Фа-диез (язык программирования)

Фа#

Парадигмы	Мультипарадигмальный : функциональный , императивный , объектно-ориентированный , агентно-ориентированный , метапрограммирование , рефлексивный , параллельный
Семья	ML : Caml : OCaml
Разработано	Дон Сайм , Microsoft Research
Разработчик	Microsoft , Фонд программного обеспечения F#
Впервые появился	2005 ; 20 лет назад , версия 1.0 ( 2005 )
Стабильный релиз	9.0 [1]  / 12 ноября 2024 г. ; 2 месяца назад ( 12 ноября 2024 )
Дисциплина набора текста	Статичный , сильный , предполагаемый
ОС	Кроссплатформенность : .NET Framework, Mono
Лицензия	Массачусетский технологический институт [2] [3]
Расширения имени файла	.fs, .fsi, .fsx, .fsscript
Веб-сайт	fsharp.org Learn.microsoft.com/en-us/dotnet/fsharp
Под влиянием
C# , Erlang , Haskell , [4] ML , OCaml , [5] [6] Python , Scala
Под влиянием
C# , [7] Elm , F* , LiveScript
Программирование F Sharp в Wikibooks

F# (произносится как F sharp ) — это универсальный , высокоуровневый , строго типизированный , многопарадигмальный язык программирования , охватывающий функциональные , императивные и объектно-ориентированные методы программирования. Чаще всего он используется как кроссплатформенный язык Common Language Infrastructure (CLI) на .NET , но также может генерировать код JavaScript ^[8] и графического процессора (GPU). ^[9]

F# разработан F# Software Foundation , ^[10] Microsoft и открытыми участниками. Открытый исходный код , кроссплатформенный компилятор для F# доступен в F# Software Foundation. ^[11] F# — полностью поддерживаемый язык в Visual Studio ^[12] и JetBrains Rider . ^[13] Плагины, поддерживающие F#, существуют для многих широко используемых редакторов, включая Visual Studio Code , Vim и Emacs .

F# является членом семейства языков ML и возник как реализация .NET Framework ядра языка программирования OCaml . ^{[5] [6]} На него также оказали влияние C# , Python , Haskell , ^[4] Scala и Erlang .

F# использует открытый процесс разработки и проектирования. Процессом эволюции языка руководит Дон Сайм из Microsoft Research в качестве благожелательного пожизненного диктатора (BDFL) для разработки языка совместно с F# Software Foundation. Более ранние версии языка F# были разработаны Microsoft и Microsoft Research с использованием закрытого процесса разработки.

F# впервые был включен в Visual Studio в издании 2010 года на том же уровне, что и Visual Basic (.NET) и C# (хотя и в качестве опции), и остается во всех более поздних изданиях, что делает язык широко доступным и хорошо поддерживаемым.

F# берет свое начало в Microsoft Research, Кембридж, Великобритания. Первоначально язык был разработан и реализован Доном Саймом , ^[5] по словам которого в команде fsharp говорят, что F означает «Веселье». ^[39] Эндрю Кеннеди внес вклад в разработку единиц измерения. ^[5] Visual F# Tools для Visual Studio разработаны корпорацией Microsoft. ^[5] F# Software Foundation разработала компилятор и инструменты F# с открытым исходным кодом, включив реализацию компилятора с открытым исходным кодом, предоставленную командой Microsoft Visual F# Tools. ^[10]

F# — это строго типизированный функционально-первый язык с большим количеством возможностей, которые обычно встречаются только в функциональных языках программирования , при этом поддерживая объектно-ориентированные функции, доступные в C#. Вместе эти функции позволяют писать программы на F# в полностью функциональном стиле, а также позволяют смешивать функциональные и объектно-ориентированные стили.

