Nemerle

Nemerle
Семантика	мультипарадигменный, объектно-ориентированный, функциональный, императивный
Класс языка	язык программирования, процедурный язык программирования, объектно-ориентированный, язык функционального программирования, мультипарадигмальный и язык, использующий отступы
Тип исполнения	компилируемый
Появился в	0.9.3 — 16 мая 2006
Автор	Вроцлавский университет; Михал Москаль, Камиль Скальски, Павел Ольшта и др. [1]
Разработчик	JetBrains
Расширение файлов	.n
Выпуск	1.2.547.0 (01.09.2017)
Система типов	статическая, строгая, с автовыводом, номинальная
Испытал влияние	C#, ML, OCaml, Haskell, Лисп
Лицензия	BSD-2-Clause
Сайт	nemerle.org/About/
Платформа	CLI (.NET / Mono)

Nemerle — гибридный язык высокого уровня со статической типизацией, сочетающий в себе возможности функционального и объектно-ориентированного программирования, для платформ .NET и Mono (язык компилируется в CIL и является CLS-совместимым). Главная особенность языка — развитая система метапрограммирования.

История

Разработка языка Nemerle началась в 2003 году в университете Вроцлава (Польша). Команда разработчиков состояла всего из трёх человек, все они на момент начала разработки были аспирантами Вроцлавского университета. Михал Москаль — лидер команды и автор системы вывода типов, Камиль Скальски — разработчик системы макросов и расширяемого парсера, и Павел Ольшта — автор кодогенератора и реализации механизма сопоставления с образцом.

Название языка происходит от имени мага Nemmerle из «Волшебника Земноморья» Урсулы Ле Гуин.

Язык изначально проектировался под платформу .NET. 12 марта 2010 года была выпущена первая бета-версия компилятора языка, поддерживающая работу приложений под управлением .NET 3.5. Язык, его реализация и документация выпускаются под свободной BSD-подобной лицензией, допускающей свободное использование их в любых целях.

Первый релиз (версия 1.0) комплекта ПО для программирования на Nemerle выпущен 13 мая 2011 года, на текущий момент самой свежей является версия 1.2, работающая на платформе .NET 4.0. В комплект, доступный для свободного скачивания, входит инсталлируемый компилятор языка и набор библиотек для встраивания в Microsoft Visual Studio 2008, отдельный компилятор (для работы без Visual Studio), экспериментальная версия ПО, интегрируемого с Visual Studio 2010, а также исходные коды. Текущая версия компилятора поддерживает включение в проект кода на C# 6.0, при условии неиспользования небезопасного кода.

С июня 2012 года команда разработчиков Nemerle стала частью компании JetBrains, которая займётся дальнейшей разработкой и поддержкой языка.

Характеристика языка

Nemerle позиционируется как язык общего назначения. Он сочетает в себе несколько парадигм программирования: объектно-ориентированное программирование, императивное программирование, функциональное программирование и метапрограммирование. Из-за такого сочетания концепций, написание программ на Nemerle возможно используя разные стили: в императивном подходе код будет аналогичен коду программ C# (за исключением некоторых нюансов напр. указания типа), в функциональном подходе исходный код будет родственен языкам семейства ML (ML, OCaml, F#, Haskell), включая их особенности:

• функции высшего порядка
• сопоставление с образцом (pattern matching)
• алгебраические типы
• локальные функции
• кортежи и анонимные типы
• частичное применение

Вдобавок к императивным и функциональным парадигмам, Nemerle обладает мощной системой макросов, которые предоставляют пользователю возможность добавлять новые конструкции в язык и описывать решение задач в декларативном стиле с помощью создания собственных предметно-ориентированных языков программирования (DSL).

Особенности

Характерной особенностью Nemerle, как и всех языков, типизированных по Хиндли — Милнеру является мощная система вывода типов.

Вывод типов

def x = 1; // int
def myList = List(); // generic List[T], T должен выводиться из дальнейшего использования
myList.Add(x);       // благодаря этой строке компилятор определяет тип myList как List[int]

Все является выражением

def x =
  { // эквивалент x = 3
    def y = 1;
    def z = 2;
    y + z  // последнее выражение в блоке является значением блока
  }

def x =
  if (DateTime.Now.DayOfWeek == DayOfWeek.Monday) // if, using, try  - тоже являются выражениями
    "Monday"
  else
    "other day";

def x = try
{
  Int32.Parse(someString)
}
catch
{
  | FormatException() => 0;
}

Кортежи

def k = (1, "one"); // k : (int * string)
def (a, b) = k; // a = 1, b = "one"

Сопоставление с образцом

def result = match (number)
{
  | 0            => "zero"
  | 1            => "one"
  | x when x < 0 => "negative"
  | _            => "more than one"
}

Другие примеры сопоставления с образцом

Сопоставление с привязкой к переменным:

def check (o : object) {
  match (o) 
  {
    | i is int    => $"An int: $i"
    | s is string => $"A string: $(s.ToUpper())"
    | _           => "Object of another type"
  }
}

