Функции первого класса

В информатике язык программирования имеет функции первого класса, если он рассматривает функции как объекты первого класса. В частности, это означает, что язык поддерживает передачу функций в качестве аргументов другим функциям, возврат их как результат других функций, присваивание их переменным или сохранение в структурах данных.
Некоторые теоретики языков программирования считают необходимым условием также поддержку анонимных функций.
В языках с функциями первого класса имена функций не имеют никакого специального статуса, они рассматриваются как обычные значения, тип которых является функциональным.
Термин был впервые использован  в контексте «функции как объекты первого класса» в середине 1960-х.

Функции первого класса являются неотъемлемой частью функционального программирования, в котором использование функций высшего порядка является стандартной практикой. Простым примером функции высшего порядка будет функция Map, которая принимает в качестве своих аргументов функцию и список и возвращает список после применения функции к каждому элементу списка. Чтобы язык программирования поддерживал Map, он должен поддерживать передачу функций как аргумента.

Существуют некоторые сложности в реализации передачи функций как аргументов и возвращении их как результата, особенно в присутствии нелокальных переменных, введённых во вложенных и анонимных функциях. Исторически они были названы проблемами фунарга, от английского «function argument».
В ранних императивных языках программирования эти проблемы обходились путём отказа от поддержки возвращения функций как результата или отказа от вложенных функций и следовательно нелокальных переменных (в частности, C). Lisp, один из первых функциональных языков программирования, применяет подход динамической области видимости, где нелокальные переменные возвращают ближайшее определение этих переменных к точке, в которой функция была вызвана, вместо точки, в которой она была объявлена. Полноценная поддержка для лексического контекста функций первого порядка была введена в Scheme и предполагает обработку ссылок на функции как замыканий вместо чистых, что, в свою очередь, делает необходимым применение сборки мусора.

Концепции 
В этой секции рассматривается, как конкретные идиомы программирования реализуются в функциональных языках с функциями первого порядка (Haskell) сравнительно с императивными языками, где функции — объекты второго порядка (C).

Функции высшего порядка: передача функции как аргумента 

В языках, где функции — это объекты первого порядка, функции могут быть переданы как аргументы другим функциями так же, как и любые другие значения. Так, например, в Haskell:
map :: (a -> b) -> [a] -> [b]
map f []     = []
map f (x:xs) = f x : map f xs

Языки, где функции не являются объектами первого порядка, позволяют реализовывать функции высшего порядка с помощью использования делегатов.

Указатели в языке Си с некоторыми ограничениями позволяют строить функции высшего порядка (можно передавать и возвращать адрес именованной функции, но нельзя порождать новые функции):
void map(int (*f)(int), int x[], size_t n) {
    for (int i = 0; i < n; i++)
        x[i] = f(x[i]);
}

Анонимные и вложенные функции 

В языках, поддерживающих анонимные функции, можно передать такую функцию как аргумент функции высшего порядка:
main = map (\x -> 3 * x + 1) [1, 2, 3, 4, 5]
В языках, не поддерживающих анонимных функций, необходимо сперва  функцию с именем:
int f(int x) {
    return 3 * x + 1;
}

int main() {
    int l[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    map(f, l, 5);
}

Нелокальные переменные и замыкания 

Если язык программирования поддерживает анонимные или вложенные функции, достаточно логично предполагать, что они будут ссылаться на переменные за пределами тела функции:
main = let a = 3
           b = 1
        in map (\x -> a * x + b) [1, 2, 3, 4, 5]

Если функции представлены в форме чистых, возникает вопрос того, как же передавать значения за пределами тела функции. В таком случае приходится строить замыкание вручную, и на этом этапе говорить о функциях первого класса не приходится.

typedef struct {
    int (*f)(int, int, int);
    int *a;
    int *b;
} closure_t;

void map(closure_t *closure, int x[], size_t n) {
    for (int i = 0; i < n; ++i)
        x[i] = (*closure->f)(*closure->a, *closure->b, x[i]);
}

int f(int a, int b, int x) {
    return a * x + b;
}

void main() {
    int l[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int a = 3;
    int b = 1;
    closure_t closure = {f, &a, &b};
    map(&closure, l, 5);
}

Функции высшего порядка: возврат функций как результата 
При возврате функции на самом деле происходит возврат её замыкания. В примере на С все локальные переменные, заключённые в замыкание, выйдут из области видимости как только функция, которая составляет замыкание, вернёт управление. Форсирование замыкания в дальнейшем может привести к неопределённому поведению.

См. также 
 Частичное применение
 Лямбда-выражения
 Функциональный тип

Примечания

Литература 
 Leonidas Fegaras. «Functional Languages and Higher-Order Functions». CSE5317/CSE4305: Design and Construction of Compilers. University of Texas at Arlington.

Ссылки 
 First-class functions on Rosetta Code.
 Higher order functions at IBM developerWorks

Функциональное программирование
Теория языков программирования