Примеры функциональных особенностей:

• Все является выражением
• Вывод типа (с использованием вывода типа Хиндли–Милнера )
• Функции граждан первого класса
• Анонимные функции с семантикой захвата (т.е. замыкания )
• Неизменяемые переменные и объекты
• Поддержка ленивой оценки
• Функции высшего порядка
• Вложенные функции
• Каррирование
• Сопоставление с образцом
• Алгебраические типы данных
• Кортежи
• Понимание списка
• Поддержка шаблонов монад (называемых выражениями вычислений ^[50] )
• Оптимизация хвостового вызова ^[51]

F# — это язык на основе выражений, использующий активное вычисление , а также в некоторых случаях ленивое вычисление . Каждое выражение в F#, включая ifвыражения, tryвыражения и циклы, является составным выражением со статическим типом. ^[52] Функции и выражения, которые не возвращают никаких значений, имеют возвращаемый тип unit. F# использует letключевое слово для привязки значений к имени. ^[52] Например:

пусть х = 3 + 4     

привязывает значение 7к имени x.

Новые типы определяются с помощью typeключевого слова. Для функционального программирования F# предоставляет типы tuple , record , discriminated union , list , option и result . ^[52] Кортеж представляет собой набор из n значений, где n ≥ 0. Значение n называется арностью кортежа. 3-кортеж будет представлен как (A, B, C), где A, B и C — значения, возможно, разных типов. Кортеж может использоваться для хранения значений только тогда, когда количество значений известно во время проектирования и остается постоянным во время выполнения.

Запись — это тип, в котором элементы данных именуются. Вот пример определения записи:

 тип R = { Имя : строка Возраст : целое }            

Записи могут быть созданы как }. Ключевое слово используется для создания копии записи, как в }, что создает новую запись путем копирования и изменения значения поля (предполагая, что запись, созданная в последнем примере, была названа ).let r = { Name="AB"; Age=42with{ r with Name="CD"rNamer

Тип дискриминируемого объединения — это типобезопасная версия объединений C. Например,

 тип A = | UnionCaseX строки | UnionCaseY целого числа​           

Значения типа union могут соответствовать любому случаю union. Типы значений, переносимых каждым случаем union, включены в определение каждого случая.

Тип списка — это неизменяемый связанный список, представленный либо с помощью нотации ( — оператор cons ), либо в сокращенной форме как . Пустой список записывается . Тип параметра — это тип дискриминируемого объединения с вариантами выбора или . Типы F# могут быть универсальными , реализованными как универсальные типы .NET.head::tail::[item1; item2; item3][]Some(x)None

F# поддерживает лямбда-функции и замыкания . ^[52] Все функции в F# являются значениями первого класса и неизменяемы. ^[52] Функции могут быть каррированы . Будучи значениями первого класса, функции могут передаваться в качестве аргументов другим функциям. Как и другие функциональные языки программирования, F# допускает композицию функций с использованием операторов >>и <<.

F# обеспечиваетвыражения последовательности ^[53],которые определяют последовательностьseq { ... }, список[ ... ]или массив[| ... |]через код, который генерирует значения. Например,

 seq { for b in 0 .. 25 do if b < 15 then yield b * b }                

формирует последовательность квадратов чисел от 0 до 14, отфильтровывая числа из диапазона чисел от 0 до 25. Последовательности являются генераторами — значения генерируются по требованию (т. е. вычисляются лениво ), в то время как списки и массивы вычисляются быстро.

F# использует сопоставление с образцом для привязки значений к именам. Сопоставление с образцом также используется при доступе к дискриминированным объединениям — объединение сопоставляет значение с правилами образца, и правило выбирается, когда сопоставление успешно. F# также поддерживает активные образцы как форму расширяемого сопоставления с образцом. ^[54] Он используется, например, когда существует несколько способов сопоставления по типу. ^[52]

F# поддерживает общий синтаксис для определения композиционных вычислений, называемыйВыражения вычислений . Выражения последовательностей, асинхронные вычисления и запросы являются особыми видами выражений вычислений. Выражения вычислений являются реализацией шаблонамонады.^[53]

Поддержка F# для императивного программирования включает

• for петли
• while петли
• массивы , созданные с помощью [| ... |]синтаксиса
• хэш-таблица , созданная с использованием dict [ ... ]синтаксиса или System.Collections.Generic.Dictionary<_,_>типа.

