Funktionale Programmiersprachen Gruppe Error 404 Matej Juric Michael

Funktionale Programmiersprachen Gruppe: Error 404 Matej Juric, Michael Berneburg, Ibrahim Akkin, Lennart Reinke, Alexej Geiger

Gliederung • Einleitung • Ursprung – Geschichte • Definition“ – Funktionale Programmiersprachen • Zuordnung von Programmiersprachen • Programmier – Paradigmen • Konzepte des funktionalen Programmierens • • Wo funktionale Programmierung zum Einsatz kommt Vergleich – Funktional & Objekt-Orientiert Vor- und Nachteile des funktionalen Programmierens Fazit

Funktionale Programmierung „Die Programmierung mit mathematischen Funktionen“

Ursprung & Geschichte

Ursprung & Geschichte • Entspringt Mathematischen Grundlagenforschung • Alonzo Church – 1930 er Jahre entwickelt Lambda-Kalkül • Regelwerk für die Definition von Funktionen und gebundener Parameter

Ursprung & Geschichte • John Mc. Carthy – 1958 erstellte erste bedeutende Software – Eval • ist ein LISP – Interpreter, der Semantik von LISP in fünf einfache Funktionen darstellt

„Definition“ – funktionale Programmiersprachen

Defninition Kann man Programmiersprachen überhaupt als rein Funktionale bezeichnen?

Definition • meiste Sprachen unterstützen mehrere Paradigmen • Wann kann man dann eine Sprache als rein funktional bezeichnen? • allg. Definition: wenn sie keine Nebeneffekte zulassen • Welche Sprachen sind demnach Reine? • z. B. Haskell oder Erlang • Welche Sprachen sind Hybride? • Javascript, Python, Lisp und Dialekte uvm.

Programmier Paradigmen

Paradigmen Das Imperative Paradigma

Paradigmen • Ältestes Programmierparadigma • Programm besteht aus Folge von Anweisungen • geben Reihenfolge der Bearbeitung an • Befehlsausführung durch Kontrollstrukturen • Schleifen, Sequenzen, Verzweigungen • Fokus auf dem „Wie? “ • Beispiele: Java, C, C++

Paradigmen Das Deklarative Paradigma

Paradigmen • Problembeschreibung im Vordergrund • Lösungsweg wird nicht gegeben -> automatisch ermittelt • Fokus auf dem „Was? “ • Beispiele: SQL, Linda, Prolog

Konzepte der funktionalen Programmierung

Konzepte Lazy Evaluation Closures Currying Funktionen höherer Ordnung Rekursion Charakteristiken funktionaler Programmierun g Immutability Pure Functions

Konzepte Funktionen höherer Ordnung

Konzepte • Engl. Higher Order Functions • Funktionen welche Funktion als Argument erwartet Das „Imutable“ • Funktion welche Funktion zurückgibt – Prinzip • Verknüpfung zum „First-class Citizen“ – Konzept: • Funktion kann überall stehen wo auch andere primitive Werte stehen • wie z. B. Zahlen oder Strings

Konzepte Reinheit – Pure Functions

Konzepte Das „Imutable“ – Prinzip • Seiteneffekte: Veränderung des Zustands der Maschine • Bsp. Werteneuzuweisung von Variablen

Konzepte Das „Immutable“ – Prinzip

Konzepte • Datenstruktur die nach ihrer Erstellung nicht mehr verändert werden kann • Warum ist das was Gutes? Das „Imutable“ – Prinzip • Benutzung erzeugt keine Nebeneffekte • sie sind immer Thread-Safe; sie verhindern NULL-Referenzen • generell einfacher zu erstellen, zu benutzen und testen • Nachteile? • es kann deutlich Perfomance-teurer werden • ein Array in dem ein Int verändert werden soll? - es muss ein neues Array mit den gleichen Werten bis auf den Veränderten erstellt und zurückgegeben werden

Konzepte Das „Imutable“ – Prinzip Beispiel dafür aus der Objekt Orientierten Programmierung? Strings

Konzepte Closures

Konzepte Closures A closure is the combination of a function and the lexical environment within which that function was declared. – MDN

Konzepte • Funktionen, die innerhalb einer umschließenden Funktion definiert werden • alles umschließende gehört zum Erstellungskontext Das „Imutable“ – Prinzip • Closures binden ihren Erstellungskontext an sich • können geschlossen hin und her gereicht werden • auf die Variablen im Erstellungskontext kann fortan nicht mehr zugegriffen werden

Konzepte Allgemeines Beispiel: Das „Imutable“ – Prinzip wofür ist das nützlich? für ähnliche Funktionen Closure dient als Hersteller

Konzepte Spezifisches Beispiel: Das „Imutable“ – Prinzip Achtung: Currying!

