Programación funcional para niños
En el mundo de la informática, la programación funcional es una forma de crear programas de computadora que se basa en el uso de funciones matemáticas. Imagina que cada parte de tu programa es como una función en matemáticas: siempre que le das los mismos datos de entrada, siempre te dará el mismo resultado.
En este estilo de programación, las funciones son muy importantes. Pueden guardarse en variables o usarse como si fueran cualquier otro valor. Además, se pueden crear funciones especiales que trabajan con otras funciones, llamadas "funciones de orden superior".
La programación funcional tiene sus orígenes en el cálculo lambda, una idea matemática de los años 1930 que ayudó a entender cómo funcionan las operaciones y la recursión (cuando algo se repite a sí mismo). Los lenguajes funcionales prefieren usar la recursividad y estas funciones especiales para resolver problemas, en lugar de los "ciclos" o "bucles" que se usan en otros tipos de programación.
Una característica clave de la programación funcional es que busca evitar cambiar los datos una vez que se han creado. Esto significa que, si llamas a una función con los mismos datos, siempre obtendrás el mismo resultado. Esto es útil porque permite que las computadoras trabajen en diferentes partes del programa al mismo tiempo sin problemas.
Aunque la programación funcional ha sido muy estudiada en universidades, también se usa en el mundo real. Lenguajes como Lisp, Erlang, Rust, Scala, Haskell y otros, se han utilizado en aplicaciones comerciales e industriales. Incluso lenguajes que usas a diario, como los de las hojas de cálculo, tienen ideas de la programación funcional.
Muchos lenguajes de programación populares, como Perl, JavaScript y Python, no son puramente funcionales, pero han añadido características que permiten programar con este estilo. Incluso lenguajes más antiguos como C++ y Java han incorporado algunas ideas de la programación funcional en sus versiones más recientes.
Contenido
¿Para qué sirve la Programación Funcional?
La programación funcional se enfoca en dividir las tareas grandes en muchas funciones pequeñas. Esto hace que cada función sea como una herramienta que puede usarse de diferentes maneras para lograr distintos objetivos.
El objetivo principal es crear programas que sean claros y se parezcan a las matemáticas. Así, no necesitas preocuparte tanto por cómo la computadora hace las cosas, sino más bien por describir qué quieres que haga el programa. La forma en que el programa funciona se basa en ir de ideas generales a ideas más específicas y definidas.
Como este tipo de programación no cambia los datos una vez creados, es muy útil para manejar información, pero no tanto para crearla o modificarla directamente.
Características Principales
fold(f, [1,2,3,4,5]) Una función de orden superior llamada "fold" (o "reduce"). Toma una función f (como la suma) y una lista de números. Luego aplica la función a los números de la lista, uno por uno, usando el resultado anterior. Esto puede servir para hacer cosas como sumar todos los números de una lista.Los programas funcionales están hechos solo de definiciones de funciones. Estas funciones son como las matemáticas: si les das la misma entrada, siempre dan la misma salida. Esto se llama transparencia referencial. Significa que el resultado de una parte del programa solo depende de lo que hay dentro de esa parte, y no de cosas que cambien fuera de ella.
Otra característica es que no se suelen "asignar" valores a variables que luego cambian. Además, no usan los "ciclos" o "bucles" que ves en otros lenguajes. En su lugar, las repeticiones se hacen usando funciones recursivas, donde una función se llama a sí misma.
Hay dos tipos principales de lenguajes funcionales:
- Puros: Son muy estrictos y solo usan ideas de la programación funcional. Son muy potentes y mantienen la transparencia referencial.
- Híbridos: Son más flexibles y permiten usar algunas ideas de otros tipos de programación, como cambiar variables o hacer las cosas en un orden específico.
Funciones de Primera Clase y de Orden Superior
Las funciones de orden superior son funciones que pueden recibir otras funciones como datos de entrada o devolverlas como resultado. Por ejemplo, en matemáticas, el operador que calcula la derivada de una función es una función de orden superior.
Las funciones de primera clase son un concepto de la informática que significa que las funciones pueden usarse como cualquier otro dato en el programa, como los números. Pueden pasarse como argumentos a otras funciones o ser el resultado de ellas. Las funciones de orden superior y las de primera clase están muy relacionadas porque ambas permiten que las funciones interactúen entre sí de formas avanzadas.