Значения и поля записи также могут быть помечены как mutable. Например:

// Определить 'x' с начальным значением '1' let mutable x = 1 // Изменить значение 'x' на '3' x <- 3      

Кроме того, F# поддерживает доступ ко всем типам и объектам CLI, таким как те, которые определены в System.Collections.Genericпространстве имен, определяющем императивные структуры данных.

Как и другие языки Common Language Infrastructure (CLI), F# может использовать типы CLI посредством объектно-ориентированного программирования. ^[52] Поддержка F# объектно-ориентированного программирования в выражениях включает:

• Точечная нотация, например,x.Name
• Объектные выражения, например, }{ new obj() with member x.ToString() = "hello"
• Строительство объектов, например,new Form()
• Типовые испытания, например,x :? string
• Приведения типов, например,x :?> string
• Именованные аргументы, например,x.Method(someArgument=1)
• Именованные сеттеры, например,new Form(Text="Hello")
• Необязательные аргументы, например,x.Method(OptionalArgument=1)

Поддержка объектно-ориентированного программирования в шаблонах включает

• Типовые испытания, например,:? string as s
• Активные шаблоны, которые могут быть определены по типам объектов ^[54]

Определения типов объектов F# могут быть определениями типов class, struct, interface, enum или delegate, соответствующими формам определений, найденным в C# . Например, вот класс с конструктором, принимающим имя и возраст и объявляющим два свойства.

/// Простое определение типа объекта type Person ( name : string , age : int ) = member x . Name = name member x . Age = age               

F# поддерживает асинхронное программирование через асинхронные рабочие процессы . ^[55] Асинхронный рабочий процесс определяется как последовательность команд внутри async{ ... }, как в

пусть asynctask = async { пусть req = WebRequest.Create ( url ) пусть ! response = req.GetResponseAsync ( ) используйте stream = response.GetResponseStream ( ) используйте streamreader = new System.IO.StreamReader ( stream ) return streamreader.ReadToEnd ( ) }​​​​​​​​                         

Указывает let!, что выражение справа (получение ответа) должно быть выполнено асинхронно, но поток должен продолжаться только тогда, когда результат доступен. Другими словами, с точки зрения блока кода это как если бы получение ответа было блокирующим вызовом, тогда как с точки зрения системы поток не будет заблокирован и может использоваться для обработки других потоков, пока не станет доступен результат, необходимый для этого.

Асинхронный блок может быть вызван с помощью Async.RunSynchronouslyфункции. Несколько асинхронных блоков могут быть выполнены параллельно с помощью Async.Parallelфункции, которая принимает список asyncобъектов (в примере asynctaskэто асинхронный объект) и создает другой асинхронный объект для параллельного выполнения задач в списках. Результирующий объект вызывается с помощью Async.RunSynchronously. ^[55]

Инверсия управления в F# следует этой схеме. ^[55]

Начиная с версии 6.0, F# поддерживает создание, использование и возврат задач .NET напрямую. ^[56]

 открыть System.Net.Http пусть fetchUrlAsync ( url : string ) = // string - > Task <string> задача { использовать client = new HttpClient ( ) пусть ! response = client.GetAsync ( url ) пусть ! content = response.Content.ReadAsStringAsync ( ) сделать ! Task.Delay 500 вернуть содержимое }                             // Использование let fetchPrint () = let task = task { let! data = fetchUrlAsync " https://example.com" printfn $ " {data}" } task.Wait ()                  

Параллельное программирование поддерживается частично посредством Async.Parallelи Async.Startдругих операций, которые запускают асинхронные блоки параллельно.

Параллельное программирование также поддерживается посредством Array.Parallelоператоров функционального программирования в стандартной библиотеке F#, прямого использования модели System.Threading.Tasksпрограммирования задач, прямого использования пула потоков .NET и потоков .NET, а также посредством динамической трансляции кода F# в альтернативные механизмы параллельного выполнения, такие как код GPU ^[9] .

