Proseminar Aspekte funktionaler Programmierung und ihrer Anwendung

Transkript

1 Proseminar Aspekte funktionaler Programmierung und ihrer Anwendung Sommersemester 2009 Einführung 23. April 2009

2 Who is who Prof. Heiko Neumann, Institut für Neuroinformatik Prof. Friedrich v. Henke, Institut für Künstliche Intelligenz Dr. Hans A. Kestler, Institut für Neuroinformatik Dr. Holger Pfeifer, Institut für Künstliche Intelligenz Johann Kraus, Institut für Neuroinformatik Ludwig Lausser, Institut für Neuroinformatik (Benjamin Meier, Institut für Neuroinformatik)

3 Was ist ein Proseminar? Seminar: ist keine Vorlesung traditionell: Vorträge der Teilnehmer eingegrenztes, sehr spezifisches Themengebiet weiterführen und vertiefen von Vorlesungsinhalten Lerninhalt: aneignen von Spezialwissen Speziell Proseminar zur Vorbereitung auf die Seminare im Hauptstudium Themen von reduzierter Schwierigkeit Lerninhalte: neben thematischen Inhalten, v. a. auch Umgang mit Literatur Abhalten freier Vorträge Anfertigen wissenschaftlicher Berichte

4 Ziel dieses Proseminars Einblick in funktionale Programmierung + Kennenlernen und Überblick konkrete fachliche Inhalte Lernen und Einüben von wissenschaftlicher Arbeitsweise selbständigem Erarbeiten eines Themengebiets schriftlicher Aufbereitung Präsentation in einem Vortrag Dazu notwendig: Lernkontrolle Einzelgespräche mit dem Betreuer Feedback aus der Gruppe: gemeinsame Diskussionen Begutachtungstreffen (Reviewing) Beurteilung des Vortrags

5 Thematik des Proseminars Aspekte funktionaler Programmiersprachen und ihrer Anwendung Funktionales Programmieren Lazy Evaluation Anonyme Funktionen Funktionen höherer Ordnung Typsysteme Concurrency... Funktionale Programmiersprachen Lisp Haskell Clojure Scala Ocaml... Bearbeitung anhand konkreter Programmieraufgaben

6 Fragestellungen Einige Leitfragen für die Bearbeitung der Seminarthemen: zur Programmiersprache: Was sind die Hauptmerkmale der Programmiersprache? Wie unterscheidet sie sich von anderen (imperativen, objekt-orientierten) Sprachen? Welche Vorteile ergeben sich daraus? In welchen Anwendungen / Anwendungsgebieten wird die Sprache erfolgreich eingesetzt?... zu den Programmieraufgaben: Welche Lösungsansätze wurden betrachtet? Was zeichnet diese Ansätze / die Implementierung aus? Welche Schwierigkeiten ergeben sich? Welche Ergebnisse, Erfolge wurden erzielt?... Kritische Auseinandersetzung mit dem Thema!

7 Geplanter Ablauf 3 Phasen: 1. Kennenlernen der Programmiersprache Literatur studieren, zusätzliches Material recherchieren Ergebnis: Kurzvortrag über die Programmiersprache 2. Implementieren der Programmieraufgaben Ergebnis: Benchmarks, Lines of code, Eleganz, Schriftliche Aufarbeitung Ergebnis: Seminararbeit 4. Vortrag Ergebnis: Folien und Präsentation

8 Geplanter Ablauf Termine: 3. Vorlesungswoche (4. 8. Mai) Vorstellung der Programmiersprachen in Kurzvorträgen Ausgabe der Programmieraufgaben Nach der reading week (8. Juni): Einreichung der Programme zweite Juni-Woche ( Juni): Abgabe der 1. Fassung der Seminarabeit dritte Juni-Woche ( Juni): gegenseitiges Begutachten (Reviewing) bis 26. Juni Abgabe der endgültigen Fassung der Seminararbeit vorletzte und/oder letzte Vorlesungswoche ( Juli) 1 / 2 gemeinsame Blockveranstaltungen für Seminar-Vorträge weitere Beratungsgespräche nach Bedarf

9 Anforderungen Aktive Teilnahme an den Programmieraufgaben an den Gruppentreffen am Reviewing in den Diskussionen zu den Vorträgen gute Ausarbeitung Inhalt und Form engagierter Vortrag Inhalt, Präsentation, Zeit regelmäßiger Kontakt mit Betreuer fristgerechte Abgaben

10 Programmieraufgaben

11 Themenvorschläge 1. Türme von Hanoi 2. Countdown Problem 3. Sortieralgorithmen 4. Klassifikation 5. Simulation boolescher Netze 6. Binary Decision Diagrams (BDDs) 7. Dynamic Programming 8. Evolutionäre Algorithmen 9....

12 Ihre Aufgaben In den kommenden 2 Wochen: Einarbeiten in die Programmiersprache Kurzvortrag strukturieren: Wichtiges von Unwichtigem trennen, Gliederung Erstes Ziel (3. Vorlesungswoche): Kurzvorstellung der Programmiersprache in einem 5-Minuten-Vortrag

13 Kurzvortrag Ziele des Kurzvortrags Überblick für alle Teilnehmer Überblick über die Programmiersprache Verständnis Wichtige Aspekte Vortragssituation kennen lernen Gestaltung des Kurzvortrags Dauer etwa 5 Minuten Sprache in groben Zügen präsentieren Inhalt: z. B. wichtige Aspekte herausstellen, s. o.

