Standard ML

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «SML»)
Перейти к: навигация, поиск
Standard ML
Семантика:

Формальная, ориентированная на интерпретацию

Класс языка:

аппликативный,
функциональный,
императивный

Тип исполнения:

общего назначения

Появился в:

1984[1], 1990[2], 1997[3]

Автор:

Робин Милнер и другие>>>

Расширение файлов:

.sml

Выпуск:

SML/NJ 110.76,
MLton 20130715

Система типов:

Хиндли — Милнера

Основные реализации:

много>>>

Диалекты:

Alice>>>, SML#>>>, Manticore>>> и другие

Испытал влияние:

Lisp, ISWIM, ML, POP-2[en], Hope, Clear[en][4]

Повлиял на:

Erlang, OCaml, Haskell,
successor ML (sML)

Лицензия:

открытое ПО

Сайт:

sml-family.org

Платформа:

x86, AMD64, PowerPC, ARM, SPARC, S390, DEC Alpha, MIPS, HPPA, PDP-11,
JVM, .Net, LLVM, C--,
TAL[en], Си[5], Ada[6]

ОС:

Standard ML — компилируемый язык программирования общего назначения высшего порядка[en], основанный на системе типов Хиндли — Милнера.

Отличается математически точным определением (гарантирующим идентичность смысла программ вне зависимости от компилятора и аппаратного обеспечения), имеющим доказанную надёжность статической и динамической семантики. Является «в основном функциональным» языком[7][8], то есть поддерживает большинство технических свойств функциональных языков, но также предоставляет развитые возможности императивного программирования при необходимости. Сочетает устойчивость программ, гибкость на уровне динамически типизируемых языков и быстродействие>>> на уровне языка Си; обеспечивает превосходную поддержку как быстрого прототипирования, так и модульности и крупномасштабного программирования[en][9][10].

SML был первым самостоятельным компилируемым языком в семействе ML и до сих пор служит опорным языком в сообществе по развитию ML (successor ML)[11]. В SML впервые была реализована уникальная аппликативная система модулей — см. язык модулей ML.

Содержание

Общие сведения[править | править вики-текст]

Язык изначально ориентирован на крупномасштабное программирование[en] программных систем: он предоставляет эффективные средства абстракции и модульности, обеспечивая высокий коэффициент повторного использования кода, и это делает его подходящим также для быстрого прототипирования программ, в том числе и крупномасштабных[en]. Например, в процессе разработки (тогда ещё экспериментального) компилятора SML/NJ[en]>>> (60 тысяч строк на SML), порой приходилось вносить радикальные изменения в реализации ключевых структур данных, влияющих на десятки модулей — и новая версия компилятора была готова в течение дня.[9] (см. также ICFP Programming Contest за 2008, 2009.) При этом, в отличие многих других языков, подходящих для быстрого прототипирования, SML может очень эффективно компилироваться>>>.

SML известен своим относительно низким порогом вхождения и служит языком обучения программированию во многих университетах мира[12]. Обширно документирован в рабочем виде, активно используется учёными в качестве базы для исследования новых элементов языков программирования и идиом (см., например, полиморфизм структурных типов). К настоящему времени все реализации языка (включая устаревшие) стали открытыми и свободными.

Отличительные особенности[править | править вики-текст]

Язык имеет математически точное (англ. rigorous) формальное определение, называемое «Определением»>>> (англ. The Definition). Для Определения построено доказательство полной типобезопасности, что гарантирует устойчивость программ и предсказуемое поведение даже при некорректных входных данных и возможных ошибках программистов. Даже содержащая ошибку программа на SML всегда продолжает вести себя как ML-программа: она может навечно уйти в расчёты или породить исключение, но она не может обрушиться[en][13].

SML является в основном функциональным (mostly functional или primarily functional) языком[7][8], то есть поддерживает большинство технических свойств функциональных языков, но также предоставляет возможности императивного программирования. Его чаще называют «языком высшего порядка[en]», чтобы подчеркнуть поддержку первоклассных функций и при этом отличить его от ссылочно-прозрачных языков.

SML реализует выдающиеся средства поддержки крупномасштабного программирования[en] за счёт наиболее мощной и выразительной системы модулей среди известных — см. язык модулей ML. В SML реализована ранняя версия языка модулей, являющаяся отдельным слоем языка: модули могут содержать объекты ядра языка, но не наоборот[14].

В отличие многих других языков семейства ML (OCaml, Haskell, F#, Felix, Opa, Nemerle и др.), SML весьма минималистичен: он не имеет изначально встроенных средств объектно-ориентированного программирования, средств конкурентности, ad hoc полиморфизма, динамической типизации, генераторов списков и многих других возможностей. Однако, SML отличается ортогональностью[15] (то есть реализует минимально необходимый, но полный набор максимально различных элементов), что позволяет сравнительно легко эмулировать прочие возможности, и необходимые для этого приёмы широко освещены в литературе>>>. Фактически, SML позволяет использовать сколь угодно высокоуровневую функциональность в качестве примитивной для реализации функциональности ещё более высокого уровня[16]. В частности, построены модели реализации классов типов и монад с использованием только стандартных конструкций SML, а также средств объектно-ориентированного программирования[17]. Более того, SML является одним из немногих языков, в котором непосредственно реализованы продолжения первого класса.

Возможности[править | править вики-текст]

Мощная выразительная система типов

Система типов Хиндли — Милнера (Х-М) является отличительной особенностью ML и его потомков. Она обеспечивает надёжность программ за счёт раннего выявления ошибок, высокий коэффициент повторного использования кода, высокий потенциал к оптимизации, сочетая эти качества с немногословностью и выразительностью на уровне динамически типизируемых языков. Наиболее характерными чертами, присущими Х-М, являются полиморфизм типов, а также алгебраические типы данных и сопоставление с образцом на них.

