Обзор языков программирования: Clojure – реализация Lisp для JVM

История создания

В 2007 году разработчик Рич Хики представил первую публичную версию языка друзьям из сообщества Common Lisp. Дальнейшую популярность язык приобретал через открытые сообщества в интернете, а также с помощью статей выступлений самого Хики.

Создатель языка хотел найти такой язык, который был бы динамическим, преимущественно функциональным, с возможностью безопасного расширения, поддерживающим эффективные параллельные вычисления и базирующимся на платформах, ставших промышленным стандартом JVM и CLR, но не нашел и решил создать собственный.

«Имя должно было быть уникальным. Я хотел включить в имя C (C#), L (Lisp) и J (Java). Как только я придумал Clojure, с учетом того, что это каламбур на «closure», что есть доступный домен и огромное пустое google-пространство, то это и было простое решение», – пояснил выбор названия для языка программирования разработчик.

Функциональность Clojure

Требования к увеличению производительности диктуют необходимость использовать параллельные вычисления, чтобы они взаимодействовали друг с другом и работали одновременно. Существующие ОО языки плохо приспособлены к распараллеливанию задач. В них существует большой объем зависимостей объектов и их состояний, которые порождают системы с плохо прогнозируемым поведением при параллельных взаимодействиях. Решения, основанные на блокировках и светофорах, не сильно упрощают реализацию задачи – фундаментальная проблема зависимости состояния системы от последовательностей взаимодействия объектов остается.

Напротив, в функциональном подходе вместе с неизменяемостью входных параметров мы получаем чистые функции без побочных эффектов. При таком подходе изменение порядка вызова функций приведет к тому же результату, а неизменность используемых данных гарантирует полную изоляцию при параллельном исполнении.

Язык Clojure не полностью чистый, в нем есть поддержка функций с побочным эффектом. Это функции ввода/вывода, побочный эффект в них – их предназначение. Однако такие функции не имеют своего состояния и служат для взаимодействия с внешним миром. 

Почему Lisp

Прежде всего Lisp – функциональный язык. В нем максимально простой изначальный синтаксис, для которого требуется маленькое ядро языка. Реализация макросов – инструкций, которые сообщают программе, какие действия следует выполнить, чтобы достичь определенной цели – и абстрактный синтаксис делают этот язык невероятно мощным.

Для Lisp разработано два основных диалекта: Scheme и Common Lisp. Первый разрабатывался с целью получения компактного языка вычислений, а второй – стандартизации максимального количества возможностей, реализованных в различных диалектах Lisp, используемых для исследований. Ни тот, ни другой не получили широкого распространения как языки промышленного использования, но их для этого и не создавали.

В отличии от других диалектов Lisp в языке Clojure синтаксис изменен незначительно. Небольшая оптимизация синтаксиса позволила сократить использование группирующих скобок (наличие большого количества скобок своего рода фирменный признак языка Lisp), в некоторых случаях стало возможным заменять пробелы запятыми и обозначать ассоциативные массивы фигурными скобками, векторы – квадратными.

В Clojure исключили возможность изменения макросов чтения, переменные изначально поддерживаются неизменяемыми, расширили возможности работы с последовательностями, включая поддержку «ленивых» и бесконечных последовательностей, реализовали технология Software Transaction Memory (STM) работы c разделяемыми данными в параллельном исполнении.

Почему Java

Язык Java изначально создавался для промышленных приложений широкого применения. Традиционно для языка создается отдельная платформа, но Clojure реализовали  для уже существующей платформы JVM, что гарантировало меньшие вложения сил и средств в развитие библиотек кода. К моменту создания Clojure JVM существовала более 10 лет, и к ней было написано большое количество широко используемых фреймворков, зарекомендовавших себя в многочисленных промышленных решениях.

Clojure компилируется в код на Java, поэтому может использовать типы и стандартные библиотеки работы с коллекциями, написанными на Java. Конечный байт-код для JVM получается нативно из кода Java, поэтому написанная на Clojure команда будет исполняться с той же производительностью. Разработчик ничем не рискует, выбрав Clojure для определенного класса задач, где его использование наиболее отвечает требованиям – программист останется на платформе JVM с доступом к использованию библиотек Java из Clojure. Со стороны Java также будет доступен код, написанный на Clojure. Следующие примеры демонстрируют код в сравнении на Java и Clojure:

Следующий пример демонстрирует тесную связь типов Clojure и Java:

user=> (class true)
java.lang.Boolean
user=> (class (= 1 1))
java.lang.Boolean

Отличия от других языков

Из всех языков на платформе JVM именно Clojure особенно отличается по синтаксису и может сойти за чужеродный механизм в среде Java. Однако общая система типов, бесшовная возможность вызова кода на Java и наоборот, говорит об общей универсальности платформы. В то же время на той же платформе реализованы концепции языка, которых нет в Java: последовательности («ленивые», бесконечные), оптимизация рекурсии, транзакционная память и гомоиконность. Последние две особо выделяют Clojure от всех остальных языков.

