Einführung in Haskell
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- Frauke Böhm
- vor 6 Jahren
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Transkript
1 Einführung in Haskell Axel Stronzik 21. April / 43
2 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 / 43
3 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 2 / 43
4 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 2 / 43
5 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 4 Typannotationen 2 / 43
6 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 4 Typannotationen 5 Algebraische Datentypen 2 / 43
7 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 4 Typannotationen 5 Algebraische Datentypen 6 Polymorphismus 2 / 43
8 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 4 Typannotationen 5 Algebraische Datentypen 6 Polymorphismus 7 PatternMatching 2 / 43
9 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 4 Typannotationen 5 Algebraische Datentypen 6 Polymorphismus 7 PatternMatching 8 Funtionen höherer Ordnung 2 / 43
10 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 4 Typannotationen 5 Algebraische Datentypen 6 Polymorphismus 7 PatternMatching 8 Funtionen höherer Ordnung 9 Lazy Evaluation 2 / 43
11 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 4 Typannotationen 5 Algebraische Datentypen 6 Polymorphismus 7 PatternMatching 8 Funtionen höherer Ordnung 9 Lazy Evaluation 10 Typklassen und Überladung 2 / 43
12 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Funktions- und Typdefinitionen 3 Basisdatentypen 4 Typannotationen 5 Algebraische Datentypen 6 Polymorphismus 7 PatternMatching 8 Funtionen höherer Ordnung 9 Lazy Evaluation 10 Typklassen und Überladung 11 Ein-/Ausgabe 2 / 43
13 Vorteile funktionaler Programmiersprachen hohes Abstraktionsniveau, keine Manipulation von Speicherzellen keine Seiteneffekte, dies führt zu höherer Verständlichkeit und besseren Möglichkeiten zur Code-Optimierung Programmierung über Eigenschaften, nicht über den zeitlichen Ablauf kompakterer Source-Code (kürzere Entwicklungszeiten, lesbarere Programme, bessere Wartbarkeit) modularer Programmaufbau, Polymorphismus, Funktionen höherer Ordnung, damit auch eine hohe Wiederverwertbarkeit des Codes einfachere Korrektheitsbeweise 3 / 43
14 Strukturen in funktionalen Programmiersprachen Variablen entsprechen unbekannten Werten (nicht Speicherzellen!) Speicher ist nicht explizit verwendbar, sondern wird automatisch alloziert und freigegeben (Garbage Collection) Programme entsprechen Mengen von Funktions- und Typdefinitionen Programmablauf entspricht einer Reduktion von Ausdrücken (nicht einer Sequenz von Anweisungen) 4 / 43
15 Haskell Unix: GHCI (auf den Suns vorinstalliert unter: /home/haskell/bin/ghci ) Windows: Hugs ( 5 / 43
16 Funktionen Die Definition einer Funktion in Haskell: f x 1... x n = e Mögliche Ausdrücke die man nutzen kann: Zahlen (3, ) Basisoperationen (3 + 4, 6 7) formale Parameter (Variablen) Funktionsanwendung ((f e 1... e n )) mit einer Funktion f und Ausdrücken e i bedingte Ausdrücke (if b then e1 else e2) 6 / 43
17 Beispielfunktionen Quadratfunktion: square x = x * x 7 / 43
18 Beispielfunktionen Quadratfunktion: square x = x * x Minimumsfunktion: min x y = if x <= y then x else y 7 / 43
19 Beispielfunktionen Fakultätsfunktion: n! = { 1 fallsn = 0 n (n 1)! sonst 8 / 43
20 Beispielfunktionen Fakultätsfunktion: Wird zu: n! = { 1 fallsn = 0 n (n 1)! sonst fac n = if n == 0 then 1 else n * fac (n-1) 8 / 43