Konzepte Currying Beim currying wird eine Funktion, die mehrere Argumente annimmt in mehrere Funktionen, die jeweils ein Argument annehmen, verwandelt.

Konzepte Spezifisches Beispiel: Das „Imutable“ – Prinzip

Konzepte Lazy Evaluation

Konzepte • Gegenteil ist „strict Evaluation“ Beispi el: 5+3 „Sie ist eine gute Programmiererin!“ Das „Imutable“ – Prinzip • Nicht immer sinvoll • weniger effizient

Konzepte Beispi el:

Konzepte Beispi el:

Wo funktionale Programmiersprachen zum Einsatz kommen

Vergleich zwischen Funktional und Objektorientiert

Vergleich Aufbau und Eigenschaften

Eigenschaften • Objektbasiert: • Gibt Objekte vor zum Kapseln von Funktionen und Daten • Objektorientiert: • Erweitern das Objektbasierte um Vexerbung und Polymorphie • Funktional • Bestehen aus Abfolge von Funktionsaufrufen • Alle Elemente können als Funktionen aufgefasst werden

Eigenschaften OOP • Man sagt dem Programm wie etwas getan werden soll FP • Man sagt dem Programm was getan werden soll

Eigenschaften

Eigenschaften

Eigenschaften

Eigenschaften

Eigenschaften OOP • Ist Imperativ • If Anweisungen, While und For Schleifen • Anweisungen werden nacheinander abgearbeitet • Änderungen an Werten während der Laufzeit möglich FP • • Ist Deklarativ Rekursion statt Schleifen Auf eine Eingabe wird eine Ausgabe geliefert Pur functional, keine imperativen Eigenschaften

Eigenschaften OOP • Variablen sind Platzhalter für Referenzen • Alter Wert wird bei Neuzuweisung gelöscht • Lokale Variablen existieren nur in dem eigenen Scope • Typsicher • Primitive Typen: String, Interger • Referenz Typen: Lebewesen, Hund FP • Funktionen können als Parameter in anderen Funktionen verwendet werden • Funktionen sind ineinander verschachtelte Funktionsaufrufe • Nicht Typsicher • Typisierung findet dynamisch während der Laufzeit statt

Eigenschaften OOP • Klassen • Vererbung • Polymorphie • Kein direkter Zugriff auf das Innere einer Klasse • Schnittstellen werden angeboten FP • Lazy Evaluation • Closure • immutable • Anonyme Funktionen

Vergleich Code-Beispiele

Vergleich

Konzepte Beispiel in OOP (Java): Beispiel in FP (Python): Das „Imutable“ – Prinzip

Vergleich

Konzepte Beispiel in OOP (Java): Beispiel in FP (Python):

Konzepte Beispiel in OOP (Java): Beispiel in FP (Python): Das „Imutable“ – Prinzip

Vergleich Wofür wird, was gebraucht?

Vergleich Meist genutzten Programmiersprachen (Umfrage von Stackoverflow)

Vergleich Top 15 Programmiersprachen im Jahre 2018 und 2019

Vergleich „Programming Language of the Year“ - Gewinner

Anwendungsbereiche

Vergleich OOP • Mobile Anwendungen(i. OS, Android) • Web-Entwicklung – Frontend • Grafik/Raytracer • Datenbanksysteme FP • Simulationen • Web-Entwicklung Backend • Komplexe Mathematische Berechnungen • Artificial Intelligence • Compiler-Bau