Система типов F# поддерживает проверку единиц измерения для чисел. ^[57]

В F# вы можете назначать единицы измерения, такие как метры или килограммы, значениям с плавающей точкой, беззнаковым целым ^[58] и знаковым целым числам. Это позволяет компилятору проверять, что арифметика, включающая эти значения, является размерно согласованной, помогая предотвращать распространенные ошибки программирования, гарантируя, что, например, длины не будут ошибочно добавлены к времени.

Функция единиц измерения интегрируется с выводом типов F#, что требует минимальных аннотаций типов в пользовательском коде. ^[59]

[< Мера >] тип м // метр [< Мера >] тип с // секунда      пусть расстояние = 100 . 0 < м > // float<m> пусть время = 5 . 0 < с > // float<s> пусть скорость = расстояние / время // float<m/s>            [< Мера >] тип кг // килограмм [< Мера >] тип Н = ( кг * м )/( с ^ 2 ) // Ньютоны [< Мера >] тип Па = Н /( м ^ 2 ) // Паскали               [< Мера >] тип дней пусть better_age = 3u < дни > // uint<дни>       

Статическая проверка типов F# обеспечивает эту функциональность во время компиляции, но единицы стираются из скомпилированного кода. Следовательно, невозможно определить единицу значения во время выполнения.

F# допускает некоторые формы настройки синтаксиса посредством метапрограммирования для поддержки встраивания пользовательских доменно-специфичных языков в язык F#, в частности, посредством вычислительных выражений. ^[52]

F# включает функцию для метапрограммирования во время выполнения, называемую цитатами. ^[60] Выражение цитаты вычисляется в абстрактное синтаксическое дерево, представляющее выражения F#. Аналогично, определения, помеченные атрибутом, [<ReflectedDefinition>]также могут быть доступны в их форме цитаты. Цитаты F# используются для различных целей, включая компиляцию кода F# в код JavaScript ^[8] и GPU ^[9] . Цитаты представляют свои выражения кода F# как данные для использования другими частями программы, при этом требуя, чтобы это был синтаксически правильный код F#.

F# 3.0 представил форму метапрограммирования времени компиляции через статически расширяемую генерацию типов, называемую поставщиками типов F#. ^[61] Поставщики типов F# позволяют компилятору и инструментам F# расширяться компонентами, которые предоставляют информацию о типах компилятору по требованию во время компиляции. Поставщики типов F# использовались для предоставления строго типизированного доступа к подключенным источникам информации масштабируемым способом, включая граф знаний Freebase . ^[62]

В F# 3.0 функции цитирования и вычислительных выражений F# объединены для реализации запросов LINQ . ^[63] Например:

// Используйте поставщик типов OData для создания типов, которые можно использовать для доступа к базе данных Northwind. open Microsoft.FSharp.Data.TypeProviders тип Northwind = ODataService < "http://services.odata.org/Northwind/Northwind.svc" > пусть db = Northwind . GetDataContext ()      // Выражение запроса. let query1 = query { for customer in db . Customers do select customer }            

Сочетание поставщиков типов, запросов и строго типизированного функционального программирования известно как информационно-богатое программирование . ^[64]

F# поддерживает вариант модели программирования акторов посредством реализации в памяти легких асинхронных агентов. Например, следующий код определяет агента и отправляет 2 сообщения:

 тип сообщения = | Постановка строки в очередь | Вывод AsyncReplyChannel из очереди < Option < string >>           // Предоставляет одновременный доступ к списку строк let listManager = MailboxProcessor . Start ( fun inbox -> let rec messageLoop list = async { let ! msg = inbox . Receive () match msg with | Enqueue item -> return ! messageLoop ( item :: list )                              | Вывести replyChannel -> список соответствия с | [] -> replyChannel . Ответить Нет return ! messageLoop список | head :: tail -> replyChannel . Ответить ( Некоторые head ) return ! messageLoop tail }                            // Запустить цикл с пустым списком messageLoop [] )    // Использование async { // Поставить в очередь несколько строк listManager.Post ( Поставить в очередь "Hello" ) listManager.Post ( Поставить в очередь " World " )        // Извлечь из очереди и обработать строки let! str = listManager.PostAndAsyncReply ( Dequeue ) str |> Option.iter ( printfn " Dequeued : %s" )          } | > Асинхронный .Старт  

