Каковы основные технические различия между Prolog и miniKanren в отношении логического программирования?

Ответ 1

Во-первых, позвольте мне похвалить вас за ваш прекрасный значок pw0n1e.

Это сложный вопрос для ответа, во многом потому, что существует так много вариантов как miniKanren, так и Prolog. miniKanren и Prolog - действительно семьи языков, что затрудняет сравнение их возможностей или даже того, как они используются на практике. Из-за этого, пожалуйста, возьмите все, что я собираюсь сказать с осторожностью: если я скажу, что Prolog использует поиск по глубине, имейте в виду, что многие реализации Prolog поддерживают другие стратегии поиска и что альтернативные стратегии поиска также могут быть закодированы в мета -строчный уровень. Тем не менее, miniKanren и Prolog имеют разные концепции дизайна и делают разные компромиссы.

Пролог является одним из двух классических языков программирования символического искусственного интеллекта (другим классическим языком является Lisp). Prolog превосходит при внедрении символических основанных на правилах систем, в которых декларативные знания кодируются в логике первого порядка. Язык оптимизирован для выразительности и эффективности для этих типов приложений, иногда за счет логической чистоты. Например, по умолчанию Prolog не использует команду "выполнить проверку" в унификации. С математической/логической точки зрения эта версия объединения неверна. Тем не менее, проверка происшествия является дорогостоящей, и в большинстве случаев отсутствие проверки происходит не проблема. Это очень прагматичное дизайнерское решение, так же как использование Prolog для поиска по глубине и использование разреза (!) для управления обратным трассировкой. Я уверен, что эти решения были абсолютно необходимы при работе на аппаратных средствах 1970-х годов и сегодня очень полезны при работе с большими проблемами и при работе с огромными (часто бесконечными!) Пространствами поиска.

Prolog поддерживает множество "экстра-логических" или "нелогичных" функций, включая cut, assert и retract, проектирование переменных для арифметики с использованием is и т.д. Многие из этих функций облегчают выражение сложного потока управления и манипулируют глобальной базой данных Prolog фактов. Одна очень интересная особенность Prolog заключается в том, что код Prolog сам хранится в глобальной базе данных фактов и может быть запрошен во время выполнения. Это делает тривиальным писать мета-интерпретаторы, которые изменяют поведение кода Пролога под интерпретацией. Например, можно закодировать поиск по ширине в Prolog с помощью мета-интерпретатора, который изменяет порядок поиска. Это чрезвычайно мощный метод, который не известен за пределами мира Prolog. "Искусство Пролога" подробно описывает эту технику.

Огромные усилия пошли на улучшение реализации Prolog, большинство из которых основаны на Warren Abstract Machine (WAM). WAM использует побочную модель, в которой значения деструктивно назначаются логическим переменным, причем эти побочные эффекты отменяются при обратном отслеживании. Многие функции могут быть добавлены в Prolog, расширяя инструкции WAM. Одним из недостатков такого подхода является то, что документы по реализации Prolog могут быть трудночитаемыми без четкого понимания WAM. С другой стороны, у разработчика Prolog есть общая модель для обсуждения проблем реализации. Проводилось много исследований параллельно с Прологом, кульминацией которого стал Андорра Пролог в 1990-х годах. По крайней мере, некоторые из этих идей живут в Ciao Prolog. (Ciao Prolog полна интересных идей, многие из которых выходят далеко за рамки стандарта Prolog.)

