стал поддерживать несколько аппаратных платформ (X86, ARM, SPARC, PowerPC).
Базовая семантика
Модель вычислений OCaml как языка функционального программирования строится на трёх основных конструкциях лямбда-исчисления: переменных, определениях функций и применении функции к аргументам.
Переменные
Переменная — идентификатор, значение которого связано с определённой величиной. Имена переменных начинаются со строчной буквы или подчёркивания. Привязка обычно выполняется с помощью ключевого слова let, как в следующем примере в интерактивной оболочке:
let v = 1 ;;
Переменные имеют область видимости. Например, в интерактивной оболочке переменную можно использовать в следующих за её привязкой командах. Аналогично, переменную, определённую в модуле, можно использовать после определения в данном модуле.
Привязка переменной может быть осуществлена и в области видимости, заданной конструкцией let-in, как в следующем примере по вычислению площади круга по радиусу:
# let area radius = let pi = 3.14 in radius *. radius *. pi ;; val area : float -> float = <fun> # area 2.0 ;; - : float = 12.56
В OCaml привязки переменных являются неизменяемыми (как в математических уравнениях), то есть, значение переменной «присваивается» только один раз (единичное присваивание). Другое дело, что внутри let-in может быть другой let-in, в котором вводится другая переменная, которая может «затенить» первую.
Функции
Для определения функций в OCaml есть несколько синтаксических конструкций.
Функции можно определить с помощью ключевого слова function. Выражение для функции выглядит следующим образом: function x -> x + 1
В данном случае функция анонимная, и её можно использовать в качестве параметров других функций или применить к некоторому аргументу, например: (function x -> x + 1) 5
Типом этой функции является int -> int, то есть, функция принимает целое и возвращает целое.
Функция может иметь несколько аргументов: function (x, y) -> x - y
В этом примере её тип: int * int -> int, то есть, на входе функции — пара, а на выходе — целое.
Есть и другой подход представления функций нескольких аргументов — преобразование N-арной функции в N функций одного аргумента — каррирование. Следующие два вида записи функции, вычисляющей произведение целочисленных аргументов, эквивалентны: function x -> function y -> x * y fun x y -> x * y
Именованные функции можно получить, связав переменную с функцией. Определение именованной функции настолько частая операция, что имеет отдельную синтаксическую поддержку. Следующие три записи — эквивалентные способы определить функцию (в интерактивной оболочке): # let prod = function x -> function y -> x * y ;; val prod : int -> int -> int = <fun> # let prod x y = x * y ;; val prod : int -> int -> int = <fun> # let prod = fun x y -> x * y ;; val prod : int -> int -> int = <fun>
Функции двух аргументов можно определить для использования инфиксной записи: # let (^^) x y = x**2.0 +. y**2.0 ;; val ( ^^ ) : float -> float -> float = <fun> # 2.0 ^^ 3.0 ;; - : float = 13. # (^^) 2.0 3.0 ;; - : float = 13.
В этом примере определена функция (^^), вычисляющая сумму квадратов двух чисел с плавающей запятой. Последние два вида записи эквивалентны.
Рекурсивные функции, то есть функции, ссылающиеся на своё же определение, можно задать с помощью let rec:
# let rec fac n = match n with | 0 -> 1 | x -> x * fac (x - 1)
В этом же примере вычисления факториала применено сопоставление с образцом (конструкция match-with).
Аргументы функции можно определить как именованные. Именованные аргументы можно указывать в любом порядке:
# let divmod ~x ~y = (x / y, x mod y) ;; val divmod : x:int -> y:int -> int * int = <fun> # divmod ~x:4 ~y:3 ;; - : int * int = (1, 1) # divmod ~y:3 ~x:4 ;; - : int * int = (1, 1)
В OCaml можно опускать значения, используя уплотнённую запись (), если имя параметра и переменной совпадают:
# let x = 4 in let y = 3 in divmod ~x ~y ;; - : int * int = (1, 1)
Выражения
Ассоциативность операций в выражениях OCaml определяется префиксом, распространяясь таким образом на операции, определённые пользователем. Знак - работает и как префиксная, и как инфиксная операция, причём при необходимости использовать в качестве префикса совместно с применением функции параметр нужно заключить в скобки.
Префикс операции Ассоциативность ! ? ~ Префикс . .( .[ .{ применение функции, конструктора, метки, assert, lazy Левая - -. Префикс ** lsl lsr asr Правая * / % mod land lor lxor Левая + - Левая:: Правая@ ^Правая= < > | & $ != Левая& && Праваяor || Правая, <- := Праваяif ; Праваяlet match fun function try
Система типов
Примитивные типы Язык OCaml имеет несколько примитивных типов: числовые типы (целый и числа с плавающей запятой), символьный, строки символов, булевый.
Целый тип представляет целые числа из интервала [−230, 230 − 1] и [−262, 262 − 1] для 32- и 64-битных архитектур соответственно. С целыми числами можно производить обычные операции сложения, вычитания, умножения, деления, взятия остатка от деления: +, -, *, /, mod. В случае выхода результата за допустимый интервал ошибки не происходит, а результат вычисляется по модулю границы интервала.
Числа с плавающей запятой представляются 53-битной мантиссой и порядком из интервала [−1022, 1023], следуя стандарту IEEE 754 для чисел с двойной точностью. В операциях эти числа нельзя смешивать с целыми. Кроме того, операции над числами с плавающей запятой синтаксически отличаются от целочисленных операций: +., -., *., /.. Также имеется операция возведения в степень: **. Для преобразования целых чисел в числа с плавающей запятой и обратно доступны функции: float_of_int и int_of_float.
Для чисел с плавающей запятой имеются и другие математические функции: тригонометрические (sin, cos, tan, asin, acos, atan), округления (ceil, floor), экспоненциальная (exp), логарифмические (log, log10), а также извлечение квадратного корня (sqrt). Для числовых типов имеются и полиморфные операции сравнения.
Символьный тип — char — соответствует представлению символа с кодом от 0 до 255 (первые 128 символов совпадают с ASCII). Строчный тип — string — последовательность символов (максимальная длина: 224 — 6). Пример с использованием функции преобразования целого к строке и операции конкатенации:
# "Example " ^ string_of_int(2) ;; - : string = "Example 2"
Булевый тип имеет два значения: true (истина) и false (ложь). Операции над величинами булевого типа: унарная not (отрицание), бинарные: && (и), || (или). Бинарные операции вычисляют сначала левый аргумент, а правый — только если требуется.