• Visual Studio с установленными инструментами Visual F# от Microsoft может использоваться для создания, запуска и отладки проектов F#. Инструменты Visual F# включают в себя интерактивную консоль REPL ( read–eval–print loop ), размещенную в Visual Studio, которая может выполнять код F# по мере его написания. Visual Studio для Mac также полностью поддерживает проекты F#.
• Visual Studio Code содержит полную поддержку F# через расширение Ionide.
• F# можно разрабатывать с помощью любого текстового редактора. Специальная поддержка существует в таких редакторах, как Emacs .
• JetBrains Rider оптимизирован для разработки кода F#, начиная с версии 2019.1. ^[65]
• LINQPad поддерживает F# начиная с версии 2.x. ^{[ чья? ]}

F# — язык программирования общего назначения .

SAFE Stack — это сквозной стек F# для разработки веб-приложений. Он использует ASP.NET Core на стороне сервера и Fable на стороне клиента. ^[68]

Альтернативным сквозным вариантом F# является фреймворк WebSharper . ^[69]

F# можно использовать вместе с Visual Studio Tools for Xamarin для разработки приложений для iOS и Android . Библиотека Fabulous обеспечивает более удобный функциональный интерфейс.

Среди прочего, F# используется для количественного финансового программирования, ^[70] торговли энергоносителями и оптимизации портфеля, ^[71] машинного обучения, ^[72] бизнес-аналитики ^[73] и социальных игр на Facebook . ^[74]

В 2010-х годах F# позиционировался как оптимизированная альтернатива C# . Возможность написания скриптов на F# и межъязыковая совместимость со всеми продуктами Microsoft сделали его популярным среди разработчиков. ^[75]

F# можно использовать в качестве языка сценариев, в основном для сценариев цикла чтения-вычисления-печати (REPL) для настольных систем. ^[76]

Сообщество F# с открытым исходным кодом включает F# Software Foundation ^[10] и F# Open Source Group на GitHub . ^[11] Популярные проекты F# с открытым исходным кодом включают:

• Fable — транслятор F# в Javascript на основе Babel.
• Paket — альтернативный менеджер пакетов для .NET, который по-прежнему может использовать репозитории NuGet , но имеет централизованное управление версиями.
• FAKE — дружественная к F# система сборки.
• Giraffe — функционально-ориентированное промежуточное программное обеспечение для ASP.NET Core .
• Suave — легкий веб-сервер и библиотека для веб-разработки.

В F# реализован устаревший «режим совместимости с ML», который позволяет напрямую компилировать программы, написанные на большом подмножестве OCaml, без функторов, объектов, полиморфных вариантов или других дополнений.

Ниже приведено несколько небольших примеров:

// Это комментарий к примеру программы Hello World. printfn "Hello World!" 

Определение типа записи. Записи по умолчанию неизменяемы и сравниваются по структурному равенству.

тип Человек = { Имя : строка Фамилия : строка Возраст : целое }         // Создание экземпляра записи let person = { FirstName = "John" ; LastName = "Doe" ; Age = 30 }             

Класс Person с конструктором, принимающим имя и возраст, а также два неизменяемых свойства.

/// Это комментарий к документации для определения типа. type Person ( name : string , age : int ) = member x . Name = name member x . Age = age /// создание экземпляра класса let mrSmith = Person ( "Smith" , 42 )                    

Простым примером, который часто используется для демонстрации синтаксиса функциональных языков, является функция факториала для неотрицательных 32-битных целых чисел, показанная здесь на F#:

/// Используя выражение сопоставления с образцом, пусть rec factorial n = match n with | 0 -> 1 | _ -> n * factorial ( n - 1 )                    /// Для функций с одним аргументом есть синтаксический сахар (функция сопоставления с образцом): let rec factorial = function | 0 -> 1 | n -> n * factorial ( n - 1 ) /// Использование оператора свертывания и диапазона let factorial n = [ 1 .. n ] |> Seq . fold (*) 1                            