Реализация Х-М в SML имеет следующие особенности:

Поддержка функционального программирования
Поддержка императивного программирования
Обеспечение высокой эффективности программ

Способы использования[править | править вики-текст]

В отличие от многих языков, SML предоставляет большое многообразие способов своего использования[21]:

При этом в определённых режимах возможны самые разные целевые платформы и стратегии компиляции>>>:

  • в машинный код (на данный момент покрывается порядка десятка семейств архитектур; теоретически кроссплатформенность может быть существенно шире, чем у всех потомков Алгола и BCPL, за счёт более высокого уровня абстракции от машинного языка[22], и в каждом случае потенциально возможно создание эффективно оптимизирующего компилятора)
  • в общепринятые байт-коды (JVM, .Net)
  • в собственные байт-коды
  • в языки программирования общего назначения семантически более низкого уровня (Си, Ada, Java, Ассемблер — только пакетно или полнопрограммно)
  • в другие диалекты ML (см. Isabelle[en] и преобразование программ[en])

Сами стратегии компиляции также существенно различаются:

  • преобразование замыканий[en], в стиле передачи продолжений, представление адресов функций глобальным вариантным типом.
  • сохранение явных потоков исходного кода, автоматическое распараллеливание, уплощение многопоточного исходного кода до линейного.
  • обёрнутое (boxed) или не-обёрнутое (unboxed) представление примитивных типов
  • динамическая или статическая сборка мусора (см. выведение регионов[en]), в одном потоке с приложением или в отдельном, полностью автоматическая или с возможностью явного контроля.

Язык[править | править вики-текст]

Базовая семантика[править | править вики-текст]

Объявления, выражения, блоки, функции[править | править вики-текст]

Примитивные типы[править | править вики-текст]

Составные и определяемые типы[править | править вики-текст]

Мутабельные значения[править | править вики-текст]

Ограничение на значения[править | править вики-текст]

Ограничение на значения (англ. value restriction)

Управляющие конструкции[править | править вики-текст]

Крупномасштабное программирование[править | править вики-текст]

Модульность[править | править вики-текст]

Система модулей SML является наиболее развитой системой модулей в языках программирования. Она повторяет семантику ядра ML (англ. Core ML), так что зависимости между крупными компонентами программ строятся подобно зависимостям мелкого уровня. Эта система модулей состоит из трёх видов модулей: структур (structure), сигнатур (signature) и функторов (functor). Структуры похожи на модули в большинстве языков программирования. Сигнатуры служат интерфейсами структур, но не привязываются к жёстко к определённым структурам, а выстраивают отношения по схеме «многие-ко-многим», позволяя гибко управлять видимостью компонентов структур в зависимости от нужд контекста программы. Функторы представляют собой «функции над структурами», позволяя разрывать зависимости времени компиляции и описывать параметризованные модули (большинство языков не имеют ничего, сравнимого с ними[23]). Это даёт возможность типобезопасным образом описывать вычисления над компонентами программ, которые в других языках могут реализовываться только посредством метапрограммирования[24]. Обычно платой за это является некоторое снижение производительности программ, но методы полнопрограммной оптимизации успешно решают эту проблему.

Синтаксис и синтаксический сахар[править | править вики-текст]

Синтаксис языка очень краток, по количеству зарезервированных слов занимает промежуточную позицию между Haskell и Pascal[25].

SML имеет контекстно-свободную грамматику, хотя в ней отмечены некоторые неоднозначности. SML/NJ[en]>>> использует LALR(1), но в одном месте присутствует LALR(2).

Список ключевых слов языка (совпадающие с ними идентификаторы не допускаются)[26]:

abstype and andalso as case datatype do
else end eqtype exception fn fun functor
handle if in include infix infixr let local
nonfix of op open orelse raise rec
sharing sig signature struct structure
then type val where while with withtype

Допустимы также символьные идентификаторы — то есть имена типов, данных и функций могут состоять из следующих небуквенных символов:

! % & $ # + - * / : < = > ? @ \ ~ ' ^ |

Имена из этих символов могут быть любой длины[26]:

val ----> = 5
fun !!?©**??!! x = x - 1
infix 5 $^$^$^$ fun a $^$^$^$ b = a + b
val :-|==>-># = List.foldr

Разумеется, использование таких имён на практике не желательно, но если предыдущий автор поддерживаемого кода их интенсивно применял, то благодаря формальному определению, становится возможным (и SML сам позволяет довольно легко эту задачу решить) написание препроцессора для исправления мнемоники.

Исключаются лишь следующие цепочки символов:

:  |  =  =>  ->  #  :>

Причина этого ограничения заключена в их особой роли в синтаксисе языка:

:явное[en] аннотирование типа значения
| — разделение образцов
= — отделение тела функции от её заголовка
=> — отделение тела лямбда-функции от её заголовка
->конструктор функционального (стрелочного) типа
# — доступ к полю записи
:>сопоставление структуры с сигнатурой

В SML не предусматрено встроенного синтаксиса для массивов и векторов (константных массивов). Некоторые реализации в той или иной мере поддерживают синтаксис для массивов ([|1,2,3|]) и векторов (#[1,2,3]) в качестве расширения.

Операция присваивания записывается как в языках семейства Паскаль: x:=5

Экосистема языка[править | править вики-текст]

Стандартная библиотека[править | править вики-текст]

Стандартная библиотека SML носит название Базиса (англ. Basis). Она формировалась много лет, пройдя тщательное тестирование на реальных задачах на базе SML/NJ[en]>>>, её черновик был опубликован в 1996 году[27], и затем её спецификация была официально издана в 2004 году[28]. В этот период уже появлялись руководства по её использованию[29]. Базисная библиотека реализует лишь необходимый минимум модулей: тривиальные типы данных, арифметика над ними, ввод/вывод, платформенно-независимый интерфейс к операционной системе, и т. п., но не реализует более сложную функциональность (например, многопоточность). Многие компиляторы дополнительно представляют различные экспериментальные библиотеки.