Estas funciones especiales permiten técnicas como la "aplicación parcial", donde una función se aplica a sus datos de entrada uno por uno, creando nuevas funciones en cada paso.
Funciones Puras
Las funciones puras son aquellas que no tienen "efectos secundarios". Esto significa que no cambian nada fuera de ellas mismas, como la memoria de la computadora o la pantalla. Esto tiene varias ventajas:
- Si el resultado de una función pura no se usa, se puede eliminar sin afectar el resto del programa.
- Si llamas a una función pura con los mismos datos, siempre obtendrás el mismo resultado. Esto es útil para guardar resultados y no tener que calcularlos de nuevo.
- Si dos funciones puras no dependen una de la otra, pueden ejecutarse en cualquier orden o al mismo tiempo sin problemas.
- Si un lenguaje solo permite funciones puras, el programa puede decidir el mejor orden para hacer los cálculos, lo que puede hacerlo más rápido.
Muchos programas que traducen el código (compiladores) pueden detectar funciones puras y hacer que el programa sea más eficiente. Algunos lenguajes incluso permiten que el programador marque una función como "pura" para ayudar al compilador.
Recursividad
En los lenguajes funcionales, las tareas que se repiten se hacen normalmente con recursión. Una función recursiva se llama a sí misma una y otra vez hasta que llega a un punto final. Aunque a veces la recursión puede usar mucha memoria, hay una técnica llamada "recursión de cola" que los compiladores pueden optimizar para que funcione tan eficientemente como un bucle.
Algunos lenguajes funcionales permiten la recursión sin límites, lo que los hace muy potentes. Otros, especialmente los usados en investigación, solo permiten una recursión más controlada para asegurar que los programas siempre terminen y sean más fáciles de entender.
Evaluación Estricta y No Estricta
Los lenguajes funcionales pueden ser "estrictos" o "no estrictos" en cómo manejan los datos de entrada de las funciones.
- Evaluación estricta: Calcula todos los datos de entrada de una función antes de ejecutar la función. Si uno de los cálculos falla (por ejemplo, una división por cero), todo el programa fallará.
- Evaluación no estricta (o perezosa): Solo calcula los datos de entrada cuando realmente los necesita la función. Por ejemplo, si tienes una lista de números y uno de ellos causa un error, pero la función solo necesita saber cuántos números hay en la lista, la función puede darte el resultado (el número de elementos) sin fallar, porque no necesita calcular el valor del elemento con error.
La evaluación no estricta es la forma predeterminada en muchos lenguajes funcionales puros como Haskell. Puede ayudar a que los programas sean más modulares y eficientes, pero a veces puede ser un poco más difícil de entender cómo usa la memoria.
Sistemas de Tipos
Desde los años 70, muchos lenguajes de programación funcional han usado "sistemas de tipos". Esto significa que el programa sabe qué tipo de datos está manejando (números, texto, etc.).
Usar tipos de datos especiales y la "coincidencia de patrones" hace que sea más fácil trabajar con estructuras de datos complejas. Además, si el programa revisa los tipos de datos antes de ejecutarse, es más probable que funcione correctamente.
Algunos lenguajes de investigación usan sistemas de tipos muy avanzados que permiten que los tipos dependan de los valores. Estos sistemas son tan expresivos que pueden usarse para escribir pruebas matemáticas formales, y el compilador puede verificar que esas pruebas son correctas.
Programación Funcional en Otros Lenguajes
Aunque un lenguaje no sea puramente funcional, es posible usar un estilo de programación funcional en él. Muchos lenguajes populares han añadido características que lo permiten. Por ejemplo, Python tiene funciones para filtrar, mapear y reducir listas. Java y C# también han incorporado "expresiones lambda" que son similares a las funciones de primera clase.
Incluso muchas ideas de la programación orientada a objetos se pueden expresar usando conceptos de la programación funcional. Por ejemplo, la idea de tener datos que no cambian (inmutables) se ha adoptado en lenguajes imperativos, como las "tuplas" en Python, que son listas de datos que no se pueden modificar.
