C.3 Funktionen und Prozeduren

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1 C3 - Funktionen und Prozeduren Funktionsdeklarationen in Pascal auch in Pascal kann man selbstdefinierte Funktionen einführen: Funktionen und Prozeduren THEN sign:= 0 Funktion zur Bestimmung des Vorzeichens (engl.: "sign") einer reellen Zahl sign :: Float --> Int sign x x == 0 = 0 x > 0 = 1 otherwise = -1 analoge Haskell-Definition (mit Fallunterscheidung statt IFs) 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 2 Funktionsdeklarationen: Syntax Implizite Variablen in Funktionsdeklarationen Funktionskopf Funktionsrumpf (Block) F.name formale Parameter Resultattyp implizit! Initialisierung fehlt noch: VAR erfolgt durch Parameterübergabe bei Funktions- x: real; aufruf sign: integer ; Resultatfestlegung (durch Zuweisung) mit "Seiteneffekt": Wert ist auch ausserhalb sichtbar 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 4

2 Verwendung selbstdefinierter Funktionen in Ausdrücken Parameterübergabe bei Funktionsaufrufen Selbstdefinierte Funktionen werden (wie in Haskell) ausschliesslich in Ausdrücken verwendet, d.h. auf rechten Seiten in Zuweisungen in Parameterlisten x := sign(y) write('das Vorzeichen von ', x, ' ist ', sign(x), '!') ; in Booleschen Bedingungen von Kontrollstrukturen IF sign(x) <> -1 THEN x := x-1 ; Gefahr für Verwechslungen: sign(x) := 1 ist nicht möglich! (obwohl in der Definition von sign das Konstrukt sign := 1 auftritt) F.applikation: F.deklaration: y := sign(sqrt(3.5)) ; obligatorische Auswertung des aktuellen Parameters "eager evaluation": anders als in Haskell ("lazy")! (engl. eager: "gierig") 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 6 Parameterübergabe (2) "echt imperative" Funktion Funktionsrümpfe in Pascal sind keine Ausdrücke, sondern bestehen aus beliebigen Anweisungen (inklusive Kontrollstrukturen wie z.b. Schleifen): implizit! Initialisieren des formalen Parameters durch den ausgewerteten aktuellen Parameter x := ; fak(3): FUNCTION fak (n:integer): integer; VAR i, j: integer; j := 1; FOR i := 1 TO n DO j := j i ; fak := j j i Lässt sich so nicht in Haskell ausdrücken! 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 8

3 Ausdruck vs. Anweisung noch'ne Funktion grundlegende Unterscheidung: ähnlich strukturiert wie 'fak': Trennsymbol zwischen Parametern ist Semikolon (wg. Analogie zu Deklaration) Ausdruck bezeichnet einen Wert sqrt(9) Anweisung bewirkt einen Zustandsübergang x := sqrt(x) ; FUNCTION potenz (x: real; n:integer): real; VAR i: integer; j: real; j := 1; FOR i := 1 TO n DO j := j x; potenz := j 3 x 9 x 3 potenz(3.5, 5): j i Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 10 Iteration durch Rekursion imperative Variante der Potenzfunktion in diesem Fall möglich: "Simulation" von Iteration in Pascal durch Rekursion in Haskell FUNCTION potenz (x: real; n:integer): real; VAR i: integer; j: real; j := 1; FOR i := 1 TO n DO j := j x; potenz := j potenz x n = potenz' x n 1 potenz' x n i i == n = x otherwise = (potenz' x n (i+1)) x potenz potenz' (potenz' ) Eine effizientere Implementierung des Potenzierens mit imperativen Mitteln, die in Haskell nur sehr viel schwerer "simulierbar" ist: FUNCTION potenz (x: real ; n: integer): real ; VAR u,v: real; r: integer; u := 1; v := x; r := n; WHILE r > 0 DO IF odd(r) THEN u := u v ; v := sqr(v) ; r := r DIV 2 ; potenz := u potenz(3.5, 5) u := 1; v := 3.5; r := 5; u := 3.5 v := r := 2 v := r := 1 u := v :=... r := Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 12