Как и в большинстве языков, в Базисе SML действует ряд определённых архитектурных и синтаксических соглашений. Компиляторы могут использовать знания о Базисе для применения заранее оптимизированных алгоритмов и специализированных техник оптимизации: например, MLton>>> использует нативное представление типов Базиса (в точности соответствующее примитивным типам языка Си), а также простейших агрегатных типов, составленных из них.

Инструментарий разработки[править | править вики-текст]

К настоящему времени Standard ML полностью стал достоянием общественности: все реализации являются бесплатными и открытыми и распространяются под самыми лояльными лицензиями (BSD-style, MIT); тексты Определения языка>>> (как в версии 1990 года, так и в ревизированной версии 1997 года) и спецификации Базиса>>> также доступны бесплатно>>>.

SML имеет большое число реализаций. Значительная их часть написана на самом SML; исключение составляют рантаймы некоторых компиляторов, написанные на Си и Ассемблере, а также система Poplog[en]>>>. Большинство реализаций достаточно строго соответствуют Определению>>>. Различия заключаются в технических деталях, таких как бинарный формат раздельно компилируемых модулей, реализация FFI>>> и др. На практике, реальная программа должна отталкиваться от некоего базиса (минимального набора типов, средств ввода-вывода и т. д.). Однако, Определение предъявляет лишь минимальные требования к составу начального базиса, так что единственный обозримый результат корректной программы согласно Определению состоит в том, что программа завершается либо порождает исключение, и большинство реализаций совместимы на этом уровне[30].

Однако, даже в стандартном Базисе>>> заложены определённые потенциальные проблемы портируемости. Например[30], константа Int.maxInt содержит значение наибольшего возможного целого, упакованное в опциональный тип[en], и его необходимо извлекать либо сопоставлением с образцом, либо вызовом функции valOf. Для типов конечной размерности значение IntN.maxInt равно SOME(m), и использование обоих способов извлечения равнозначно. Но IntInf.maxInt равно NONE, так что прямое обращение к содержимому через valOf породит исключение Option. По умолчанию IntInf открыта, например, в компиляторе Poly/ML>>>.

Диалекты, расширения[править | править вики-текст]

SML#[править | править вики-текст]

SML#[34] консервативно расширяет SML полиморфизмом записей в модели Атсуши Охори, который в SML# используется для бесшовного встраивания SQL в код на SML для интенсивного database-программирования.

Символ решётки (#) в названии языка символизирует селектор (операцию выбора поля из записи). Одноимённый компилятор>>> претендует на хорошее быстродействие. Разработан и развивается в институте Тохоку (Япония) под руководством самого Охори.

Alice[править | править вики-текст]

Alice ML консервативно расширяет SML примитивами для конкурентного программирования на основе экзотичной стратегии вычисления «call by future (вызов по будущности)», решателем в ограничениях, а также всеми согласованными элементами проекта successor ML. В частности, Alice поддерживает модули первого класса в форме пакетов с динамической загрузкой и динамической типизацией, что позволяет реализовывать распределённые вычисления. Alice также наделяет будущности первоклассными свойствами, в том числе, предоставляя будущности уровня модулей (будущные структуры и будущные сигнатуры). Одноимённый компилятор>>> использует виртуальную машину. Разработан и развивается в Саарландском университете под руководством Андреаса Россберга.

Concurrent ML[править | править вики-текст]

Concurrent ML (CML) — библиотека, воплощающая встраиваемый язык, который расширяет SML конструкциями конкурентного программирования высшего порядка[en] на основе модели синхронной передачи первоклассных сообщений. Входит в стандартную поставку компиляторов SML/NJ[en]>>> и MLton. Ключевые идеи CML лежат в основе проекта Manticore>>> и включены в проект successor ML[11].

Manticore[править | править вики-текст]

Manticore[35] реализует всестороннюю поддержку конкурентного и параллельного программирования, от логической декомпозиции системы на процессы до тонкого котроля за максимально эффективным использованием многоядерных систем. Manticore основан на подмножестве SML, исключая мутабельные массивы и ссылки, то есть является чистым языком, сохраняя строгий порядок вычисления. Механизмы явной конкурентности и грубого параллелизма (потоки) основаны на CML>>>, а механизмы тонкого параллелизма уровня данных (параллельные массивы) — аналогичны NESL[en]. Одноимённый компилятор>>> порождает нативный код.

MLPolyR[править | править вики-текст]

MLPolyRигрушечный язык[en], основанный на простейшем подмножестве SML и дополняющий его несколькими уровнями типобезопасности. Целью проекта является глубокое исследование полиморфизма записей для нужд проекта successor ML. Инновационная система типов MLPolyR решает проблему выражения[en] и гарантирует отсутствие необработанных исключений в программах. Разработан под руководством Матиаса Блюма (автора NLFFI>>>) в Технологическом Институте Тойота в Чикаго[en], США.

Mythryl[править | править вики-текст]

Mythryl (сайт проекта) — синтаксический вариант SML, нацеленный на повышение скорости разработки под POSIX. Новый синтаксис во многом заимствован из Си; терминология также пересмотрена под более традиционную (например, функторы переименованы в дженерики). При этом авторы подчёркивают, что не намерены создать «очередную свалку языковых возможностей», а придерживаются минималистичной природы SML и опираются на его Определение>>>. Реализация является форком SML/NJ[en]>>>.

Прочие[править | править вики-текст]

Утилиты[править | править вики-текст]

  • Compilation Manager (CM) и MLBasis System (MLB) — расширения компиляторов для лучшей поддержки модульности (контроля зависимостей). В принципе, для этой цели мог бы использоваться и традиционный для большинства языков make, но язык модулей SML значительно мощнее средств модульности других языков, а make его преимуществ не поддерживает, и не пригоден для работы в режиме REPL[42]. CM изначально реализован в SML/NJ[en], затем портирован на MLton. Позже в составе MLton была предложена система MLB и конвертор файлов формата .cm в формат .mlb. Поддержка MLB была добавлена в ML Kit.

