Funktionales Programmieren mit objektorientierten Sprachen

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1 Funktionales Programmieren mit objektorientierten Sprachen Dr. Dieter Hofbauer Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.1/21

2 Function Objects In funktionalen Sprachen (Haskell, ML,... ) sind Funktionen first-class citizens. Sie können Argument anderer Funktionen sein, Resultat anderer Funktionen sein, in Datenstrukturen gespeichert werden, etc. Wie kann man das in OO-Sprachen (Beispiel Java) imitieren? Eine Möglichkeit: Function Objects Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.2/21

3 Function Objects (Forts.) Eine Funktion als die Methode eines Function Interfaces. Benutze das Function Object anstelle der Funktion. Beispiele: Comparator: Ordnen von Datenstrukturen Runnable und Callable: Asynchrone Ausführung von Aktionen im Zusammenhang mit Threads ActionListener: Callback-Interfaces zur Ausführung von Aktionen in der Zukunft Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.3/21

4 Das Entwurfsmuster Command Aus dem Buch Design Patterns von Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Encapsulate a request as an object, thereby letting you parameterize clients with different requests, queue of log requests, and support undoable operations. Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.4/21

5 Function Objects (Forts.) Hüllen-Interfaces für Function Objects: Stellt eine einstellige Funktion zur Verfügung: public interface Function { Object apply( Object x ); Stellt eine zweistellige Funktion zur Verfügung: public interface Function2 { Object apply( Object x, Object y ); Bemerkung: Für jede Stelligkeit ein neues Interface? Alternative: Ausschließlich einstellige Funktionen, aber mit Liste / Tupel von Argumenten. Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.5/21

6 Function Objects: Beispiele class ToUpperCase implements Function { public Object apply( Object x ) { return ( (String)x ).touppercase( ); class Concat implements Function2 { public Object apply( Object x, Object y ) { return (String)x + (String)y; class MyName implements Function { public Object apply( Object x ) { return new Concat( ).apply( "My", (String)x ); Liefert das String- Argument in Großbuchstaben. Liefert die Konkatenation der String- Argumente. Ergänzt das String- Argument um das Präfix "My". "Anna".toUpperCase( ); // "ANNA" // üblicher Methodenaufruf new ToUpperCase( ).apply( "Anna" ); // "ANNA" // mit Function Object new Concat( ).apply( "My", "Eclipse" ); // "MyEclipse" new MyName( ).apply( "Eclipse" ); // "MyEclipse" Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.6/21

7 Function Objects: Beispiele (Forts.) Ein Function Object kann auch Daten speichern. Beispiel: Die Methode apply erwartet einen String und ergänzt ihn um ein Präfix. Das Präfix wird bei der Konstruktion als Parameter übergeben. class Prefix implements Function { private String prefix; Prefix( String prefix ) { this.prefix = prefix; public Object apply( Object x ) { return prefix + (String)x; new Prefix( "His" ).apply( "Eclipse" ); // "HisEclipse" new Prefix( "Her" ).apply( "Eclipse" ); // "HerEclipse" Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.7/21

8 Funktionen höherer Ordnung Funktion Objects können Argumente anderer Funktionen (Methoden) sein. Beispiel: public static List map( Function f, List list ) { List result = new LinkedList( ); for ( Object x : list ) { result.add( f.apply( x ) ); return result; Die Methode map wendet die Funktion f auf jedes Element der Liste list an, und gibt eine Referenz auf die so entstehende neue Liste zurück. System.out.println( list ); // [eins, zwei, sieben] map( new ToUpperCase( ), list ); // [EINS, ZWEI, SIEBEN] map( new MyName( ), list ); // [MyEINS, MyZWEI, MySIEBEN] Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.8/21

9 Funktionen höherer Ordnung (Forts.) Beispiel 2: Die Methode filter erzeugt eine Liste derjenigen Elemente der Liste list, die das Prädikat p erfüllen, d.h. für die p den Wert true liefert: public static List filter( Predicate p, List list ) { List result = new LinkedList( ); for ( Object x : list ) { if ( p.apply( x ) ) { result.add( x ); return result; Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.9/21

10 Funktionen höherer Ordnung (Forts.) Stellt ein einstelliges Prädikat (Methode mit Rückgabetyp boolean) bereit: public interface Predicate { boolean apply( Object x ); Testet, ob das String-Argument Länge 4 hat: class ShortWord implements Predicate { public boolean apply( Object x ) { return ( (String)x ).length( ) <= 4; System.out.println( list ); // [eins, sieben, acht] filter( new ShortWord( ), list ); // [eins, acht] Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.10/21

11 Funktionen höherer Ordnung (Forts.) Beispiel 3: Implementiert die Komposition f nach g der Funktionen f und g: (f g)(x) = f(g(x)) Die Methode apply der Komposition wendet zuerst das apply der Funktion g, danach das apply der Funktion f an. Die Function Objects f und g werden als Konstruktorparameter übergeben. class Composition implements Function { private Function f, g; Composition( Function f, Function g ) { this.f = f; this.g = g; public Object apply( Object x ) { return f.apply( g.apply( x ) ) ; Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.11/21