4 Prozedur vs. Funktion Prozeduraufrufe Prozedur statt Funktion kein Resultattyp Prozeduren werden durch spezielle Anweisungen aktiviert: Prozeduraufruf PROCEDURE potenz' (x: real ; n: integer) ; VAR u,v: real; r: integer; u := 1; v := x; r := y; WHILE r > 0 DO IF odd(r) THEN u := u v ; v := sqr(v) ; r := r DIV 2 ; writeln(x, ' hoch ', n, ' = ', u, '!') Resultat wird durch Ausdrucken "mitgeteilt" Ein Prozeduraufruf ähnelt einem Funktionsaufruf syntaktisch sehr stark: < prozedurname > < parameterliste > z.b.: potenz'(3.5, 5) Dennoch gibt es prinzipielle und drastische Unterschiede zwischen beiden Aufrufarten: Prozeduraufrufe sind Anweisungen und besitzen keine Werte. Funktionsaufrufe sind Ausdrücke und repräsentieren Werte. Die Prozedur potenz' kann also z.b. in diesem Kontext aufgerufen werden: x := sqrt(9) ; potenz'(x, sqr(2)) resultierende Ausgabe: 3 hoch 4 = 81! 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 14 Klassifikation von Funktionen und Prozeduren Prozedur vs. Funktion (2) wieder ganz wichtig, Konzepte richtig zuzuordnen: noch einmal zum Vergleich: Funktion statt Prozedur Resultattyp Funktion Funktionsaufruf Ausdruck Prozedur Prozeduraufruf Anweisung Rückgabewert FUNCTION potenz (x: real ; n: integer): real ; VAR u,v: real; r: integer; u := 1; v := x; r := y; WHILE r > 0 DO IF odd(r) THEN u := u v ; v := sqr(v) ; r := r DIV 2 ; potenz := u 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 16

5 Funktionsaufruf vs. Prozeduraufruf Funktions- und Prozedurdeklarationen in Blöcken Funktionen können nur auf Parameterpositionen in Anweisungen oder verschachtelt in anderen Ausdrücken aufgerufen werden: Funktions- bzw. Prozedurdeklarationen erfolgen im Deklarationsteil eines Blocks nach allen anderen Deklarationen und Definitionen x := 3 ; y := potenz(x, potenz(2,2)) ; writeln(x, ' hoch ', potenz(2,2), ' = ', y, '!') 1. Konstantendefinitionen 2. Typdefinitionen 3. Variablendeklarationen 4. Funktions- und Prozedurdeklarationen Dasselbe Verhalten liesse sich erreichen, wenn man z.b. die Prozedurversion (potenz') mit der Funktionsversion (potenz) kombiniert: x := 3 ; potenz'(x, potenz(2,2)) Deklarationen von Funktionen und Prozeduren dürfen sich abwechseln, solange eine Funktion oder Prozedur keine andere, noch nicht deklarierte Funktion oder Prozedur aufruft! Ausnahmen können nur durch sog. forward-deklarationen vereinbart werden, um z.b. wechselseitige Rekursion zu ermöglichen Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 18 noch eine Prozedur Prozeduraufruf ohne "globalen Effekt" Prozedur mit "eingebetteter" (lokaler) Funktionsdeklaration: PROCEDURE kuerzen (x,y: integer) ; WHILE u <> v DO IF u > v THEN u := u-v ELSE v := v-u ; ggt := u ; teiler := ggt(x,y) ; x := x DIV teiler ; y := y DIV teiler VAR a, b: integer ; a := 21; b := 14 ; kuerzen(a,b) ; PROCEDURE kuerzen (x,y: integer) ;... ; teiler := ggt(x,y) ; x := x DIV teiler ; y := y DIV teiler writeln(a) ; writeln(b) ; x 21 a a 21 y b "lokale" Variablen: verändert! 3 2 b 14 "Problem" dieser Prozedur: bewirkt nichts! "globale" Variablen: unverändert! 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 20