Межъязыковое взаимодействие[править | править вики-текст]

  • FFI[en] (Foreign Function Interface — рус. интерфейс к чужеродным функциям) — межъязыковые привязки[en]. В разных компиляторах имеет разную реализацию, что тесно связано с представлением данных (прежде всего, обёрнутое или необёрнутое, теговое или бестеговое). В SML/NJ FFI основан на динамической кодогенерации, и если функция принимает на вход данные общим объёмом n байт и возвращает m байт, то её вызов имеет сложность n+m[44]. Некоторые компиляторы (MLton>>>, SML#>>>) используют необёрнутое и бестеговое представление данных и обеспечивают прямые обращения к функциям и данным Си. В последнем случае вынесение медлительных функций в код на Си может существенно повышать общее быстродействие программы[45].
  • NLFFI (No-Longer-Foreign Function Interface — рус. интерфейс к отныне-более-не-чужеродным функциям)[46] — альтернативный, более высокоуровневый интерфейс внешних функций[en]. NLFFI автоматически порождает связующий код, позволяя подключать *.h-файлы (заголовочные файлы Си) непосредственно в состав проекта на SML (CM>>> или MLB>>>), что снимает необходимость ручного кодирования определений FFI>>>. Конструктивно идея NLFFI состоит в моделировании системы типов Си посредством типов ML; реализация основана CKit>>>. Поставляется с SML/NJ[en] и MLton.
  • CKit — фронт-энд языка Си, написанный на SML. Осуществляет трансляцию исходных кодов на Си (с учётом препроцессора) в AST, реализуемое посредством структур данных языка SML. Лежит в основе реализации NLFFI>>>.

Идеоматика, соглашения[править | править вики-текст]

К оформлению программ на SML не предъявляется никаких требований, поскольку грамматика языка полностью контекстно-свободна и не содержит явных неоднозначностей. Тем не менее, в ней отмечаются частные проблемы, например, при передаче оператора умножения op * закрывающую скобку необходимо отделять пробелом ((op * )), так как при сплошном написании многие реализации (не все) принимают пару символов *) за закрытие комментария в коде и выдают ошибку.

Однако, всё же существуют определённые рекомендации, нацеленные на улучшение читабельности, модульности и повторного использования кода, а также раннего обнаружения ошибок и повышения модифицируемости (но не для внесения информации о типах в идентификаторы, как это делается, например, в венгерской нотации)[47]. В частности, в SML рекомендуется правило именования идентификаторов уровня ядра языка, аналогичное тому, что требуется в Haskell: fooBar для значений, foo_bar для конструкторов типов, FooBar для конструирующих функций (некоторые компиляторы даже выдают предупреждение при его нарушении). Это связано с особенностью работы механизма сопоставления с образцом, который в общем случае не способен отличить ввод локальной переменной от использования нуль-арного конструктора типов, так что опечатки могут приводить к (сравнительно легко обнаружимым) ошибкам[48].

Наиболее непривычными и неожиданными могут быть:

  • предпочтение шага отступа в три символа (не в четыре)
  • частое применение апострофа в идентификаторах (аналогично принятому в математике): если на основе x требуется построить «новый x», то в большинстве языков пишут «x1», а в SML, как и в математике, зачастую «x'» («икс-штрих»).
  • синтаксис бинарных логических операций «И» и «ИЛИ»: andalso и orelse, соответственно.[49]
  • синтаксис инфиксных операций конкатенации строк и списков: ^ и @, соответственно (для векторов и массивов не предусмотрены).

Процедуры[править | править вики-текст]

Для процедур принята та же идиома, что и в Си: процедуры представляются функциями, возвращающими значение единичного типа[en]:

fun p s = print s
(* val p = fn : sting -> unit *)

Последовательные вычисления[править | править вики-текст]

let D in E end
fun foo ... =
   let
      val _ = ...
   in
      ...
   end

Приёмы[править | править вики-текст]

Эта-расширение[править | править вики-текст]

Эта-расширение (англ. eta-expansion) выражения e есть выражение fn z => e z, т.е. обёртка исходного выражения в лямбда-функцию, где z не встречается в e. Разумеется, это имеет смысл лишь в случае, если e имеет стрелочный тип, т.е. является функцией. Эта-расширение принуждает задержку вычисления e до применения функции и повторное его вычисление при каждом применении. Этот приём применяется в SML для преодоления ограничений выразительности, связанных с семантикой ограничения на значения>>>. Термин «эта-расширение» заимствован из эта-преобразования в лямбда исчислении, означающего, напротив, редукцию выражения fn z => e z до e в случае, если z не встречается в e (эта-сжатие).[50][51]

Значения, индексированные типами[править | править вики-текст]

Значения, индексированные типами (англ. type-indexed values) — это техника, позволяющая ввести в SML поддержку ad hoc полиморфизма (которая в нём изначально отсутствует)[52]. Существует целый ряд её вариантов, в том числе нацеленные на поддержку полноценного объектно-ориентированного программирования[17].

Fold[править | править вики-текст]

«Fold»[53] — это техника, позволяющая ввести в SML ряд распространённых идиом, включая функции с переменным числом аргументов, именованные параметры функций, значения параметров по умолчанию, синтаксическую поддержку массивов в коде, функциональное обновление записей и косметическое изображение зависимой типизации для обеспечения типобезопасности функций вроде printf.

Примеры программ[править | править вики-текст]

Hello World![править | править вики-текст]

Простейшая программа на SML может быть записана в одну строку:

print "Hello World!\n"

Однако, учитывая ориентированность языка на крупномасштабное программирование[en], минимальной всё же следует считать её обёртку в язык модулей (некоторые компиляторы работают только с программами уровня модулей).

