Praktische Informatik 3: Funktionale Programmierung Vorlesung 13 vom : Scala Eine praktische Einführung
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- Bernd Hermann
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1 15:59: [17] Praktische Informatik 3: Funktionale Programmierung Vorlesung 13 vom : Scala Eine praktische Einführung Christoph Lüth Universität Bremen Wintersemester 2018/19
2 PI3 WS 18/19 2 [17] Fahrplan Teil I: Funktionale Programmierung im Kleinen Teil II: Funktionale Programmierung im Großen Teil III: Funktionale Programmierung im richtigen Leben Aktionen und Zustände Monaden als Berechnungsmuster Domänenspezifische Sprachen (DSLs) Scala Eine praktische Einführung Rückblich & Ausblick
3 PI3 WS 18/19 3 [17] Organisatorisches Anmeldung zur E-Klausur: ab Mitte der Woche Evaluation der Veranstaltung auf stud.ip: bitte teilnehmen!
4 PI3 WS 18/19 4 [17] Heute: Scala A scalable language Rein objektorientiert Funktional Eine JVM-Sprache Seit 2004 von Martin Odersky, EPFL Lausanne ( Seit 2011 kommerziell durch Lightbend Inc. (formerly Typesafe)
5 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y)
6 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala Variablen, veränderlich (var) def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y)
7 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b Variablen, veränderlich (var) Mit Vorsicht benutzen! def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y)
8 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b Variablen, veränderlich (var) Mit Vorsicht benutzen! Werte, unveränderlich (val) def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y)
9 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b Variablen, veränderlich (var) Mit Vorsicht benutzen! Werte, unveränderlich (val) while-schleifen def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y)
10 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b Variablen, veränderlich (var) Mit Vorsicht benutzen! Werte, unveränderlich (val) while-schleifen Unnötig! def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y)
11 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b Variablen, veränderlich (var) Mit Vorsicht benutzen! Werte, unveränderlich (val) while-schleifen Unnötig! Rekursion Endrekursion wird optimiert def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y)
12 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y) Variablen, veränderlich (var) Mit Vorsicht benutzen! Werte, unveränderlich (val) while-schleifen Unnötig! Rekursion Endrekursion wird optimiert Typinferenz Mehr als Java, weniger als Haskell
13 PI3 WS 18/19 5 [17] Scala am Beispiel: 01-GCD.scala def gcdloop(x : Long, y : Long) : Long = { var a = x var b = y while (a!= 0) { val temp = a a = b % a b = temp return b def gcd(x : Long, y : Long) : Long = i f (y == 0) x else gcd (y, x % y) Variablen, veränderlich (var) Mit Vorsicht benutzen! Werte, unveränderlich (val) while-schleifen Unnötig! Rekursion Endrekursion wird optimiert Typinferenz Mehr als Java, weniger als Haskell Interaktive Auswertung
14 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
15 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) Klassenparameter private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
16 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g Klassenparameter Konstruktoren (this) def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
17 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g Klassenparameter Konstruktoren (this) Klassenvorbedingungen ( require ) def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
18 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g def this (n: Int ) = this (n, 1) Klassenparameter Konstruktoren (this) Klassenvorbedingungen ( require ) private Werte und Methoden def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
19 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) Klassenparameter Konstruktoren (this) Klassenvorbedingungen ( require ) private Werte und Methoden Methoden, Syntax für Methodenanwendung override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
20 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) Klassenparameter Konstruktoren (this) Klassenvorbedingungen ( require ) private Werte und Methoden Methoden, Syntax für Methodenanwendung override (nicht optional) override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
21 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) Klassenparameter Konstruktoren (this) Klassenvorbedingungen ( require ) private Werte und Methoden Methoden, Syntax für Methodenanwendung override (nicht optional) Overloading override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
22 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) override def tostring = numer +"/"+ denom Klassenparameter Konstruktoren (this) Klassenvorbedingungen ( require ) private Werte und Methoden Methoden, Syntax für Methodenanwendung override (nicht optional) Overloading Operatoren private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b)
23 PI3 WS 18/19 6 [17] Scala am Beispiel: 02-Rational-1.scala class Rational(n: Int, d: Int ) { require (d!= 0) private val g = gcd(n. abs, d. abs) val numer = n / g val denom = d / g def this (n: Int ) = this (n, 1) def add(that : Rational) : Rational = new Rational( numer that.denom + that.numer denom, denom that.denom ) override def tostring = numer +"/"+ denom private def gcd(a: Int, b: Int ) : Int = i f (b == 0) a else gcd(b, a % b) Klassenparameter Konstruktoren (this) Klassenvorbedingungen ( require ) private Werte und Methoden Methoden, Syntax für Methodenanwendung override (nicht optional) Overloading Operatoren Companion objects (object)