Ventajas de la Programación Funcional
Usar la programación funcional tiene varias ventajas:
- Menos errores inesperados: Como las funciones no cambian cosas fuera de ellas, es más fácil predecir lo que harán.
- Depuración más sencilla: Encontrar y corregir errores es menos complicado.
- Pruebas más confiables: Es más fácil probar pequeñas partes del programa de forma independiente.
- Facilidad para la ejecución paralela: Como los datos no cambian, es más fácil que diferentes partes del programa se ejecuten al mismo tiempo en diferentes procesadores.
Cómo se manejan los "estados"
Algunas tareas, como llevar la cuenta de un saldo bancario, parecen necesitar que los datos cambien. La programación funcional pura maneja esto de una forma diferente.
Lenguajes como Haskell usan algo llamado "mónadas". Las mónadas son una forma de organizar cálculos que parecen tener pasos secuenciales o cambiar datos, pero sin perder la "pureza" de la programación funcional. Aunque las mónadas pueden ser un poco difíciles de entender al principio, son muy útiles para manejar tareas como la entrada y salida de datos.
Otra forma es pasar una copia de los datos actuales como un "parámetro" a cada función. Cada vez que una función se ejecuta, crea una nueva copia de los datos con los cambios, en lugar de modificar los originales.
Los lenguajes funcionales que no son puramente funcionales suelen tener formas más directas de manejar los cambios de datos. Por ejemplo, Clojure usa un sistema que permite actualizar datos aplicando funciones puras a su estado actual.
Eficiencia
A veces, los programas funcionales pueden ser un poco menos eficientes en el uso de la memoria y la velocidad que los programas escritos en lenguajes como C. Esto se debe a que los lenguajes imperativos están muy optimizados para trabajar con la forma en que las computadoras almacenan y acceden a los datos.
Sin embargo, esto no siempre es así. Para cálculos numéricos intensivos, algunos lenguajes funcionales son casi tan rápidos como C. Y para trabajar con grandes cantidades de datos, lenguajes funcionales como J y K están diseñados para ser muy rápidos.
El hecho de que los datos no cambien puede permitir que el compilador haga el programa más eficiente. Además, la "evaluación perezosa" (no calcular algo hasta que sea necesario) también puede mejorar la velocidad, aunque si no se usa correctamente, puede consumir más memoria.
Lenguajes Funcionales Importantes
Entre los lenguajes funcionales puros más conocidos están Haskell y Miranda.
Los lenguajes funcionales híbridos más populares incluyen Scala, Lisp, Clojure, Scheme, OCaml y Standard ML.
Erlang es otro lenguaje funcional muy usado para programas que necesitan funcionar sin fallar y manejar muchas tareas al mismo tiempo. Mathematica también permite la programación funcional.
R es un lenguaje funcional especializado en estadística. Microsoft Research también está desarrollando F#.
Otros lenguajes que pueden usarse con un estilo funcional son Perl, Python y Ruby, aunque son lenguajes de propósito general.
Estilos de Codificación
Mientras que los programas escritos en un estilo imperativo suelen decir a la computadora "qué pasos seguir", los programas funcionales se enfocan más en "cómo combinar y organizar las funciones" sin especificar los pasos de forma tan explícita.
Uso en la Industria
La programación funcional es más popular en el mundo académico que en las empresas. Sin embargo, cada vez más lenguajes funcionales se usan en sistemas comerciales e industriales importantes.
Un ejemplo es Erlang, que fue creado para sistemas de telecomunicaciones que necesitan ser muy confiables y no fallar. Empresas como WhatsApp, Facebook y T-Mobile han usado Erlang en algunos de sus proyectos.
Otro ejemplo es Scheme, una variante de Lisp, que se usó para desarrollar aplicaciones en las primeras computadoras Apple Macintosh. Hoy en día, se usa para sistemas de simulación y control de telescopios.
Haskell, que comenzó como un lenguaje de investigación, se ha utilizado en sistemas aeroespaciales, desarrollo web y diseño de hardware. Otros lenguajes funcionales también se han usado en finanzas y comercio.
Véase también
- Lenguaje de programación
- Programación por procedimientos
- Cálculo Lambda
- Teoría de categorías