Выходной машинный код для минимальной программы также получается относительно крупным (в сравнении с реализаций Hello World на Си), поскольку даже самая маленькая программа на SML обязана включать в себя рантайм-систему языка, бо́льшую часть которой составляет сборщик мусора. Однако, не следует воспринимать размер исходного и машинного кодов на начальном этапе как тяжеловесность SML: их причиной является интенсивная ориентированность языка на разработку крупных и сложных систем. Дальнейшее наращивание программ происходит по существенно более пологой кривой, чем в большинстве других статически типизируемых языков, и оверхед становится едва заметным при разработке серьёзных программ[54].

Автоматическая вёрстка[править | править вики-текст]

fun firstLine s =
   let
      val (name, rest) =
      Substring.splitl (fn c => c <> #".") (Substring.full s)
   in
      "\n<P><EM>" ^ Substring.string name ^ "</EM>" ^ Substring.string rest
   end

fun htmlCvt fileName =
   let
       val is = TextIO.openIn fileName
       and os = TextIO.openOut (fileName ^ ".html")
       fun cvt _ NONE    = ()
         | cvt _ (SOME "\n")  = cvt true (TextIO.inputLine is)
         | cvt first (SOME s) =
                ( TextIO.output (os,
                                 if first then firstLine s
                                          else "<BR>" ^ s);
                  cvt false (TextIO.inputLine is)
                )
   in
      cvt true (SOME "\n"); TextIO.closeIn is; TextIO.closeOut os
   end

Этот код преобразует по простейшим правилам плоский текст в HTML, оформляя диалог по ролям[55].

Троичные деревья[править | править вики-текст]

Для задачи поиска строки в словаре троичные деревья[en] сочетают молниеносную скорость префиксных деревьев с экономичностью двоичных деревьев в отношении памяти.

type key = Key.ord_key
type item = Key.ord_key list
datatype set = LEAF | NODE of { key: key, lt: set, eq: set, gt: set }
val empty = LEAF
exception AlreadyPresent

fun member (_, LEAF) = false
  | member (h::t, NODE {key,lt,eq,gt}) =
      (case Key.compare (h, key) of
            EQUAL   => member(t, eq)
          | LESS    => member(h::t, lt)
          | GREATER => member(h::t, gt) )
  | member ([], NODE {key,lt,eq,gt}) =
      (case Key.compare (Key.sentinel, key) of
            EQUAL   => true
          | LESS    => member([], lt)
          | GREATER => member([], gt) )

fun insert(h::t, LEAF) = NODE { key=h, eq = insert(t, LEAF), lt=LEAF, gt=LEAF }
  | insert([], LEAF)   = NODE { key=Key.sentinel, eq=LEAF, lt=LEAF, gt=LEAF }
  | insert(h::t, NODE {key,lt,eq,gt}) =
      (case Key.compare (h, key) of
            EQUAL   => NODE {key=key, lt=lt, gt=gt, eq=insert(t, eq)}
          | LESS    => NODE {key=key, lt=insert(h::t, lt), gt=gt, eq=eq}
          | GREATER => NODE {key=key, lt=lt, gt=insert(h::t, gt), eq=eq} )
  | insert([], NODE {key,lt,eq,gt}) =
      (case Key.compare (Key.sentinel, key) of
            EQUAL   => raise AlreadyPresent
          | LESS    => NODE {key=key, lt=insert([], lt), gt=gt, eq=eq}
          | GREATER => NODE {key=key, lt=lt, gt=insert([], gt), eq=eq} )

fun add(l, n) = insert(l, n) handle AlreadyPresent => n

Этот код использует Базисную структуру Key, сопоставимую с сигнатурой ORD_KEY, а также глобальный тип order (над которым, в частности, определена функция Key.compare):

datatype order = LESS | EQUAL | GREATER

О языке[править | править вики-текст]

Быстродействие[править | править вики-текст]

Типичные преимущества функционального программирования (типобезопасность, автоматическое управление памятью, высокий уровень абстракции и др.) проявляются в обеспечении надёжности и вообще работоспособности программ, а в ответственных, особенно крупномасштабных[en] задачах быстродействие часто играет второстепенную роль. Упор на эти свойства исторически привёл к тому, что программистам на функциональных языках зачастую оказываются недоступны многие эффективные структуры данных (массивы, строки, битовые цепочки), поэтому функциональные программы обычно заметно менее эффективны, чем эквивалентные программы на Си.[56]

ML изначально предоставляет весьма неплохие средства для тонкого контроля за быстродействием>>>, однако, исторически>>> реализации ML были крайне медлительными. Тем не менее, ещё в начале 1990-х Эндрю Аппель[en] прочил[57] языку SML скорость исполнения выше скорости языка Си, по крайней мере при интенсивной работе со сложноструктурированными данными (но SML не претендует на то, чтобы быть заменой Си в задачах системного программирования). За следующие несколько лет напряжённая работа над развитием компиляторов привела к тому, что скорость исполнения программ на SML повысилась в 20-40 раз[58].

В конце 1990-х Стивен Уикс задался целью добиться от программ на SML максимально возможной производительности и написал дефункторизатор для SML/NJ[en]>>>, сразу показавший прирост скорости ещё в 2-3 раза. Дальнейшая работа в этом направлении привела к созданию компилятора MLton>>>, который к середине нулевых годов XXI века показывал прирост скорости перед другими компиляторами в среднем на два порядка[38], конкурируя с Си (подробнее см. MLton).

Стратегия автоматического управление памятью на основе выведения регионов[en] позволяет устранять затраты на инициализацию и высвобождение памяти из исполнения программы (т.е. реализует сборку мусора на этапе компиляции). Компилятор ML Kit использует эту стратегию, позволяя решать задачи реального времени, хотя он уступает MLton по возможностям оптимизации.

