Haskell. Grundlagen der Programmierung 2. Grundlagen der Programmierung 2: Geplanter Inhalt der ersten Hälfte. Prof. Dr. Manfred Schmidt-Schauß

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1 Grundlagen der Programmierung 2: Geplanter Inhalt der ersten Hälfte Grundlagen der Programmierung 2 Prof. Dr. Manfred Schmidt-Schauß Künstliche Intelligenz und Softwaretechnologie 17. April 2013 rekursives Programmieren in Auswertung in Programmieren mit Listen Datenstrukturen: Bäume Polymorphe Typen und Typklassen Compilerbau; Lexer Parser Kombinator-Parser Kode-Erzeugung; abstrakte Maschinen Shift-Reduce Parser und Compiler-Generatoren Compiler-Generatoren (Semantik) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Bücher, Literatur, URLs und funktionale Programmierung: prg2 insbesondere das Skript zur Vorlesung -Web-Seite -Doku Manuel Chakravarty und Gabriele Keller, Einführung in die Programmierung mit Richard Bird, Introduction to Functional Programming Using Simon Thompson, : The Craft of Functional Programming Graham Hutton, Programming in (2007) Compiler: Jeffrey D. Ullman, Monica S. Lam, Ravi Sethi, Alfred V. Aho Compilers: Principles, Techniques, and Tools, 2nd Edition, Pearson 2006 deutsch: Compiler: Prinzipien, Techniken und Werkzeuge, Pearson Studium, 2008 Niklaus Wirth, Grundlagen und Techniken des Compilerbaus, Oldenbourg 1997 rekursive Programmierung mit einer stark typisierten funktionalen Programmiersprache mit parametrischem Polymorphismus Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) - 4 -

2 ist eine moderne Programmiersprache; sehr weitgehende Konzepte werden erprobt und kombiniert strenge und statische Typisierung Nicht-strikte Auswertung viele korrekte Programmtransformationen korrekte automatische Parallelisierung Prozess-Programmierung und Konkurrente Auswertung deklarative Programmierung Wichtige Eigenschaften funktionaler Programmiersprachen Referentielle Transparenz Gleiche Funktion, gleiche Argumente = gleicher (Rückgabe-)Wert Keine Seiteneffekte! D.h. keine Änderung von Objekten Verzögerte Auswertung Nur die für das Resultat notwendigen Unterausdrücke werden (so spät wie möglich) ausgewertet. Parametrisch Polymorphes Typsystem Nur Ausdrücke mit Typ sind erlaubt es gibt Typvariablen. Das Typsystem garantiert: keine dynamischen Typfehler. Automatische Speicherverwaltung Anforderung und Freigabe von Speicher Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) PR zu Funktionalen Programmiersprachen Programmierung in OCaml: Variante von ML, eine Programmiersprache analog zu. Aus dem Artikel von Yaron Minsky und Stephen Weeks: (JFP 2008) Immutability wird gelobt: entspricht Verzicht auf Zuweisungen Pattern Matching wird gelobt: entspricht Datentypen mit Konstruktoren und case-expressions Tail-Rekursions-Optimierung) wird vermisst. Das gibt es in ( kommt noch) Grundprinzipien: des funktionalen Programmierens Definition von Funktionen quadrat x = x*x Aufbau von Ausdrücken: Anwendung der Funktion auf Argumente, 3*(quadrat 5) die wieder Ausdrücke sein können. programminterne Kommunikation: Nur der Wert von Ausdrücken wird bei der 75 Auswertung zurückgegeben. Funktionen können Datenobjekte sein Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) - 8 -

3 Standards zu Folien und Skript Interpreter / Compiler für Wir verwenden den Interpreter GHCi Darstellung von Quell-Code (Source-code) auf den Folien und Skript: quadrat x = x*x Einfacher Download und Installation Darstellung von Interpreteraktionen auf Folien und Skript: *Main> Siehe Hilfestellungen auf der Professur-Webseite. Simon Peyton Jones und Simon Marlow ( Microsoft Research) die wichtigsten Forscher und Weiterentwickler des GHC: (Glasgow Compiler). (März 2013: Simon Marlow wechselt zu Facebook.) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Umgang mit dem Interpreter Einfache Daten und Operatoren Online-Report Aufruf: ghci (im richtigen Fenster) prompt > ghci < Einige Zeilen Infos > Prelude> :h < Hilfe-Menu > Prelude> :t True True :: Bool (druckt den Typ des Ausdrucks True) Prelude> :set +s (Option s für Statistik gesetzt) ganze Zahlen 0,1,-3 Typ: Int n mit n = beliebig lange ganze Zahlen Typ: Integer, rationale Zahlen 3%7 Typ: Ratio Gleitkommazahlen 3.456e+10 Typ: Floating Zeichen a Typ: Char Datenkonstruktoren True, False Typ: Bool Diese nennen wir auch Basiswerte (bis auf Floating) Module im Interpreter verwenden: Prelude> :m +Char +Numeric Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)