12 Funktionen höherer Ordnung (Forts.) Beispiel 3 (Forts.): System.out.println( list ); // [eins, zwei, sieben] Function f = new MyName( ); Function g = new ToUpperCase( ); map( new Composition( f, g ), list ); // [MyEINS, MyZWEI, MySIEBEN] Dies ist nicht äquivalent zur Komposition in umgekehrter Reihenfolge: map( new Composition( g, f ), list ); // [MYEINS, MYZWEI, MYSIEBEN] Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.12/21

13 Funktionen höherer Ordnung (Forts.) Beispiel 4: n-fache Iteration einer Funktion f: Das Function Object f und die Zahl n 0 sind Konstruktorparameter. Der Konstruktor realisiert die Gleichungen f 0 = id und f n+1 = f f n. class Iteration implements Function { private Function comp; Iteration( Function f, int n ) { if ( n < 0 ) throw new IllegalArgumentException( "Iteration für negativen Exponent nicht definiert." ); if ( n == 0 ) comp = new Identity( ); else comp = new Composition( f, new Iteration( f, n-1 ) ); public Object apply( Object x ) { return comp.apply( x ); Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.13/21

14 Funktionen höherer Ordnung (Forts.) Beispiel 4 (Forts.) Eine alternative, effizientere Implementierung: class Iteration implements Function { private Function f; private int n; Iteration( Function f, int n ) { if ( n < 0 ) throw new IllegalArgumentException( "Iteration für negativen Exponent nicht definiert." ); this.f = f; this.n = n; public Object apply( Object x ) { for ( int i = n; i > 0; i-- ) { x = f.apply( x ); return x; Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.14/21

15 Funktionen höherer Ordnung (Forts.) Liefert das Argument unverändert zurück: class Identity implements Function { public Object apply( Object x ) { return x; Liefert den um Eins inkrementierten Wert des Integer-Arguments: class Succ implements Function { public Object apply( Object x ) { return (Integer)x + 1; Liefert den doppelten Wert des Integer-Arguments: class Double implements Function { public Object apply( Object x ) { return (Integer)x * 2; Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.15/21

16 Funktionen höherer Ordnung (Forts.) Succ succ = new Succ( ); Double doub = new Double( ); // Eins addieren: succ.apply( 2 ); // 3 // Eins und noch eins addieren, auf zwei Arten: succ.apply( succ.apply( 2 ) ); // 4 new Composition( succ, succ ).apply( 2 ); // 4 // Addition als iteriertes Inkrementieren: new Iteration( succ, 100 ).apply( 2 ); // 102 // Exponentiation als iteriertes Verdoppeln: Iterator timeseight = new Iteration( doub, 3 ); timeseight.apply( 2 ); // 16 new Iteration( timeseight, 3 ).apply( 2 ); // 1024 Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.16/21

17 Generic Function Objects Statische Typsicherheit garantieren Typvariablen (ab Java 5): public interface Function<S,T> { S apply( T t ); Type-Casts werden damit überflüssig: class ToUpperCase implements Function<String,String> { public String apply( String x ) { return x.touppercase( ); Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.17/21

18 Generic Function Objects (Forts.) Analog für Funktionen höherer Ordnung: public static <S,T> List<S> map( Function<S,T> f, List<T> list ) { List<S> result = new LinkedList<S>( ); for ( T x : list ) { result.add( f.apply( x ) ); return result; Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.18/21

19 Generic Function Objects: Aufgaben Wie sehen die anderen Klassen mit Generics aus, insbesondere Composition und Iteration? Gesucht ist eine Methode, die für ein gegebenes Prädikat und eine gegebene Liste testet, ob mindestens ein Element der Liste das Prädikat erfüllt: public static <T> boolean exists( Predicate<T> p, List<T> list ) Schreiben Sie analog eine Methode forall, die testet, ob alle Elemente der Liste das Prädikat erfüllen. Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.19/21

20 Alternative: Closures Closure: Funktion, die auf freie Variablen im lexikalischen Kontext referiert. Funktion: Code-Block mit Parametern; darf einen Ergebniswert haben. Freie Variable: Bezeichner, den die Closure benutzt, aber nicht definiert. Vorträge, Tutorials, Prototyp-Implementierung etc. zu Closures: Gilad Bracha, Neal Gafter, James Gosling, Peter von der Ahé (aka BGGA): Closures for the Java Programming Language Vortrag (ca. 2h) von Neal Gafter (1/2007): Advanced Topics In Programming Languages: Closures For Java Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.20/21

21 Closures in Java 7: Beispiel Eine Methode, die for-each-schleifen via Closures realisiert: public static <T> void foreach( Iterable<T> seq, { T => void f ) { for ( T x : seq ) { f.invoke(x); Beispielaufruf: List<Integer> nums =...; { Integer => void print = { Integer n => System.out.println( n ); ; Utils.forEach( nums, print ); Hochschule Darmstadt, WS 2008/09 p.21/21