Примеры итераций:

/// Итерация с использованием цикла 'for' let printList lst = for x in lst do printfn $ "{x}"            /// Итерация с использованием функции высшего порядка let printList2 lst = List . iter ( printfn "%d" ) lst        /// Итерация с использованием рекурсивной функции и сопоставления с образцом let rec printList3 lst = match lst with | [] -> () | h :: t -> printfn "%d" h printList3 t                     

Примеры Фибоначчи:

/// Формула числа Фибоначчи [< TailCall >] пусть fib n = пусть rec g n f0 f1 = сопоставить n с | 0 -> f0 | 1 -> f1 | _ -> g ( n - 1 ) f1 ( f0 + f1 ) g n 0 1                                    /// Другой подход - ленивая бесконечная последовательность чисел Фибоначчи let fibSeq = Seq . unfold ( fun ( a , b ) -> Some ( a + b , ( b , a + b ))) ( 0 , 1 )          // Печать четных чисел fibs [ 1 .. 10 ] |> Список . map fib |> Список . filter ( fun n -> ( n % 2 ) = 0 ) |> printList              // То же самое, используя выражение списка [ for i in 1 .. 10 do let r = fib i if r % 2 = 0 then yield r ] |> printList                     

Пример программы Windows Forms:

// Открываем библиотеку Windows Forms open System.Windows.Forms // Создаем окно и задаем несколько свойств let form = new Form ( Visible = true , TopMost = true , Text = "Welcome to F#" )      // Создаем метку для отображения текста в форме let label = let x = 3 + ( 4 * 5 ) new Label ( Text = $ "{x}" )              // Добавляем метку к форме form.Controls.Add ( label )// Наконец, запустите форму [< System . STAThread >] Application . Run ( form )

Пример асинхронного параллельного программирования (параллельные задачи ЦП и ввода-вывода):

/// Простой детектор простых чисел let isPrime ( n : int ) = let bound = int ( sqrt ( floatn ) ) seq { 2 ..bound } |> Seq .forall ( fun x - > n % x < > 0 )                        // Мы используем асинхронные рабочие процессы let primeAsync n = async { return ( n , isPrime n ) }          /// Возвращаем простые числа от m до n, используя несколько потоков let primes m n = seq { m .. n } |> Seq . map primeAsync |> Async . Parallel |> Async . RunSynchronously |> Array . filter snd |> Array . map fst                     // Запустить тест простых чисел 1000000 1002000 |> Array . iter ( printfn "%d" )      

• OCaml
• С#
• .NET Framework

• Сайм, Дон ; Гранич, Адам; Чистернино, Антонио (2007), Expert F # , Apress
• Харроп, Джон (2010), Visual F# 2010 для технических вычислений , Flying Frog Consultancy
• Пикеринг, Роберт (2007), Основы F# , Apress
• Смит, Крис (2009), Программирование F# , O'Reilly
• Петричек, Томас (2009), Функциональное программирование в реальном мире с примерами на F# и C# , Manning Publications
• Хансен, Майкл; Ришель, Ганс (2013), Функциональное программирование с использованием F # , Cambridge University Press
• Астборг, Йохан (2013), F# для количественных финансов, Packt Publishing
• Ландин, Микаэль (2015), Тестирование с помощью F#, Packt Publishing

В Wikibooks есть книга по теме: Программирование нотами фа-диез

• Официальный сайт F# Software Foundation
• Группа разработчиков открытого исходного кода F# на GitHub
• Центр разработчиков Visual F# Архивировано 19 ноября 2008 г. на Wayback Machine
• Попробуйте F#, для изучения F# в веб-браузере
• Сайт фрагментов F#
• Блог команды Visual F#
• Оригинальный веб-сайт Microsoft Research для F#
• Руководство по выживанию в F#, декабрь 2009 г. (электронная книга)
• Спецификация языка F#
• Введение в программирование на F# Архивировано 13 июля 2011 г. на Wayback Machine
• Учебное пособие, демонстрирующее процесс создания функционального проекта; включает в себя тестирование и параллельное кодирование.