4 Einfache Daten und Operatoren Beispiel Arithmetische Operatoren: +,,, /, (ein) Typ: Int Int Int Arithmetische Vergleiche: ==, <=, <... (ein) Typ: Int Int Bool Logische Operatoren: &&,, not (ein) Typ: Bool Bool Bool Definition eines Polynoms, z.b.: x 2 + y 2 : quadratsumme x y = quadrat x + quadrat y Auswertung:... *Main> quadratsumme Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Typen in Typen in TYP Ausdruck Beispiel Die Ausgabe des Interpreters für die Addition (+) ist komplizierter: Int 3 Integer 123 Float 1.23e45 Double 1.23e45 Integer -> Integer -> Integer (+) Integer -> Integer quadrat Integer -> Integer -> Integer quadratsumme Typ Konstanten, (Typ von Argument 1) -> (Typ von Argument 2) -> Ergebnistyp Funktionen Prelude> :t (+) (+) :: (Num a) => a -> a -> a D.h.: Für alle Typen a, die man als numerisch klassifiziert hat, d.h. die in der Typklasse Num sind, hat (+) den Typ a -> a -> a Z.B. gilt: (+)::Integer -> Integer -> Integer (+)::Double -> Double -> Double Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)

5 (vereinfachte) -Syntax FunktionsDefinition ::= Funktionsname Parameter = Ausdruck Ausdruck ::= Bezeichner Zahl ( Ausdruck Ausdruck ) ( Ausdruck ) ( Ausdruck BinInfixOp Ausdruck ) Bezeichner ::= Funktionsname Datenkonstruktorname Parameter BinInfixOp BinInfixOp ::= + / Argumente einer Funktion: Anzahl der Argumente: formale Parameter. Stelligkeit der Funktion: (ar(f)) Die Nichtterminale Funktionsname, Parameter, Bezeichner, Datenkonstruktorname sind Namen (z.b. quadrat ) Aus der -Dokumentation exp10 -> \ apat1... apatn -> exp (lambda abstraction, n>=1) let decls in exp (let expression) if exp then exp else exp (conditional) case exp of { alts } (case expression) do { stmts } (do expression) fexp fexp -> [fexp] aexp function application) aexp -> qvar (variable) gcon (general constructor) literal ( exp ) (parenthesized expression) ( exp1,..., expk ) (tuple, k>=2) [ exp1,..., expk ] (list, k>=1) [ exp1 [, exp2].. [exp3] ] (arithmetic sequence) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Beispiel zur Grammatik Programm quadratsumme x y = (quadrat x) + (quadrat y) Ein -Programm ist definiert als Zeichenfolge Name in der Grammatik (sog. Nichtterminal) im Programm quadratsumme Funktionsname x Parameter y Parameter = = gleiches Zeichen wie in Grammatik (quadrat x) + (quadrat y) Ausdruck der Form Ausdruck + Ausdruck + binärer Infix-Operator quadrat x Anwendung: quadrat ist ein Ausdruck und x ist ein Ausdruck Eine Menge von Funktionsdefinitionen Eine davon ist die Definition der Konstanten main. Ohne main: dann ist es ein Modul Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)

6 : Verschiedenes... Fallunterscheidung: IF-THEN-ELSE Prelude: vordefinierte Funktionen, Typen und Datenkonstruktoren Präfix, Infix, Prioritäten: ist möglich für Operatoren Konventionen zur Klammerung: s 1 s 2... s n ((... (s 1 s 2 ) s 3...) s n ) Funktionsdefinitionen: formale Parameter müssen verschiedenen sein; keine undefinierten Variablen im Rumpf! Weitere Trennzeichen: {, } Semikolon ; Syntax: if Ausdruck then Ausdruck else Ausdruck if, then, else sind reservierte Schlüsselworte Der erste Ausdruck ist eine Bedingung (Typ Bool) Typisierung: if Bool... then typ else typ (if 1 then 1 else 2) Layout-sensibel: bewirkt Klammerung mit {, }. ergibt einen (Typ-)Fehler Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Bedingungen, Arithmetische Vergleiche Darstellungen eines Programms Die Infixoperatoren ==, <, >, <=, >=, / = haben den Typ: Integer -> Integer -> Bool sichtbare Syntax: vom Programmierer benutzt Achtung: = ist reserviert für Funktionsdefinitionen und let Boolesche Ausdrücke sind kombinierbar mit not,, && (nicht, oder, und) Konstanten sind True, False. Interne Syntax: Linearisierung ; entzuckerte Version; voll geklammert; alle Operatoren sind Präfix; kein Layout Ableitungsbaum (Herleitungsbaum): Interne Darstellung; Vom Kompiler erzeugt Beispiel: 3.0 <= x && x < 5.0 Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)

7 Darstellungen eines Programms Syntaxbaum: Beispiele if x <= 0 then 1 else x*(quadrat (x-1)) Syntaxbaum: Eindeutige Darstellung des Programms als markierter Baum. Wird vom Compiler/Interpreter (Parser) intern erzeugt. Ermöglicht die eindeutige Definition der Ausführung des Programms. Entspricht der hierarchischen Schachtelung des Programms. Z.B. Klammerstruktur ifthenelse <= 1 x 0 x quadrat x 1 x*(quadrat (x-1)) x quadrat x 1 Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) Syntaxbaum: Beispiele Zwei Syntaxbäume zu 1-2-3: (1 (2 3)) ((1 2) 3) Nur einer ist ist gültig in. Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)