Транзакционная память

Развитие многоядерных процессоров открывает широкие возможности использования параллельного исполнения программ. Однако совместный доступ к данным сильно усложняет разработку таких систем. В императивных языках обычно проблему совместного доступа решают использованием механизма блокировок – это так называемый, пессимистичный подход к управлению данными. Проблема блокировок в том, что их использование требует одинаковой последовательности наложения из параллельных потоков исполнения. Несоблюдение этого условия приводит к взаимоблокировкам. 

Альтернативным решением работы с данными может быть использование транзакционной памяти. В этом подходе блокировки не используются, однако существует механизм отслеживания коллизий. В случае возникновения попытки изменить данные из разных потоков, транзакция отменяется и перезапускается снова. У такого решения есть ограничение: исполнение программ в транзакции должно быть полностью обратимым, у функций исполнения не должно быть побочных эффектов. Чистые функции, позволяют перезапустить процесс без последствий столько раз, сколько потребуется, пока до конца транзакции не произойдет ни одного параллельного изменения. Это так называемый оптимистичный подход, используемый в функциональных языках. 

Концепция параллельного исполнения с использованием технологии транзакционной памяти совместно с неизменяемостью данных позволяют эффективно решать задачи параллельного исполнения в функциональных языках точно также, как сборщик мусора на Java позволяет не думать о распределении памяти и решать более высокоуровневые задачи.

Гомоиконность или код как данные

Другой отличительной особенностью языка является его свойство гомоиконности, когда код языка соответствует результату дерева синтаксического разбора. Это свойство вместе с возможностями использования макросов позволяет эффективно использовать описания синтаксических конструкций, отличных от изначально поддерживаемых. Фактически язык органично поддерживает расширение своего синтаксиса или позволяет строить внутренний DSL (Domain-Specific Language).

Определение собственного DSL можно рассмотреть на примере вычисления выражения:

(x + y) * (a / b)

В соответствии с нотацией Lisp это выражение необходимо преобразовать как

(* (+ x y)
  (/ a b))

И теперь предположим, что такого рода выражения очень неудобны для нашей решаемой задачи. Тогда можно задать макрос, задача которого принять исходное выражение, преобразовать его к синтаксису языка и вернуть результат компилятору. Для вычисления результата будем использовать конструкцию вида

(expr (x + y) * (a / b))

, тогда макрос будет такой:

(expr (x + y) * (a / b))

В данном макросе просто меняется порядок термов из инфиксного в префиксный (польская запись).

Введя выражение с использованием макроса exprв REPL, мы получим:

(expr 2 + 2)
>>> 4
(expr 2 / 2)
>>> 1

Перспективы развития языка

Если посмотреть статистику за последние несколько лет, то популярность Clojure не меняется. Однако язык не стоит на месте, например, в 2011 году Рич Хик представил новую реализацию языка ClojureScript. Она отличается от предшественника, что  обусловлено значительными различиями между средами выполнения JVM и JavaScript, а также тем, что в последнем случае компилятор не создает байт-код для виртуальной машины, а генерирует непосредственно код на JavaScript. Последнее позволяет писать на языке код, способный выполняться всеми современными веб-браузерами, а также другими средами выполнения, поддерживающие JavaScript.         

На сегодня у Clojure есть уже несколько реализаций: Clojure, ClojureScript, ClojureCLR, Clojureна LLVM, Clojure на Android,Clojure на iOS.      

Языки массового применения условно можно разделить на группы. Языки первой группы – те, на которых с большим отрывом создается наибольшее количество программ. Это так называемые мейнстримные языки: Java, JavaScript, Python, Ruby, PHP, C#, C++ и Objective-C. Несмотря на то, что некоторые из них уже теряют былую популярность, знание одного из них может гарантировать специалисту быстрый поиск работы.                 

Ко второй группе можно отнести такие языки как Scala, Go, Swift, Haskel и Clojure. Эти языки не пробились в мейнстрим, но доказали свою состоятельность. Вокруг них созданы сильные сообщества, однако в мире консервативных ИТ-компаний они не получили сильной популярности. Некоторые из них имеют очень хорошие шансы выйти в мейнстрим в ближайшие несколько лет, и это можно наблюдать по изменению их популярности в сторону увеличения.