Сопоставление у кортежей:

match (tuple) 
{
  | ( 42, _ ) => "42 on first position"
  | ( _, 42 ) => "42 on second position"
  | ( x, y )  => $"( $x, $y )"
}

Сопоставление по Regexp:

using Nemerle.Text;
regexp match (str) {
  | "a+.*"                          => printf ("a\n");
  | @"(?<num : int>\d+)-\w+"        => printf ("%d\n", num + 3);
  | "(?<name>(Ala|Kasia))? ma kota" =>
     match (name) 
     {
       | Some (n) => printf ("%s\n", n)
       | None     => printf ("noname?\n")
     }

  | _                               => printf ("default\n");
}

Функциональные типы и локальные функции

def next(x) { x + 1 };

def mult(x, y) { x * y }

def fibbonacci(_)
{
  | 0     => 0
  | 1     => 1
  | i => fibbonacci(i - 1) + fibbonacci(i - 2)
}

Console.WriteLine(next(9));        // 10
Console.WriteLine(mult(2, 2));     // 4
Console.WriteLine(fibbonacci(10)); // 55

Метапрограммирование

Nemerle позволяет создавать, анализировать и модифицировать код программы во время компиляции с помощью макросов. Макросы могут быть использованы в виде вызова метода либо в виде новых конструкций языка. Большая часть конструкций в языке реализована с помощью макросов (if, for, foreach, while, using и т. д.).

Пример макроса «if»:

macro @if (cond, e1, e2)
syntax ("if", "(", cond, ")", e1, Optional (";"), "else", e2)
{
  /*
    <[ ]> // <[ ]> определяет области квазицитирования, код внутри них преобразуется в AST Немерле,
          аналогично преобразованию кода в Expression компилятором C#
  */
  <[
    match ($cond : bool)
    {
      | true => $e1
      | _ => $e2
    }
  ]>
}

// Вышеприведённый макрос вводит в язык конструкцию if,
def max = if (a > b) a else b;
// которая при компиляции раскрывается в
def max = match (a > b)
{
  | true => a
  | _    => b
}

Основные концепции

• Типобезопасные «гигиеничные» макросы и квазицитирование c возможностью расширения синтаксиса.
• Наличие локальных функций (лексических замыканий). Функция является объектом первого класса.
• Гарантированная оптимизация хвостовой рекурсии, то есть хвостовая рекурсия всегда заменяется циклом при компиляции.
• Выведение типов. В частности, возможно выведение типов локальных переменных и выведение сигнатуры локальных функций.
• Отсутствие четкой границы между инструкцией (statement) и выражением (expression). «Everything is expression». Например, условный оператор может находиться внутри арифметического выражения. Нет необходимости в инструкции return.
• Блоки кода, упраздняющие необходимость в таких инструкциях, как break или continue.
• Алгебраические типы данных, кортежи и сопоставление с образцом.
• Упрощенный синтаксис работы со списками. Списочные литералы.
• Частичное применение операторов и функций — простая генерация обёртки некоторой функции, в которой часть параметров подставлена заранее, а часть передаётся непосредственно при вызове функции.

Особенности синтаксиса

Синтаксис Nemerle очень близок к C#, но имеет ряд характерных отличий, в том числе позаимствованных из функциональных и скриптовых языков. Вот некоторые из них:

• Наряду с обычным порядком заключения элементов программы (классов, составных операторов, тел методов) в фигурные скобки, поддерживается альтернативный вариант описания структуры программы, базирующийся на отступах, как в Python.
• В описании переменных и методов тип указывается в стиле OCaml (похоже на Pascal, но без возможности задать несколько имен переменных) в виде «переменная : тип».
• Имена могут, помимо букв, цифр и знака подчёркивания, содержать знак апострофа «'».
• Объявления локальных функций и констант начинаются с def.
• Наряду с унаследованным от C# объявлением главной функции программы в виде статического метода Main головного класса программы поддерживается прямое размещение кода в файле без помещения его в какой-либо класс или метод.
• Переменные объявляются с помощью модификатора mutable (а не def). Таким образом, синтаксис поощряет использование неизменяемых объектов, что соответствует идеологии функционального программирования.
• Создание экземпляра класса выполняется вызовом его конструктора — «ИмяКласса(параметры конструктора)» без необходимости указывать ключевое слово new (как это принято в C#).
• Команда подключения пространства имён using подключает все вложенные пространства имён, а также позволяет прямо подключить конкретный тип, что даёт возможность использования его статических членов (например, методов классов или констант перечислений) без квалификации имени.
• Статические классы (классы, имеющие только статические методы и поля) описываются с ключевым словом module вместо class и не требуют указания модификатора static перед каждым членом класса.
• Введены две отдельные конструкции для статического уточнения и динамического приведения типов (: и :> соответственно).
• В стандартной библиотеке имеется тип «список» (list), являющийся однонаправленным связанным списком. Списки являются неизменяемыми и ведут себя во многом аналогично строкам C#. Для этого типа в языке предусмотрен специализированный синтаксис, значительно упрощающий работу с ним (литералы, возможность использования списка в сопоставлении с образцом).
• Введён тип «вариант» (variant) — аналог алгебраических типов в функциональных языках.
• Введён тип «кортеж» (tuple) — безымянная, незменяемая структура данных, содержащая несколько (возможно разнотипных) элементов. Для кортежей поддерживается структурное соответствие. Кортежи удобны, когда требуется вернуть несколько значений из функции, свойства или просто организовать любое выражение.
• Конструкцию переключения switch заменила конструкция сопоставления с образцом match, обладающая большими возможностями (позаимствовано из ML-подобных языков).
• Гарантировано преобразование компилятором хвостовой рекурсии в цикл. Это позволяет описывать повторяющиеся вычисления рекурсивно, не опасаясь, что применение рекурсии приведёт к исчерпанию памяти. Поддерживается только для одной функции. Поддержка взаимно-рекурсивных функций пока что не реализована.
• Отсутствует специальный синтаксис (используемый в C#) для финализатора (конструкция «~ИмяКласса()»), как провоцирующий ошибочное понимание у программистов, знакомых с C++. Финализатор описывается как обычный виртуальный метод Finalize(), причём компилятор не обеспечивает автоматический вызов финализатора класса-родителя.
• Имеется возможность объявления значений используемых по умолчанию в параметрах и синтаксис вызова с явным указанием имён параметров в произвольном порядке.
• В стандартной библиотеке языка есть три макроса, реализующих условные операторы: if, отличающийся тем, что в нём обязательна ветвь else, when, представляющий собой «if без else», и unless, представляющий собой отрицание when, то есть «when (! условие) выражение». Все условные операторы переписываются соответствующими макросами в оператор match.
• В параметрах, аргументах и именах переменных допускается использование специального подстановочного символа-заместителя «_». Будучи указанным в начале имени переменной или вместо него (то есть если указан только знак подчеркивания), этот символ подавляет предупреждение компилятора о неиспользованной переменной. Использование подчеркивания вместо имени локальной переменной (например, «_ = f(a, b)») позволяет игнорировать значение вычисления (в тех же целях можно использовать стандартный макрос ignore следующим образом: «ignore(f(a, b))»). C# игнорирует их автоматически, что иногда приводит к ошибкам. Nemerle выдает предупреждение, если результат вычисления не используется в дальнейшем. Приведенный прием позволяет указать компилятору, что игнорирование результата сделано не случайно.
• Почти все языковые конструкции (кроме using, class и т. д.) определены как имеющие значение и могут быть использованы в качестве элементов выражений. Однако, выражение может иметь тип void, что соответствует statement в C#.
• В языке поддерживается функциональный тип (обычный для функциональных языков). С его помощью можно по месту описать ссылку на функцию. В C# для передачи ссылок на функции используются делегаты. Nemerle также поддерживает их, но функциональный тип является более удобным, гибким и быстрым решением. Он не требует объявления отдельного типа (как делегат) и не может быть множественным (multicast).
• В языке поддерживается частичное применение функций и операторов, что позволяет создавать функции «на лету». Например, если в некоторую функцию требуется передать другую функцию (например, функцию сложения), то можно частично применить оператор сложения. Выражение «_ + 2» возвращает функцию с одним целочисленным аргументом, прибавляющую к нему значение 2.

Средства метапрограммирования

Ряд языковых средств кардинальным образом отличает Nemerle от C#, Java, C++. Это макросы и замыкания, причём в виде, более характерном для Lisp или других функциональных языков, нежели для C++. Система макросов позволяет описывать на Nemerle новые синтаксические конструкции и использовать их наравне со встроенными. В действительности, большинство директивных управляющих конструкций, в том числе операторы if, when, циклы всех видов, реализованы в виде макросов стандартной библиотеки Nemerle.

Среда разработки

Кроме большого количества поддерживаемых редакторов типа emacs, vi, итд. Nemerle имеет бесплатную полноценную IDE, основанную на Visual Studio 2008 Shell, а также может интегрироваться с полноценной Visual Studio 2008, Visual Studio 2010, Visual Studio 2015. Основные механизмы интеграции с VS вынесены в отдельную сборку, не зависящую от VS, так что желающие могут добавить поддержку Nemerle в другие IDE.

См. также

• Boo
• F#
• Scala
• Сравнение языков программирования

Ссылки

• Main Page (англ.). — домашняя страница проекта. Дата обращения: 10 октября 2006. Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 года.
• Project Hosting on Google Code (англ.). — исходные коды проекта. Дата обращения: 5 февраля 2010. Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 года.
• Nemerle  (неопр.). — форум по Nemerle на русском языке. Дата обращения: 10 октября 2006. Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 года.
• Nemerle  (неопр.). — конференция по Nemerle на английском языке. Дата обращения: 10 октября 2006. Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 года.
• Nemerle  (неопр.). — конференция по Nemerle на английском языке. Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 года.
• Nemerle  (неопр.). — Краткий обзор языка и ссылки. Дата обращения: 10 октября 2006. Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 года.
• Quick Guide по-русски  (рус.). — Перевод "Nemerle. Quick Guide". Дата обращения: 1 мая 2009. Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 года.
• Цикл статей о Nemerle для начинающих