В Prolog есть красивый синтаксис стиля, соответствующий шаблону соответствия шаблону, который дает очень сжатые программы. Прологеры любят свой синтаксис, подобно тому, как Lispерс любит их s-выражения. В Prolog также есть большая библиотека стандартных предикатов. Благодаря всей технологии, которая быстро вступила в WAM, есть очень эффективные и зрелые реализации Prolog. В результате многие большие системы, основанные на знаниях, были полностью написаны в Prolog.

miniKanren был разработан как минимальный логический язык программирования с небольшой, легко понятной и легко взломанной реализацией. miniKanren был первоначально встроен в Scheme и был перенесен на десятки других языков-хостов за последнее десятилетие. Самая популярная реализация miniKanren - это "core.logic" в Clojure, которая теперь имеет множество Prolog-подобных расширений и ряд оптимизаций. Недавно ядро ​​реализации miniKanren было еще более упрощено, в результате чего появилось крошечное "микроядро" под названием "microKanren". Затем miniKanren может быть реализован поверх этого ядра microKanren. Портирование microKanren или miniKanren на новый язык хоста стало стандартным упражнением для программистов, изучающих miniKanren. В результате большинство популярных языков высокого уровня имеют как минимум одну реализацию miniKanren или microKanren.

Стандартные реализации miniKanren и microKanren не содержат мутации или других побочных эффектов, за одним исключением: некоторые версии miniKanren используют равенство указателя для сравнения логических переменных. Я считаю это "доброкачественным эффектом", хотя многие реализации избегают даже этого эффекта, передавая счетчик через реализацию. Глобальной базы данных фактов также нет. Философия внедрения miniKanren вдохновлена ​​функциональным программированием: следует избегать мутации и эффектов, и все языковые конструкции должны уважать лексическую сферу. Если вы внимательно посмотрите на реализацию, вы можете даже обнаружить пару монадов. Реализация поиска основана на объединении и управлении ленивыми потоками, еще раз без использования мутации. Эти варианты реализации приводят к очень разным компромиссам, чем в Prolog. В Prolog переменный поиск - это постоянное время, но для возврата требуется отменить побочные эффекты. В miniKanren переменный поиск дороже, но обратный поиск является "бесплатным". Фактически, в miniKanren нет возврата, из-за того, как обрабатываются потоки.

Одним из интересных аспектов реализации miniKanren является то, что код по своей сути является потокобезопасным и, по крайней мере, в теории, тривиально параллелизуемым. Конечно, распараллеливание кода, не делая его медленнее, не является тривиальным, учитывая, что каждому потоку или процессу должна быть предоставлена ​​достаточная работа, чтобы компенсировать накладные расходы при распараллеливании. Тем не менее, это область реализации miniKanren, которая, я надеюсь, получит больше внимания и экспериментов.

miniKanren использует проверочную проверку для унификации и использует полный поиск чередования вместо поиска по глубине. Поиск в режиме чередования использует больше памяти, чем поиск по глубине, но может найти ответы в некоторых случаях, в которых поиск по глубине будет расходиться/цикл навсегда. Например, miniKanren поддерживает несколько дополнительных логических операторов - conda, condu и project. conda и condu могут использоваться для имитации пролога Prolog, а project можно использовать для получения значения, связанного с логической переменной.

Наличие conda, condu и project --- и возможность легко изменять стратегию поиска --- позволяет программистам использовать miniKanren как встроенный язык, подобный прологу. Это особенно справедливо для пользователей Clojure 'core.logic', который включает в себя многие Prolog-подобные расширения. Это "прагматичное" использование miniKanren, по-видимому, объясняет большинство использования miniKanren в промышленности. Программисты, которые хотят добавить основанную на знаниях систему рассуждений в существующее приложение, написанное в Clojure или Python или JavaScript, обычно не заинтересованы в переписывании всего своего приложения в Prolog. Внедрение небольшого логического языка программирования в Clojure или Python гораздо более привлекательно. По-видимому, внедренная реализация Prolog будет работать с этой целью. Я подозреваю, что miniKanren стал популярным в качестве встроенного логического языка из-за крошечной и чистой реализации ядра, а также разговоров, сообщений в блогах, учебных пособий и других учебных материалов, которые появились после "The Reasoned Schemer".