6 Ein- und Ausgabeparameter Globaler Effekt durch VAR-Parameter "normale" Prozedurparameter sind nur Eingabeparameter: Werte der aktuellen Parameter werden bei Aufruf ermittelt und an die formalen Parameter (lokale Grössen der Prozedur) zugewiesen. Änderungen der formalen Parameter sind "nach aussen" (global) normalerweise nicht sichtbar (keine Ausgabeparameter)! Dieses Verhalten kann geändert werden, wenn die Parameter in der formalen Parameterliste als "variabel" deklariert werden: PROCEDURE kuerzen (VAR x,y: integer) ; VAR a, b: integer ; a := 21; b := 14 ; kuerzen'(a,b) ; PROCEDURE kuerzen' (VAR x,y: integer) ;... ; teiler := ggt(x,y) ; x := x DIV teiler ; y := y DIV teiler x a b y formale Parameter erhalten nur "Referenzen" auf aktuelle Parameter übergeben a b 3 2 VAR-Parameter dienen als Ausgabeparameter: Synonyme für aktuelle Parameter, d.h. jede Änderung der formalen Parameter wirkt sich auch auf die jeweiligen aktuellen Parameter aus. writeln(a) ; writeln(b) ; "globale" Variablen: verändert! 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 22 Unterscheidung von Ein- und Ausgabeparametern Parameterübergabe in PASCAL "Sauberes" Ein-/Ausgabeverhalten ohne versteckte Änderung globaler Grössen durch explizite Unterscheidung von Ein- und Ausgabeparametern: Pascal bietet damit zwei verschiedene Mechanismen für die Parameterübergabe: VAR a', b': integer ; kuerzen''(21, 14, a', b')) ; PROCEDURE kuerzen'' (x_in, y_in: integer ; VAR x_out,y_out: integer) ;... ; teiler := ggt(x_in,y_in) ; x_out := x_in DIV teiler ; y_out := y_in DIV teiler writeln(a') ; writeln(b') ; "call by value": Formale Parameter werden bei Aufruf durch Werte der aktuellen Parameter initialisiert. "call by reference": Formale VAR-Parameter werden durch Referenzen mit aktuellen Parametern identifiziert. wichtig: Aktuelle Parameter auf Positionen, deren formale Parameter mit VAR deklariert sind, müssen beim Aufruf Variablen sein! kuerzen''(21,14,a,b) ; kuerzen''(a,b,21,14) ; zulässig unzulässig Funktionen können ebenfalls VAR-Parameter haben, aber man sollte davon keinen Gebrauch machen: Nur der Funktionswert sollte als (impliziter) Ausgabeparameter dienen! 2001 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 24

7 Funktion mit Seiteneffekten "Saubere" Verwendung von Funktionen (Leider) können in Pascal auch Funktionsaufrufe andere Effekte hervorrufen als nur die Berechnung des Funktionswerts ("Seiteneffekte"): Ein-/Ausgabebefehle Änderungen der Werte globaler Variablen VAR global: integer ; FUNCTION sideeffect (x: integer): boolean ; IF x > global THEN Seiteneffekte x := global ; sideeffect := false ; ELSE global := x ; write('seiteneffekt eingetreten!'); sideeffect := true ; ; ; (Haupt-)Effekt Programmieren von Funktionen mit Seiteneffekten sollte weitgehend vermieden werden: "Missbrauch" des Funktionskonzepts! Höchstens die Verwendung von Ausgabebefehlen zu Testzwecken ist akzeptabel (aber nicht in der endgültigen Version!). Besonders das Einlesen von Werten innerhalb einer Funktion (statt durch Parameterübergabe) produziert "gefährlichen", weil schwer verständlichen Code. Grundregel: Funktionen sollen seiteneffektfrei sein und nur aus ihren Eingabegrössen (den aktuellen Parametern) eine Ausgabegrösse (den Funktionswert) berechnen Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik I 26