21 Beispielfunktionen Fakultätsfunktion: Wird zu: n! = { 1 fallsn = 0 n (n 1)! sonst fac n = if n == 0 then 1 else n * fac (n-1) Fibonacci: fib1 n = if n == 0 then 0 else if n == 1 then 1 else fib1(n - 1) + fib1(n - 2) 8 / 43
22 Akkumulatortechnik Verbesserung fib fibn fibnp1 n = if n == 0 then fibn else fib fibnp1 (fibn + fibnp1) (n - 1) fib2 n = fib 0 1 n 9 / 43
23 Lokale Definitionen Unötige toplevel Funktion fib. 10 / 43
24 Lokale Definitionen Unötige toplevel Funktion fib. Besser lokal definieren: fib n = fib 0 1 n where fib fibn fibnp1 n = / 43
25 Lokale Definitionen Unötige toplevel Funktion fib. Besser lokal definieren: fib n = fib 0 1 n where fib fibn fibnp1 n =... Oder mit let: fib n = let fib fibn fibnp1 n =... in fib 0 1 n 10 / 43
26 Off-Side-Rule Sichtbarkeiten f x = e where g y = {Rumpf von g} {Rumpf von g geht weiter} {Rumpf von g geht weiter} h z = {Rumpf von h} {Rumpf von h geht weiter} {Rumpf von h geht weiter} k x y = / 43
27 Off-Side-Rule Sichtbarkeiten f x = e where g y = {Rumpf von g} {Rumpf von g geht weiter} {Rumpf von g geht weiter} h z = {Rumpf von h} {Rumpf von h geht weiter} {Rumpf von h geht weiter} k x y =... Im Rumpf von g: Variablen x, y, Funktionen f, g, h, k 11 / 43
28 Off-Side-Rule Sichtbarkeiten f x = e where g y = {Rumpf von g} {Rumpf von g geht weiter} {Rumpf von g geht weiter} h z = {Rumpf von h} {Rumpf von h geht weiter} {Rumpf von h geht weiter} k x y =... Im Rumpf von g: Variablen x, y, Funktionen f, g, h, k Im Rumpf von h: Variablen x, z, Funktionen f, g, h, k 11 / 43
29 Off-Side-Rule Sichtbarkeiten f x = e where g y = {Rumpf von g} {Rumpf von g geht weiter} {Rumpf von g geht weiter} h z = {Rumpf von h} {Rumpf von h geht weiter} {Rumpf von h geht weiter} k x y =... Im Rumpf von g: Variablen x, y, Funktionen f, g, h, k Im Rumpf von h: Variablen x, z, Funktionen f, g, h, k Im Rumpf von k: Variablen x, y, Funktionen f, k 11 / 43
30 Basisdatentypen Int Werte von bis (Integer, beliebig kleine/große Werte, durch Speicher beschränkt) Operationen: +, -, *, div, mod... Vergleiche: <=, >=, <, >, / =, == Bool Boolesche Werte: True, False Operationen: &&,, ==, /=, not Float Fließkommazahlen, geschrieben 0.3, 1.5e 2 Operationen wie bei Int mit / statt div und ohne mod Char Zeichen (ASCII), mit Werten: a, \n, \NUL, \214 Operationen: chr, ord 12 / 43
31 Typannotationen Alle Werte in Haskell haben einen Typ. Dieser kann mittels :: annotiert werden. Beispiele: 3 :: Integer 3 :: Int (3 == 4) True :: Bool square :: Int -> Int square x = (x :: Int) * (x :: Int) :: Int min :: Int -> Int -> Int 13 / 43
32 Algebraische Datentypen Eigenen τ Datentypen definieren mit dem Befehl data: data τ = c 1 τ τ 1n1... c k τ k1... τ knk wobei: τ der neu definierte Typ ist c 1,... c k definierte Konstruktoren sind τ i1 bis τ ini, die Argumenttypen des Kontruktors c i sind, also c i :: τ i1 >... τ ini > τ 14 / 43
33 Beispiele data Color = Red Blue Yellow Red :: Color 15 / 43
34 Beispiele data Color = Red Blue Yellow Red :: Color data Complex = Complex Float Float Complex :: Complex Anwendung: addc :: Complex -> Complex -> Complex addc (Complex r1 i1) (Complex r2 i2) = Complex (r1 + r2) (i1 + i2) 15 / 43
35 Beispiele data Color = Red Blue Yellow Auswertung von Red Error 16 / 43
36 Beispiele data Color = Red Blue Yellow deriving (Eq, Show) Auswertung von Red Error 16 / 43
37 Beispiele data List = Nil Cons Int List 17 / 43