В дополнение к использованию miniKanren как прагматичного встроенного логического языка программирования, аналогичного духу Prolog, miniKanren используется для исследований в "реляционном" программировании. То есть при написании программ, которые ведут себя как математические отношения, а не математические функции. Например, в схеме функция append может добавлять два списка, возвращая новый список: вызов функции (append '(a b c) '(d e)) возвращает список (a b c d e). Однако мы можем рассматривать append как трехместное, а не как функцию с двумя аргументами. Затем вызов (appendo '(a b c) '(d e) Z) свяжет логическую переменную Z со списком (a b c d e). Конечно, вещи становятся более интересными, когда мы помещаем логические переменные в другие позиции. Вызов (appendo X '(d e) '(a b c d e)) связывает X с (a b c), а вызов (appendo X Y '(a b c d e)) связывает X и Y с парами списков, которые при добавлении равны (a b c d e). Например, X= (a b) и Y= (c d e) - одна такая пара значений. Мы также можем написать (appendo X Y Z), который будет генерировать бесконечно много троек списков X, Y и Z таких, что добавление X в Y приводит к Z.

Эта реляционная версия append может быть легко выражена в Prolog и действительно показана во многих учебниках Prolog. На практике более сложные программы Prolog, как правило, используют как минимум несколько дополнительных логических функций, таких как разрез, которые препятствуют способности обрабатывать полученную программу как отношение. Напротив, miniKanren явно разработан для поддержки этого стиля реляционного программирования. Более поздние версии miniKanren поддерживают символическое ограничение ограничений (symbolo, numbero, absento, ограничения неравномерности, номинальное логическое программирование), чтобы упростить запись нетривиальных программ в качестве отношений. На практике я никогда не использую какие-либо экстра-логические функции miniKanren, и я пишу все свои программы miniKanren в качестве отношений. Наиболее интересными реляционными программами являются реляционные интерпретаторы для подмножества Схемы. У этих переводчиков есть много интересных способностей, таких как создание миллионов программ Scheme, которые оцениваются в списке (I love you) или тривиально генерирующих quines (программы, которые оценивают для себя).

miniKanren делает ряд компромиссов, чтобы включить этот реляционный стиль программирования, который сильно отличается от компромиссов Prolog. Со временем miniKanren добавила больше символических ограничений, фактически став символически ориентированным языком программирования Constraint Logic. Во многих случаях эти символические ограничения делают практически невозможным использование дополнительных логических операторов, таких как condu и project. В других случаях эти символические ограничения недостаточны. Лучшая поддержка символических ограничений - одна из активных областей исследований miniKanren, а также более широкий вопрос о том, как писать более крупные и более сложные программы в качестве отношений.

Короче говоря, как miniKanren, так и Prolog имеют интересные функции, реализации и использования, и я думаю, что стоит изучить идеи с обоих языков. Существуют и другие очень интересные языки логического программирования, такие как Mercury, Curry и Gödel, каждый из которых имеет свое собственное логическое программирование.

Я закончу несколько ресурсов miniKanren:

Основной сайт miniKanren: http://minikanren.org/

Интервью, которое я дал о реляционном программировании и miniKanren, включая сравнение с Prolog: http://www.infoq.com/interviews/byrd-relational-programming-minikanren

Приветствия,

- Воля

Ответ 2

Предварительный ответ:

AFAIK, "The Reasoned Schemer" представил базовое логическое программирование в синтаксисе Scheme-y и стиле функционального программирования, добавив, в частности, постоянные цели "#u" (fail) и "#s" (suceeed) к логическим значениям "#t" и "#f". Он использовал тот же подход к логическому программированию, что и Prolog: Unification и backtracking search. Я посмотрю, есть ли у меня какое-то время, чтобы получить эту книгу с моей полки в выходные. Филиал математики - это ограниченная форма логики первого порядка, в данном случае предложения Хорна и Разделение разрешения. См.: Вычислительная логика: воспоминания о прошлом и вызовы для будущего Джона Алана Робинсона и Первые годы логического программирования Роберта Ковальского для холодного старта.