En informática , se dice que un lenguaje de programación tiene funciones de primera clase si las trata como ciudadanos de primera clase . Esto significa que el lenguaje admite pasar funciones como argumentos a otras funciones, devolverlas como valores de otras funciones y asignarlas a variables o almacenarlas en estructuras de datos. [1] Algunos teóricos del lenguaje de programación también requieren soporte para funciones anónimas (literales de función). [2] En lenguajes con funciones de primera clase, los nombres de las funciones no tienen ningún estatus especial; se tratan como variables ordinarias con un tipo de función . [3] El término fue acuñado por Christopher Strachey en el contexto de "funciones como ciudadanos de primera clase" a mediados de la década de 1960. [4]
Las funciones de primera clase son una necesidad para el estilo de programación funcional , en el que el uso de funciones de orden superior es una práctica estándar. Un ejemplo simple de una función de orden superior es la función de mapa , que toma, como argumentos, una función y una lista, y devuelve la lista formada al aplicar la función a cada miembro de la lista. Para que un lenguaje admita map , debe admitir el paso de una función como argumento.
Existen ciertas dificultades de implementación al pasar funciones como argumentos o devolverlas como resultados, especialmente en presencia de variables no locales introducidas en funciones anidadas y anónimas . Históricamente, estos se denominaron problemas funarg , nombre que proviene de "argumento de función". [5] En los primeros lenguajes imperativos, estos problemas se evitaban no admitiendo funciones como tipos de resultados (por ejemplo, ALGOL 60 , Pascal ) u omitiendo funciones anidadas y, por tanto, variables no locales (por ejemplo, C ). El primer lenguaje funcional Lisp adoptó el enfoque de alcance dinámico , donde las variables no locales se refieren a la definición más cercana de esa variable en el punto donde se ejecuta la función, en lugar de donde se definió. En Scheme se introdujo el soporte adecuado para funciones de primera clase con alcance léxico y requiere manejar referencias a funciones como cierres en lugar de punteros de función simples , [4] lo que a su vez hace que la recolección de basura sea una necesidad.
En esta sección, comparamos cómo se manejan determinados modismos de programación en un lenguaje funcional con funciones de primera clase ( Haskell ) en comparación con un lenguaje imperativo donde las funciones son ciudadanas de segunda clase ( C ).
En lenguajes donde las funciones son ciudadanas de primera clase, las funciones se pueden pasar como argumentos a otras funciones de la misma manera que otros valores (una función que toma otra función como argumento se llama función de orden superior). En el idioma Haskell :
mapa :: ( a -> b ) -> [ a ] -> [ b ] mapa f [] = [] mapa f ( x : xs ) = f x : mapa f xs Los lenguajes donde las funciones no son de primera clase a menudo aún permiten escribir funciones de orden superior mediante el uso de características como punteros de función o delegados . En el idioma C :
mapa vacío ( int ( * f )( int ), int x [], size_t n ) { for ( int i = 0 ; i < n ; i ++ ) x [ i ] = f ( x [ i ]); } Existen una serie de diferencias entre los dos enfoques que no están directamente relacionadas con el soporte de funciones de primera clase. El ejemplo de Haskell opera en listas , mientras que el ejemplo de C opera en matrices . Ambas son las estructuras de datos compuestas más naturales en los respectivos lenguajes y hacer que la muestra C funcione en listas enlazadas la habría hecho innecesariamente compleja. Esto también explica el hecho de que la función C necesita un parámetro adicional (que proporciona el tamaño de la matriz). La función C actualiza la matriz in situ , sin devolver ningún valor, mientras que en Haskell las estructuras de datos son persistentes (se devuelve una nueva lista). mientras que el antiguo se deja intacto.) El ejemplo de Haskell usa recursividad para recorrer la lista, mientras que el ejemplo de C usa iteración . Nuevamente, esta es la forma más natural de expresar esta función en ambos lenguajes, pero la muestra de Haskell podría haberse expresado fácilmente en términos de pliegue y la muestra de C en términos de recursividad. Finalmente, la función Haskell tiene un tipo polimórfico , como C no lo admite, hemos fijado todas las variables de tipo al tipo constante int.
En los lenguajes que soportan funciones anónimas, podemos pasar dicha función como argumento a una función de orden superior:
principal = mapa ( \ x -> 3 * x + 1 ) [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ] En un lenguaje que no admite funciones anónimas, debemos vincularlo a un nombre:
int f ( int x ) { retorno 3 * x + 1 ; } int principal () { int lista [] = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 }; mapa ( f , lista , 5 ); } Una vez que tenemos funciones anónimas o anidadas, resulta natural que hagan referencia a variables fuera de su cuerpo (llamadas variables no locales ):
principal = sea a = 3 b = 1 en el mapa ( \ x -> a * x + b ) [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ] Si las funciones se representan con punteros de función simples, ya no podemos saber cómo se le debe pasar el valor que está fuera del cuerpo de la función y, debido a eso, es necesario crear un cierre manualmente. Por lo tanto, aquí no podemos hablar de funciones "de primera clase".