14 Seminarabeit Kontext: wissenschaftliche Forschung Fokussierung auf: Beiträge in wissenschaftlichen Journalen Artikel in Tagungsbänden Forschungsberichte von Forschungsinstitutionen

15 Literaturauswahl Einstiegsmöglichkeiten: Zeitschriften Konferenzen Organisationen Zielgerichteter als Google ist Google Scholar:

16 Programmierparadigmen Imperatives Programmieren: Lineare Abfolge von Befehlen. Zustandsorientiertes Programmieren. Imperatives Programm beschreibt Wie etwas gemacht wird. Objektorientiertes Programmieren: Daten werden in Klassen gekapselt. Ein Programm ist eine Menge interagierender Objekte. Funktionales Programmieren: Programme sind Menge von Funktionsdefinitionen. Zur Laufzeit findet eine Neukombination und Transformation der Funktionen statt. Funktionaler Code beschreibt Was gemacht wird.

17 LISP (defun helloworld () (print "Hello World!")) LISP = List Processing Vorgestellt 1958 von John McCarthy Entwickelt für die Verarbeitung symbolischer Information 1994 Einführung des ANSI Standards für Common Lisp Konzipiert als funktionale Programmiersprache Erweitert um prozedurale und objekt-orientierte Strukturen (CLOS) Lisp/WS0809/ Editor: Emacs mit Slime Practical Common Lisp (Buch):

18 LISP: Basics Atome: Zahlen: 123, 0.432, 12/34,... Zeichenketten: "Hello World",... Symbole: A, B, C,... Listen: (1 2 3), (1 A "name"),... Funktion: (+ 1 2) 3 (NOT T) NIL (car (1 2 3)) 1

19 LISP: Quicksort

20 Haskell Aus der Werbung: Haskell is an advanced purely functional programming language. An open source product of more than twenty years of cutting edge research, it allows rapid development of robust, concise, correct software. With strong support for integration with other languages, built-in concurrency and parallelism, debuggers, profilers, rich libraries and an active community, Haskell makes it easier to produce flexible, maintainable high-quality software. Charakteristika von Haskell: Purely functional: keine Seiteneffekte ( Lazy evaluation: nicht-strikte Auswertung Ausdrücke werden erst dann ausgewertet, wenn das Ergebnis gebraucht wird. Ermöglicht z. B. unendliche Datenstrukturen. Strong typing: Der Typ von Variablen, Funktionen, Ausdrücken ist statisch festlegt und wird automatisch inferiert. Fehler können bereits zur Compile-Zeit festgestellt werden.

21 Haskell Haskell-Implementierungen: HUGS Interpreter GHC Compiler, auch als Interpreter GHCi

22 Haskell Quicksort qsort [] = [] qsort (x:xs) = qsort smaller ++ [x] ++ qsort larger where smaller = filter (<x) xs larger = filter (>=x) xs Highlights: eingebaute Unterstützung von Listen als Standard-Datenstrukturen inkl. Operationen (kein explizites Verwalten von Pointern nötig) Funktionsdefinitionen durch pattern matching Funktionen sind first-class citizens : können Argument oder Ergebnis anderer Funktionen sein higher-order functions Currying und partielle Applikation

23 Clojure Ist ein neuer Lisp Dialekt. Wird seit 2007 von Rich Hickey entwickelt. Ist eine dynamische funktionale Programmiersprache basierend auf der Java VM. Bietet einen einfachen Zugriff auf Java und unterstützt optional Typdeklarationen. Hat unveränderliche und persistente Basisdatenstrukturen. Bietet lazy evaluation. Hat ein software transactional memory system und ermöglicht dadurch einfaches, sicheres und korrektes multi-thread Programmieren. Website:

24 Clojure Concurrency (def counter (ref 0)) (defn inc-counter [] (dosync (alter counter inc))) Java Interaktion (defn sqrt [x] (. java.lang.math (sqrt x)))

25 Clojure Quicksort (defn qsort [[x & xs]] (let [smaller (filter #(< % x) xs) bigger (filter #(>= % x) xs)] (when x (lazy-cat (qsort smaller) [x] (qsort bigger)))))

26 Scala Scalable Language Wird seit 2001 von der Gruppe um Martin Odersky an der EPFL entwickelt Compiliert zu Bytecode für die JVM Vollständige Interoperabilität mit allen Java Bibliotheken Fusion objektorientierter und funktionaler Konzepte Strong typing Website: Alles ist ein Objekt, einschließlich, Zahlen und Funktionen Alle Klassen aus java.lang werden automatisch importiert, andere müssen explizit importiert werden

27 Scala Quicksort in Scala

28 Ocaml Objective Categorically Abstract Machine Language Wird am INRIA entwickelt (erschienen 1996) Verwendung von C- und Fortran-Bibliotheken möglich Unterstützt funktionale, imperative und objektorientierte Konzepte Statisch typisiert Website: Compiler für Bytecode und Maschinencode (in der Effizienz vergleichbar mit C++-Code) Interaktiver Interpreter zum Testen von Quellcode # print_string "Hello World\n";; Hello World - : unit = ()

29 Ocaml Variablen und Funktionen im Toplevel

30 Ocaml Quicksort in Ocaml