На основе фронт-енда SML/NJ был разработан компилятор в исходный код на Сиsml2c>>>. Он порождает код хорошего качества, но примечательно, что схема компиляции «сперва в Си, затем в машинный код» до двух раз снижает быстродействие по сравнению с прямой компиляцией SML в машинный код из-за семантических различий между SML и Си[5].

Некоторые компиляторы SML предоставляют возможность профилирования кода с целью определения функций, занимающих наибольшее процессорное время (причём результат всегда неожиданный)[56], после чего можно сосредоточиться на их оптимизации средствами SML, либо вынести их в код на Си через FFI>>>.

Обоснование семантики[править | править вики-текст]

Общие сведения[править | править вики-текст]

Теоретической основой языка является полиморфно типизированное лямбда-исчисление (Система F), ограниченное Let-полиморфизмом.

«Определение» (The Definition)[править | править вики-текст]

Официальным «стандартом» языка является изданное в виде книги «Определение» (англ. The Definition). Определение сформулировано в строгих математических понятиях и имеет доказанную надёжность. Непротиворечивость Определения позволяет человеку без запуска конкретного компилятора проверить программу на корректность и вычислить её результат; но, с другой стороны, Определение требует высокой квалификации для понимания и не может служить учебником по языку[57].

Доказуемость надёжности не далась сама по себе — Определение было неоднократно пересмотрено прежде, чем увидело свет. Многие языки опираются на общие теории, но при разработке они почти никогда не проверяются на безопасность совместного использования конкретных языковых элементов, являющихся частными приложениями этих теорий, что неизбежно приводит к несовместимости между реализациями языка. Эти проблемы либо игнорируются, либо начинают преподноситься как естественное явление (англ. «not a bug, but a feature»), но в действительности их причиной является то, что язык не был подвергнут математическому анализу.[59]

Семантика Харпера — Стоуна[править | править вики-текст]

Семантика Харпера — Стоуна (сокращённо «семантика Х-С», англ. HS semantics) представляет собой интерпретацию SML в типизированной системе (typed framework). Семантика SML по Х-С определяется через выработку>>> внешнего языка SML во внутренний язык, представляющий собой явно[en] типизированное лямбда-исчисление, и, таким образом, служит теоретико-типовым обоснованием языка. Эта интерпретация может рассматриваться как альтернатива Определению>>>, формализующая «статические семантические объекты» через выражения типизированного лямбда-исчисления; а также как декларативное описание правил выработки для компиляторов, управляемых типами (англ. type-directed compilers), таких как TILT или SML/NJ>>>. Фактически, фронт-енд компилятора TILT воплощает эту семантику, хотя он был разработан на несколько лет раньше.[70][71][72]

Внутренний язык основан на языке XML Харпера — Митчела, но имеет более обширный набор примитивов и более выразительную систему модулей, основанную на просвечивающих суммах Харпера — Лилибриджа. Этот язык пригоден для выработки многих других языков, семантика которых основана на лямбда-исчислении, таких как Haskell и Scheme.

Применение этого подхода заложено в проект successor ML. При этом, изменения в языке, не влияющие на внутренний язык, рассматриваются как кратковременная перспектива (англ. short-term), а требующие его изменения — как долговременная перспектива (англ. long-term).

Критика и сравнение с альтернативами[править | править вики-текст]

Разработчики SML изначально установили самую высокую планку требований качества для языка, так что и порог критики располагается намного выше, чем у большинства промышленных языков. Упоминания о недостатках языка SML встречаются в официальной печати так же часто, как и языка C++, и много чаще большинства других языков, но причина вовсе не в негативном отношении к SML — напротив, всякая критика SML сопровождается очень тёплым отношением к нему. Даже педантичный разбор недостатков SML обычно сопровождается его описанием как «изумительного языка, единственного серьёзного из существующих»[73]. Иначе говоря, исследователи досконально копаются в недостатках, подразумевая, что даже с их учётом SML оказывается более предпочтителен для применения в гигантских наукоёмких проектах, чем многие более популярные языки, и желая довести SML до совершенства.

История, философия, терминология[править | править вики-текст]

Формальная семантика SML ориентирована на интерпретацию, однако большинство его реализаций является компиляторами (в том числе интерактивными компиляторами), некоторые из которых уверенно соперничают по эффективности с языком Си, так как язык хорошо поддаётся глобальному анализу. По той же причине SML может компилироваться в исходный код на других языках высокого или среднего уровня — например, существуют комплияторы из SML в Си и Ada.

В основе языка лежит сильная статическая полиморфная типизация, которая не только обеспечивает верификацию программ на этапе компиляции, но и жёстко обособляет мутабельность, что само по себе повышает потенциал к автоматической оптимизации программ — в частности, упрощает реализацию сборщика мусора[89].

Первая версия ML была представлена миру в 1974 году в роли мета-языка для построения интерактивных доказательств в составе системы Edinburgh LCF (Logic for Computable Functions)[en]>>>[2]. Её реализовали Малькольм Ньюи, Локвуд Моррис и Робин Милнер на платформе DEC10. Первая реализация была крайне неэффективной, так как конструкции ML транслировались в Lisp, который затем интерпретировался[90]. Первое полное описание ML как компонента LCF издано в 1979 году[2].