38 Beispiele data List = Nil Cons Int List Anwendung: append :: List -> List -> List append Nil ys = ys append (Cons x xs) ys = Cons x (append xs ys) 17 / 43
39 Beispiele data List = Nil Cons Int List Anwendung: append :: List -> List -> List append Nil ys = ys append (Cons x xs) ys = Cons x (append xs ys) Vordefinierte Listen in Haskell: data [Int] = [] Int : [Int] 17 / 43
40 Beispiele data List = Nil Cons Int List Anwendung: append :: List -> List -> List append Nil ys = ys append (Cons x xs) ys = Cons x (append xs ys) Vordefinierte Listen in Haskell: data [Int] = [] Int : [Int] Anwendung: Berechnung der Länge einer Liste: 17 / 43
41 Beispiele data List = Nil Cons Int List Anwendung: append :: List -> List -> List append Nil ys = ys append (Cons x xs) ys = Cons x (append xs ys) Vordefinierte Listen in Haskell: data [Int] = [] Int : [Int] Anwendung: Berechnung der Länge einer Liste: length :: [Int] -> Int length [] = 0 length (x:xs) = 1 + length xs 17 / 43
42 Polymorphismus Bisher Jede Definition ist auf einen Typ festgelegt. Man muss für jeden Typ eigene Funktion/Konstruktor schreiben. 18 / 43
43 Polymorphismus Bisher Jede Definition ist auf einen Typ festgelegt. Man muss für jeden Typ eigene Funktion/Konstruktor schreiben. Verbesserung Polymorphismus. Einführen von Typvariablen. 18 / 43
44 Polymorphismus Bisher Jede Definition ist auf einen Typ festgelegt. Man muss für jeden Typ eigene Funktion/Konstruktor schreiben. Verbesserung Polymorphismus. Einführen von Typvariablen. Anwendung data [a] = [] a : [a] -- so nicht implementiert length :: [a] -> Int 18 / 43
45 Beispiele data Maybe a = Nothing Just a isnothing :: Maybe a -> Bool isnothing Nothing = True isnothing (Just _) = False data Tree a = Node (Tree a) a (Tree a) Empty height :: Tree a -> Int height Empty = 0 height (Node tl _ tr) = 1 + (max (height tl) (height tr)) 19 / 43
46 Beispiele Strings sind in Haskell als Typsynonym für Listen von Zeichen definiert: type String = [Char] Vereinigung zweier Typen: data Either a b = Left a Right b Tupel mit Mixfixnotation: data (,) a b = (,) a b -- oder (a, b) data (,,) a b c = (,,) a b c -- oder (a, b, c) 20 / 43
47 Pattern x (Variable) passt immer, x wird an aktuellen Ausdruck gebunden (Wildcart) passt immer, keine Bindung c pat 1... pat k (c k-stelliger Konstruktor und pat 1... pat k Pattern) passt, falls aktueller Wert c e 1... e k ist, und alle pat i auf alle e i passt. 21 / 43
48 Pattern x (Variable) passt immer, x wird an aktuellen Ausdruck gebunden (Wildcart) passt immer, keine Bindung c pat 1... pat k (c k-stelliger Konstruktor und pat 1... pat k Pattern) passt, falls aktueller Wert c e 1... e k ist, und alle pat i auf alle e i passt. x@pat ( as pattern ) passt, falls pat passt, zusätzliche Bindung von x an den aktuellen Ausdruck n + k Passt auf alle Zahlen größer gleich k, wobei n an aktuellen Wert minus k gebunden wird. 21 / 43
49 Nicht erlaubte Pattern Nicht erlaubt: gleiche Variable in einem Pattern eq :: a -> a -> Bool eq x x = True -- nicht erlaubt eq = False -- erlaubt 22 / 43
50 Der case Ausdruck Oft ist Patternmatching in bedingten Ausdrücken nützlich. Dazu gibt es den case Ausdruck: case e of pat1 -> e1... patn -> en Wichtig: Die Pattern für Ausdruck e müssen denselben Typ haben! 23 / 43
51 Guards Guards erlauben es zusätzliche Bedingungen an die linke Regelseite (Pattern) zu knüpfen. Beispiele: fac n n == 0 = 1 otherwise = n * fac (n - 1) take :: Int -> [a] -> [a] take n _ n <= 0 = [] take _ [] = [] take (n + 1) (x : xs) = x : take n xs Guards sind bei jedem Pattern Matching erlaubt, also auch bei case-, let und where-ausdrücken. 24 / 43