estructura typedef { int ( * f )( int , int , int ); en un ; intb ; } cierre_t ; mapa vacío ( cierre_t * cierre , int x [], tamaño_t n ) { para ( int i = 0 ; i < n ; ++ i ) x [ i ] = ( cierre -> f ) ( cierre -> a , cierre - > b , x [ i ]); } int f ( int a , int b , int x ) { devolver a * x + b ; } vacío principal () { int l [] = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 }; int a = 3 ; int b = 1 ; cierre_t cierre = { f , a , b }; mapa ( & cierre , l , 5 ); } También tenga en cuenta que mapahora está especializado en funciones que se refieren a dos ints fuera de su entorno. Esto se puede configurar de manera más general, pero requiere más código repetitivo . Si fhubiera sido una función anidada, todavía nos habríamos encontrado con el mismo problema y esta es la razón por la que no son compatibles con C. [6]
Cuando devolvemos una función, de hecho estamos devolviendo su cierre. En el ejemplo de C, cualquier variable local capturada por el cierre quedará fuera de alcance una vez que regresemos de la función que crea el cierre. Forzar el cierre en un momento posterior dará como resultado un comportamiento indefinido, posiblemente corrompiendo la pila. Esto se conoce como el problema de la funarg hacia arriba .
Asignar funciones a variables y almacenarlas dentro de estructuras de datos (globales) potencialmente sufre las mismas dificultades que devolver funciones.
f :: [[ Entero ] -> [ Entero ]] f = sea a = 3 b = 1 en [ mapa ( \ x -> a * x + b ), mapa ( \ x -> b * x + a )] Como se puede probar la igualdad de la mayoría de los literales y valores, es natural preguntarse si un lenguaje de programación puede soportar la prueba de igualdad de funciones. Si se analiza más detalladamente, esta cuestión parece más difícil y hay que distinguir entre varios tipos de igualdad de funciones: [7]
En teoría de tipos , el tipo de funciones que aceptan valores de tipo A y devuelven valores de tipo B se puede escribir como A → B o B A. En la correspondencia Curry-Howard , los tipos de funciones están relacionados con la implicación lógica ; la abstracción lambda corresponde al cumplimiento de supuestos hipotéticos y la aplicación de funciones corresponde a la regla de inferencia modus ponens . Además del caso habitual de funciones de programación, la teoría de tipos también utiliza funciones de primera clase para modelar matrices asociativas y estructuras de datos similares .
En las explicaciones de programación teóricas de categorías , la disponibilidad de funciones de primera clase corresponde al supuesto de categoría cerrada . Por ejemplo, el cálculo lambda simplemente escrito corresponde al lenguaje interno de las categorías cerradas cartesianas .
Los lenguajes de programación funcionales, como Erlang , Scheme , ML , Haskell , F# y Scala , tienen funciones de primera clase. Cuando se diseñó Lisp , uno de los primeros lenguajes funcionales, no se entendieron adecuadamente todos los aspectos de las funciones de primera clase, lo que dio como resultado que las funciones tuvieran un alcance dinámico. Los dialectos posteriores Scheme y Common Lisp tienen funciones de primera clase con alcance léxico.
Muchos lenguajes de programación, incluidos Perl , Python , PHP , Lua , Tcl /Tk, JavaScript e Io , tienen funciones de primera clase.
Para los lenguajes imperativos, se debe hacer una distinción entre Algol y sus descendientes, como Pascal, la familia C tradicional y las variantes modernas recolectadas de basura. La familia Algol ha permitido funciones anidadas y funciones de orden superior que toman como argumentos, pero no funciones de orden superior que devuelven funciones como resultados (excepto Algol 68, que lo permite). La razón de esto era que no se sabía cómo tratar con variables no locales si como resultado se devolvía una función anidada (y Algol 68 produce errores de tiempo de ejecución en tales casos).
La familia C permitía pasar funciones como argumentos y devolverlas como resultados, pero evitaba cualquier problema al no admitir funciones anidadas. (El compilador gcc los permite como una extensión). Como la utilidad de devolver funciones radica principalmente en la capacidad de devolver funciones anidadas que han capturado variables no locales, en lugar de funciones de nivel superior, generalmente no se considera que estos lenguajes tengan primero -funciones de clase.
Los lenguajes imperativos modernos a menudo admiten la recolección de basura, lo que hace factible la implementación de funciones de primera clase. Las funciones de primera clase a menudo solo han sido admitidas en revisiones posteriores del lenguaje, incluido C# 2.0 y la extensión Blocks de Apple para C, C++ y Objective-C. C++ 11 ha agregado soporte para funciones anónimas y cierres al lenguaje, pero debido a la naturaleza del lenguaje que no recolecta basura, se debe tener especial cuidado con las variables no locales en las funciones que se devolverán como resultados (ver más abajo ).
functiondebe usarse para recuperar la función como un valor: (function foo)se evalúa como un objeto de función. #'fooexiste como una notación abreviada. Para aplicar un objeto de función de este tipo, se debe utilizar la funcallfunción: (funcall #'foo bar baz).functools.partialdesde la versión 2.5 y operator.methodcallerdesde la versión 2.6.Methodo Procpara utilizarlo como datos de primera clase. La sintaxis para llamar a un objeto de función de este tipo difiere de la de llamar a métodos normales.[1].{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: bot: estado de la URL original desconocido ( enlace )(también el 2010-02-16