Около 1980 года Лука Карделли[en] реализовал первый компилятор Vax ML, дополнив ML некоторыми своими идеями. Вскоре Карделли портировал Vax ML на Unix, используя Berkley Pascal. Среда выполнения была переписана на Си, но большая часть компилятора оставалась на Паскале. Работа Карделли вдохновила Милнера на создание SML как самостоятельного языка общего назначения, и они начали совместную работу в Эдинбурге, результатом чего стал компилятор Edinburgh ML>>>, выпущенный в 1984 году. В процессе этой работы Майк Гордон придумал ссылочные типы и предложил их Луи Дамасу, который позже защитил на них диссертацию[91]. Одновременно велось сотрудничество Кэмбриджа с INRIA. Жерар Хью из INRIA портировал ML на Maclisp под Multics. INRIA разработали собственный диалект ML, названный Caml, и в последствии развившийся в OCaml>>>. Лоуренс Полсон[en] оптимизировал Edinburgh ML>>>, так что код на ML стал работать в 4-5 раз быстрее. Вскоре после этого Дэвид Мэтьюз разработал язык Poly на основе ML. Дальнейшая работа в этом направлении привела к созданию среды Poly/ML>>>. В 1986 Дэвид МакКуин сформулировал язык модулей ML, и к работе подключился Эндрю Аппель[en]. Совместно они начали вести работу над компилятором SML/NJ[en], который служил одновременно исследовательской платформой для развития языка и первым промышленным оптимизирующим компилятором. Многие из реализаций языка были первоначально разработаны с использованием SML/NJ и затем раскручены.

С опытом крупномасштабных разработок был обнаружен ряд недочётов в Определении языка от 1990 года. Часть недостатков была устранена в Ревизии Определения от 1997 года[3], но рамки ревизии исключают потерю обратной совместимости (коды адаптируются косметически, без необходимости переписывания с нуля). В 2004 году была опубликована спецификация на состав Базисной библиотеки (черновик спецификации датируется 1996 годом). Другие недостатки были устранены в других языках: ML породил целое семейство Х-М-типизированных языков. Эти языки завоевали популярность на задаче разработке языков и часто определяются как «DSL для денотационной семантики[en]». Исследователи, занимавшиеся развитием и использованием SML на протяжении почти трёх десятилетий, к концу XX века сформировали сообщество по созданию нового языка — successor ML (sML).

Фактически, SML не был первым в семействе после собственно LCF/ML — ему предшествовали такие языки как Cardelli ML и Hope[9]. Французы поддерживают собственный диалект — Caml/OCaml[12]. Тем не менее, говоря «ML», многие подразумевают «SML»[92], и даже пишут через дробь: «ML/SML»[65].

Изучение[править | править вики-текст]

Наиболее рекомендуемым[93][94][95][96][97][98] учебником по SML является книга Лоуренса Полсона[en] (автора системы HOL[en]) «ML for the Working Programmer»[92].

Для первоначального ознакомления с языком может быть полезен краткий (несколько десятков страниц) курс Роберта Харпера[en] «Introduction to Standard ML» (доступный в русском переводе[99]), который он использовал для преподавания языка и за следующие два десятилетия расширил до более крупного учебника[100].

Применение[править | править вики-текст]

SML, наряду с OCaml, служит первым языком преподавания обучения программированию во многих университетах мира. Среди аппликативных языков они имеют, вероятно, самый низкий собственный порог вхождения.

Значительная часть существующих кодов на SML представляет собой либо реализацию его же компиляторов, либо системы автоматического доказательства, такие как HOL[en], Twelf[en] и Isabelle[en]>>>. Все они свободны и открыты.

Тем не менее, существуют и более «приземлённые», в том числе коммерческие продукты[101].

См. также[править | править вики-текст]

  • ML
  • successor ML — проект дальнейшего развития Standard ML
  • Близкородственные языки[65]:

Примечания[править | править вики-текст]