52 Funktionen höherer Ordnung Idee: Funktionen sind in funktionalen Programmiersprachen Bürger erster Klasse, d.h. können wie alle anderen Werte überall verwendet werden. Anwendungen sind unter anderem generische Programmierung und Programmschemata (Kontrollstrukturen). Vorteile: Höhere Wiederverwendbarkeit und große Modularität. 25 / 43
53 Funktionen höherer Ordnung Idee: Funktionen sind in funktionalen Programmiersprachen Bürger erster Klasse, d.h. können wie alle anderen Werte überall verwendet werden. Anwendungen sind unter anderem generische Programmierung und Programmschemata (Kontrollstrukturen). Vorteile: Höhere Wiederverwendbarkeit und große Modularität. Beispiel: ableitung :: (Float -> Float) -> (Float -> Float) 25 / 43
54 Funktionen höherer Ordnung Idee: Funktionen sind in funktionalen Programmiersprachen Bürger erster Klasse, d.h. können wie alle anderen Werte überall verwendet werden. Anwendungen sind unter anderem generische Programmierung und Programmschemata (Kontrollstrukturen). Vorteile: Höhere Wiederverwendbarkeit und große Modularität. Beispiel: ableitung :: (Float -> Float) -> (Float -> Float) Numerische Berechnung: f (x) = lim In Haskell: f (x+dx) f (x) [ dx 0 dx ] dx = ableitung f = f where f x = (f (x + dx) - f x) / dx 25 / 43
55 Anonyme Funktionen Um Namensraum zu schonen, können kleine Funktionen als anonyme Funktionen definieren. ableitung f = \x -> (f (x + dx) - f x) / dx ableitung hat hier einen funktionalen Wert. 26 / 43
56 Partielle Applikation Betrachte: add :: Int -> Int -> Int add x y = x + y 27 / 43
57 Partielle Applikation Betrachte: add :: Int -> Int -> Int add x y = x + y Mögliche andere Definitionen wären: add = \x y -> x + y add x = \y -> x + y 27 / 43
58 Partielle Applikation Partielle Applikation ist Typkorrekt, da > rechtsassoziativ ist. Es gilt also: a > b > c = a > (b > c) a > b > c (a > b) > c 28 / 43
59 Generische Programmierung filter p [] = [] filter p (x : xs) p x = x : filter p xs otherwise = filter p xs 29 / 43
60 Generische Programmierung filter :: (a -> Bool) -> [a] -> [a] filter p [] = [] filter p (x : xs) p x = x : filter p xs otherwise = filter p xs 29 / 43
61 Generische Programmierung filter :: (a -> Bool) -> [a] -> [a] filter p [] = [] filter p (x : xs) p x = x : filter p xs otherwise = filter p xs map f [] = [] map f (x : xs) = f x : map f xs 29 / 43
62 Generische Programmierung filter :: (a -> Bool) -> [a] -> [a] filter p [] = [] filter p (x : xs) p x = x : filter p xs otherwise = filter p xs map :: (a -> b) -> [a] -> [b] map f [] = [] map f (x : xs) = f x : map f xs 29 / 43
63 Generische Programmierung filter :: (a -> Bool) -> [a] -> [a] filter p [] = [] filter p (x : xs) p x = x : filter p xs otherwise = filter p xs map :: (a -> b) -> [a] -> [b] map f [] = [] map f (x : xs) = f x : map f xs foldr f e [] = e foldr f e (x : xs) = f x (foldr f e xs) 29 / 43
64 Generische Programmierung filter :: (a -> Bool) -> [a] -> [a] filter p [] = [] filter p (x : xs) p x = x : filter p xs otherwise = filter p xs map :: (a -> b) -> [a] -> [b] map f [] = [] map f (x : xs) = f x : map f xs foldr :: (a -> b -> b) -> b -> [a] -> b foldr f e [] = e foldr f e (x : xs) = f x (foldr f e xs) 29 / 43
65 Weitere Funktionen (.) :: (a -> b) -> ( c -> a ) -> c -> b (f. g) x = f (g x) flip :: (a -> b -> c ) -> b -> a -> c flip f x y = f y x const :: a -> b -> a const x _ = x 30 / 43