Vor- und Nachteile von funktionaler Prgrammierung

Nachteile

Nachteile - Rekursion • Rekursion oft langsamer Das „Imutable“ – Prinzip • Unterprogramme kosten Zeit • meistens sind Lösungen als Schleifen weniger komplex und damit leichter verständlich

Nachteile - Immutability • Zustandsaktualisierung komplexer und speicherintensiver OOP (Java) Das „Imutable“ – Prinzip FP(Scala) • Zustandsveränderung realitätsnäher • Bsp. : Tür-Objekt mit boolean-Attribut (offen/geschlossen)

Zustände und Nebeneffekte Java Codebeispiel

Functions I/O (Daten, Datenbanken, Internet etc. ) • verstößt gegen eigenes Paradigma • im Außenkern stehen Funktion bereit, die dafür zuständig sind Das „Imutable“ – Prinzip Nebeneffekte sind auch nützlich • vereinfachen Lösungsansätze • näher an der Realität Vollständige Applikationen • einzelne Funktionen schreiben ist leicht – sie zu einem Gesamtkonstrukt zu kombinieren kann schwierig sein

Vorteile

Vorteile - Immutability Verständlichkeit • Code besser nachzuvollziehen, da zu jedem Zeitpunkt feststeht, in welchen Zustand sich Variablen befinden Das „Imutable“ – Prinzip Thread-safe • Synchronisierung ist kein Problem – Variablen immer den selben Zustand • einzelne Threads können Zustand nicht ändern

Vorteile – Pure Functions Memoisation • Input des Ergebnisses kann zwischengespeichert werden – bei erneutem Aufruf mit gleichem Input muss nur der Speicher gelesen werden Keine Nebeneffekte Das „Imutable“ – Prinzip • ändert keine Variablen oder Daten außerhalb der Funktion • nachvollziehbarer Code, leichter zu testen – schwerer Bugs einzubauen Aussagekräftige Signatur und oft wenig Zeilen • bessere Lesbarkeit und kürzerer Code Modularisierung • Funktionen in sich abgeschlossen und erfüllen immer eigene Aufgaben • Funktionen können dadurch nebenläufig abgearbeitet werden

Fazit

Fazit – Technischer Hintergrund

Fazit – Technischer Hintergrund

Fazit – Technischer Hintergrund

Fazit – Recap • Thread-safe durch Immutability • Nebenläufigkeit durch modulare Funktionen • Nebenläufigkeit „per Default“ – einfacher einzurichten – nicht so Das „Imutable“ – Prinzip komplex wie OOP • Software muss mit den größer werdenden Datenmengen und der technischen Entwicklung mitgehen – FP hilft dabei

Programmiersprachen der neue Standard? • Trend in Richtung funktionale Programmierung Das „Imutable“ – Prinzip– nicht funktionale Sprachen • Vermutung: Beliebtheits-Trends von Programmiersprachen bleiben ähnlichen, aber: • Stärkere Vermischung von OOP und FP

Quellen • https: //funktionale-programmierung. de/2013/08/23/was-ist-funktionale-programmierung. html • http: //www. cse. chalmers. se/~rjmh/Papers/whyfp. html • https: //docs. python. org/3. 1/howto/functional. html • http: //book. realworldhaskell. org/read/ • https: //www. heise. de/select/ix/2017/6/1495900368728612 • https: //softwareengineering. stackexchange. com/questions/25056/purest-functional-programming-languages • https: //en. wikipedia. org/wiki/Programming_languages_used_in_most_popular_websites • https: //www. quora. com/Is-LISP-a-pure-functional-language-Why • https: //wiki. haskell. org/Learn_Haskell_in_10_minutes • http: //www. gm. fh-koeln. de/ehses/paradigmen/folien/functional. pdf • https: //de. wikipedia. org/wiki/Closure_(Funktion) • https: //jug-saxony-day. org/wp-content/uploads/JSD 2018 -Mauky-Immutable-Data-mit-Java. pdf • https: //www. yegor 256. com/2014/06/09/objects-should-be-immutable. html • https: //hackernoon. com/how-immutable-data-structures-e-g-immutable-js-are-optimized-using-structural-sharing-e 4424 a 866 d 56 • https: //cs. stackexchange. com/questions/37558/does-immutability-in-functional-programming-really-exist

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