24 PI3 WS 18/19 7 [17] Algebraische Datentypen: 03-Expr.scala abstract class Expr case class Var(name: String ) extends Expr case class Num (num: Double) extends Expr case class Plus ( left : Expr, right : Expr) extends Expr case class Minus ( left : Expr, right : Expr) extends Expr case class Times ( left : Expr, right : Expr) extends Expr case class Div ( left : Expr, right : Expr) extends Expr // Evaluating an expression def eval (expr : Expr) : Double = expr match { case v : Var 0 // Variables evaluate to 0 case Num(x) x case Plus(e1, e2) eval (e1) + eval (e2) case Minus(e1, e2) eval (e1) eval (e2) case Times(e1, e2) eval (e1) eval (e2) case Div(e1, e2) eval (e1) / eval (e2) val e = Times(Num(12), Plus(Num(2.3),Num(3.7) ))
25 PI3 WS 18/19 7 [17] Algebraische Datentypen: 03-Expr.scala abstract class Expr case class Var(name: String ) extends Expr case class Num (num: Double) extends Expr case class Plus ( left : Expr, right : Expr) extends Expr case class Minus ( left : Expr, right : Expr) extends Expr case class Times ( left : Expr, right : Expr) extends Expr case class Div ( left : Expr, right : Expr) extends Expr // Evaluating an expression def eval (expr : Expr) : Double = expr match { case v : Var 0 // Variables evaluate to 0 case Num(x) x case Plus(e1, e2) eval (e1) + eval (e2) case Minus(e1, e2) eval (e1) eval (e2) case Times(e1, e2) eval (e1) eval (e2) case Div(e1, e2) eval (e1) / eval (e2) val e = Times(Num(12), Plus(Num(2.3),Num(3.7) )) case class erzeugt Factory-Methode für Konstruktoren Parameter als implizite val abgeleitete Implementierung für tostring, equals... und pattern matching (match) Pattern sind case 4 Literale case C(4) Konstruktoren case C(x) Variablen case C(\_) Wildcards case x: C getypte pattern case C(D(x: T, y), 4) geschachtelt
26 PI3 WS 18/19 8 [17] Implementierung algebraischer Datentypen Haskell: data T = C1... Cn Scala: C 1 T... C n Ein Typ T Konstruktoren erzeugen Datentyp Varianten als Subtypen Problem und Vorteil:
27 PI3 WS 18/19 8 [17] Implementierung algebraischer Datentypen Haskell: data T = C1... Cn Scala: C 1 T... C n Ein Typ T Konstruktoren erzeugen Datentyp Varianten als Subtypen Problem und Vorteil: Erweiterbarkeit sealed verhindert Erweiterung
28 PI3 WS 18/19 9 [17] Das Typsystem Das Typsystem behebt mehrere Probleme von Java: Werte vs. Objekte Scala vs. Java NULL references
29 PI3 WS 18/19 10 [17] Vererbungshierarchie Quelle: Odersky, Spoon, Venners: Programming in Scala
30 PI3 WS 18/19 11 [17] Parametrische Polymorphie Typparameter (wie in Haskell, Generics in Java), Bsp. List [T] Problem: Vererbung und Polymorphie Ziel: wenn S < T, dann List [S] < List[T] Does not work 04-Ref.hs
31 PI3 WS 18/19 11 [17] Parametrische Polymorphie Typparameter (wie in Haskell, Generics in Java), Bsp. List [T] Problem: Vererbung und Polymorphie Ziel: wenn S < T, dann List [S] < List[T] Does not work 04-Ref.hs Warum? Funktionsraum nicht monoton im ersten Argument Sei X Y, dann Z X Z Y, aber X Z Y Z Sondern Y Z X Z
32 PI3 WS 18/19 12 [17] Typvarianz class C[+T] Kovariant Wenn S < T, dann C[S] < C[T] Parametertyp T nur im Wertebereich von Methoden Beispiel: class C[T] Rigide Kein Subtyping Parametertyp T kann beliebig verwendet werden class C[ T] Kontravariant Wenn S < T, dann C[T] < C[S] Parametertyp T nur im Definitionsbereich von Methoden class Function[ S, +T] { def apply(x :S) : T
33 PI3 WS 18/19 13 [17] Traits: 05-Funny.scala Trait (Mix-ins): abstrakte Klassen, Interfaces; Haskell: Typklassen Abstrakte Klassen ohne Konstruktur Unterschied zu Klassen: Mehrfachvererbung möglich Keine feste Oberklasse (super dynamisch gebunden) Nützlich zur Strukturierung (Aspektorientierung) Nützlich zur Strukturierung: thin interface + trait = rich interface Beispiel: 05-Ordered.scala, 05-Rational.scala
34 PI3 WS 18/19 14 [17] More Traits Ad-Hoc Polymorphie mit Traits Typklasse: trait Show[T] { def show( value : T) : String Instanz: implicit object ShowInt extends Show[ Int ] { def show(value : Int ) = value. tostring Benutzung: def print [T]( value : T)( implicit show: Show[T])= { println (show.show( value)) ;
35 PI3 WS 18/19 15 [17] Was wir ausgelassen haben... Komprehension (nicht nur für Listen) Gleichheit: == (final), equals (nicht final), eq (Referenzen) string interpolation Implizite Parameter und Typkonversionen Nebenläufigkeit (Aktoren, Futures) Typsichere Metaprogrammierung Das simple build tool sbt Der JavaScript-Compiler scala. js
36 PI3 WS 18/19 16 [17] Schlammschlacht der Programmiersprachen Haskell Scala Java Klassen und Objekte Funktionen höherer Ordnung Typinferenz + (+) - Parametrische Polymorphie Ad-hoc-Polymorphie Typsichere Metaprogrammierung Alle: Nebenläufigkeit, Garbage Collection, FFI
37 PI3 WS 18/19 17 [17] Scala Die Sprache Objekt-orientiert: Veränderlicher, gekapselter Zustand Subtypen und Vererbung Klassen und Objekte Funktional: Unveränderliche Werte Parametrische und Ad-hoc Polymorphie Funktionen höherer Ordnung Hindley-Milner Typinferenz
38 PI3 WS 18/19 18 [17] Beurteilung Vorteile: Funktional programmieren, in der Java-Welt leben Gelungene Integration funktionaler und OO-Konzepte Sauberer Sprachentwurf, effiziente Implementierung, reiche Büchereien Nachteile: Manchmal etwas zu viel Entwickelt sich ständig weiter One-Compiler-Language, vergleichsweise langsam Mehr Scala? Besuchen Sie auch Reaktive Programmierung (SoSe 2017)
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