66 Lazy Evaluation Betrachte folgendes Haskel-Programm: f x = 1 h = h Mit folgender Anfrage: f h 31 / 43
67 Auswertungsstrategien Es gibt 2 interessante Auswertungsstrategien: Leftmost-Innermost (LI, strikte Funktionen): Alle Argumente eines Funktionsaufrufs müssen ausgewertet sein, bevor die Funktion angewendet werden kann. Leftmost-Outermost (LO, nicht-strikte Funktionen): Die Funktionen werden jeweils vor Argumenten ausgewertet. (Berechnungsvollständig) 32 / 43
68 unendliche Datenstrukturen Beispiel: from :: Num a => a -> [a] from n = n : from (n + 1) Nehme nun die bekannte Funktion take: take :: Int -> [a] -> [a] take n _ n <= 0 = [] take n [] = [] take n (x : xs) = x : take (n - 1) xs Nun ist z.b. folgendes möglich: take 3 (from 1) [1,2,3] 33 / 43
69 Typklassen und Überladung Betrachte folgende Funktion: Möglicher Typ der Funktion: elem x [] = False elem x (y : ys) = x == y elem x ys elem :: a -> [a] -> Bool 34 / 43
70 Typklassen und Überladung Betrachte folgende Funktion: Möglicher Typ der Funktion: elem x [] = False elem x (y : ys) = x == y elem x ys elem :: a -> [a] -> Bool Wo liegt das Problem? 34 / 43
71 Typklassen und Überladung Der Typ ist zu Allgemein, da a auch eine Funktion repräsentieren kann. Hier kann die Gleichheit nicht entschieden werden. Abhilfe schafft eine Einschränkung auf Typen, für die die Gleichheit definiert ist: elem :: Eq a => a -> [a] -> Bool 35 / 43
72 Beispiel Gleichheit für Bäume implementieren: data Tree = Empty Node Tree Int Tree instance Eq Tree where Empty == Empty = True (Node tl1 n1 tr1) == (Node tl2 n2 tr2) = tl1 == tl2 && n1 == n2 && tr1 == tr2 t1 /= t2 = not (t1 == t2) 36 / 43
73 Totale Ordnung Erweiterung der Eq Klasse zur totalen Ordnung: class Eq a => Ord a where compare :: a -> a -> Ordering (<), (<=), (>=), (>) :: a -> a -> Bool max, min :: a -> a -> a data Ordering = LT EQ GT 37 / 43
74 Klassen Weitere vordefinierte Klassen: Num zum Rechnen mit Zahlen (definiert (+), (-), (*), abs etc.) Show zum Umwandeln in Strings: show :: Show a => a -> String Read zum Konstruieren aus Strings 38 / 43
75 Ein-/Ausgabe Wichtig bei Ein-/Ausgabe ist die Reihenfolge dieser Aktionen. In Haskell realisiert durch den abstrakten Datentyp IO (), z.b.: putchar :: Char -> IO () Das Zusammensetzen von IO-Aktionen geschieht mittels des Sequenzoperators: (>>) :: IO () -> IO () -> IO () Sequenzialisierung mit Weitergabe durch den Bind-Operator: (>>=) : : IO a -> (a -> IO b) -> IO b 39 / 43
76 Beispiel putstr :: String -> IO () putstr "" = return () putstr (c : cs) = putchar c >> putstr cs getline :: IO String getline = getchar >>= \ c -> if c == \n then return "" else getline >>= \cs -> return (c : cs) 40 / 43
77 Do-Notation Die Do-Notation ist eine vereinfachte Schreibweise, die statt der Operatoren (>>=), (>>) nur Sequenzen verwendet. Mögliche Ausdrücke sind: pat <- e let pat = e e Beispiel: main = do c <- getchar putchar c -- ohne in Beachte: Schlüsselwort do leitet die Notation ein. Off-Side-Rule auch hier gültig. 41 / 43
78 Beispiele getline in Do-Notation: getline = do c <- getchar if c == \n then return "" else do cs <- getline return (c : cs) 42 / 43
79 Beispiele Ausgaben aller zwischenergebnisse von fac fac :: Int -> IO Int fac 0 = do putstr "1" return 1 fac (n + 1) = do facn <- fac n let facnp1 = (n + 1) * facn putstr ( : show facnp1) return facnp1 43 / 43
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