  1. SML'84, 1984.
  2. 1 2 3 4 SML'90, 1990.
  3. 1 2 3 SML'97, 1997.
  4. SML'90, 1990, E. Appendix: The Development of ML, с. 81-83.
  5. 1 2 3 Tarditi et al, "No Assembly Required", 1990.
  6. 1 2 Tolmach, Oliva, "From ML to Ada", 1993.
  7. 1 2 Commentary on SML, 1991, с. V.
  8. 1 2 Pucella, "Notes on SML/NJ", 2001, с. 1.
  9. 1 2 3 4 MacQueen, "Reflections on SML", 1992.
  10. StandardML description in MLton compiler guide
  11. 1 2 ML2000 Preliminary Design, 1999.
  12. 1 2 Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, с. 12.
  13. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, с. 2.
  14. Rossberg, "1ML", 2015.
  15. Harper-Stone '99, 1999.
  16. 1 2 Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, 4.13 Tree-based data structures, с. 148-149.
  17. 1 2 OOP in SML.
  18. MacQueen, "Reflections on SML", 1992, с. 2.
  19. Commentary on SML, 1991, с. 15.
  20. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, Imperative Programming in ML, с. 313.
  21. MacQueen, "Reflections on SML", 1992, с. 3.
  22. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, с. 1.
  23. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, 7.8 Testing the queue structures, с. 274.
  24. Appel, "A Critique of Standard ML", 1992, Lack of macros, с. 9.
  25. MacQueen, "Reflections on SML", 1992, с. 6.
  26. 1 2 Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, 2.3 Identifiers in Standard ML, с. 21.
  27. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, с. 13.
  28. SML Basis, 2004.
  29. Pucella, "Notes on SML/NJ", 2001.
  30. 1 2 Standard ML Portability.
  31. Deviations of SML/NJ from The Definition of SML'97 (Revised)
  32. SML/NJ: Object Language Embedding with Quote/Antiquote
  33. Slind, "Language embedding in SML/NJ", 1991.
  34. 1 2 SML-sharp official website.
  35. 1 2 Manticore official website.
  36. конференция sml-evolution: Rober Harper, 30.10.2006.
  37. Shao, "FLINT/ML Compiler", 1997.
  38. 1 2 MLton Performance.
  39. From ML to Ada - description in MLton compiler guide
  40. Koser, Larsen, Vaughan, "SML2Java", 2003.
  41. Taha et al, "Macros as Multi-Stage Computations", 2001.
  42. Pucella, "Notes on SML/NJ", 2001, Chapter 6. The Compilation Manager, с. 157.
  43. eXene — multi-threaded X Window System toolkit written in ConcurrentML
  44. Huelsbergen, "Portable C Interface for SML", 1996.
  45. Chris Cannam, "Why was OCaml faster?".
  46. Blume, "No-Longer-Foreign", 2001.
  47. Standard ML Style Guide (from MLton guide)
  48. Appel, "A Critique of Standard ML", 1992, Misspelled constructors, с. 12.
  49. Harper, "Intro to SML", 1986, с. 5.
  50. "EtaExpansion" technique (from MLton Guide)
  51. 1 2 Peyton-Jones, "retrospective on Haskell", 2003.
  52. Type-indexed values (from MLton Guide)
  53. "Fold" technique (from MLton Guide)
  54. Shipman, "Unix Programming with SML", 2001, с. 31.
  55. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, 8.9 Text processing examples, с. 348-350.
  56. 1 2 Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, 1.5 The efficiency of functional programming, с. 9.
  57. 1 2 3 Appel, "A Critique of Standard ML", 1992.
  58. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, с. 108.
  59. Commentary on SML, 1991, с. vii.
  60. Commentary on SML, 1991.
  61. about The Definition Of Standard ML in MLton guide
  62. Kahrs, 1993.
  63. Kahrs, 1996.
  64. Defects in SML (from HaMLet manual)
  65. 1 2 3 sml-family.org.
  66. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, 1.9 ML and the working programmer, с. 16.
  67. SML'90, 1990, с. V.
  68. SML'90, 1990, с. 1.
  69. 1 2 Commentary on SML, 1991, с. 1-3.
  70. Harper-Stone '96, 1996.
  71. Harper-Stone '97, 1997.
  72. Harper-Stone '99, 1999, с. 1-2.
  73. 1 2 Rossberg, "Defects in SML Revised", 2001.
  74. VandenBerghe, "Why ML/OCaml are good for writing compilers", 1998.
  75. Harper, "Programming in SML", 2005, 12.1.1 Primitive Exceptions, с. 104.
  76. Chris Cannam, "Four MLs (and a Python)".
  77. Chlipala, "OCaml vs. SML".
  78. Olsson, Rossberg, "SML vs. OCaml".
  79. Stackoverflow, "Differenses between SML and OCaml".
  80. 1 2 Shaw, "ML vs. Haskell".
  81. Dreyer, Harper, "Modular Type Classes", 2007.
  82. Yallop, White, "Lightweight higher-kinded polymorphism", 2014.
  83. 1 2 Augustsson, "Failed adventure in Haskell Abstraction".
  84. Wehr, Chakravarty, "Modules vs. Type Classes", 2008.
  85. Harper, "Of Course ML has Monads!".
  86. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, Sequences, or infinite lists, с. 191-201.
  87. Commentary on SML, 1991, 3 Dynamic Semantics for the Modules, с. 26.
  88. Rossberg, "1ML", 2015, с. 2.
  89. Appel, "A Critique of Standard ML", 1992, Efficiency, с. 7-8.
  90. Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996, с. 11.
  91. MacQueen, "Cardelli and Early Evolution of ML", 2014, с. 4.
  92. 1 2 Paulson, "ML for the Working Programmer", 1996.
  93. Recommended books on SML/NJ compiler page
  94. Gilmore, "Programming in SML. Tutorial Introduction", 1997, с. 3.
  95. Shipman, "Unix Programming with SML", 2001, с. 455.
  96. MacQueen, "Reflections on SML", 1992, с. 1.
  97. Pucella, "Notes on SML/NJ", 2001, с. 42.
  98. SML Basis on Cambridge University Press — related books
  99. Harper, "Intro to SML", 1986.
  100. Harper, "Programming in SML", 2005.
  101. Пользователи Standard ML

Литература[править | править вики-текст]

Стандарты[править | править вики-текст]

Учебники, руководства, справочники, использование[править | править вики-текст]

  • Роберт Харпер[en]. Введение в Стандартный ML. — Carnegie Mellon University, 1986. — 97 с. — ISBN PA 15213-3891.
  • Konrad Slind. Object language embedding in Standard ML of New Jersey. — Proceedings of the 2nd ML workshop, Carnegie Mellon University., 1991.
  • Lawrence C. Paulson[en]. ML for the Working Programmer. — 2nd. — Cambridge, Great Britain: Cambridge University Press, 1996. — 492 с. — ISBN 0-521-57050-6 (твёрдый переплёт), 0-521-56543-X (мягкий переплёт).
  • Jeffrey Ullman. Elements of ML Programming. — Prentice-Hall, 1998. — ISBN 0-13-790387-1.
  • Anthony L. Shipman. Unix System Programming with Standard ML. — 2001.
  • Riccardo Pucella. Notes on Programming Standard ML of New Jersey. — Last revised January 10, 2001. — Cornell University, 2001.
  • Bernard Berthomieu. OO Programming Styles in ML. — LAAS Report #2000111, Centre National De La Recherche Scientifique Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes, 2000.
  • Riccardo R. Pucella. Reactive Programming in Standard ML ( (англ.)). — Bell Laboratories, Lucent Technologies, 2004.

История, анализ, критика[править | править вики-текст]

  • Milner, Morris, Newey. A Logic for Computable Functions with reflexive and polymorphic types // Arc-et-Senans. — Proc. Conference on Proving and Improving Programs, 1975.
  • Gordon, Milner, Morris, Newey, Wadsworth. A Metalanguage for Interactive Proof in LCF. — 1977.
  • David MacQueen. Structures and parameterisation in a typed functional language. — 1981.
  • Robert Harper[en], Christopher A. Stone. A type-theoretic account of Standard ML // Technical Report CMU-CS-96-136R. — Carnegie Mellon University, 1996.
  • Robert Harper[en], Christopher A. Stone. An interpretation of Standard ML in type theory // Technical Report CMU-CS-97-147. — Carnegie Mellon University, 1996.

Прочее[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]