JVM Functional Language Battle

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1 JVM Functional Language Battle Orientation in Objects GmbH Weinheimer Str Mannheim Version:

2 Ihr Sprecher Falk Sippach Trainer, Berater, Entwickler Co-Organisator Architektur Agile Softwareentwicklung Codequalität 2

3 Java, XML und Open Source seit 1998 ) Software Factory ) ) Object Rangers ) ) Competence Center) Schlüsselfertige Realisierung von Java Software Individualsoftware Pilot- und Migrationsprojekte Sanierung von Software Software Wartung Unterstützung laufender Java Projekte Perfect Match Rent-a-team Coaching on the project Inhouse Outsourcing Schulungen, Coaching, Weiterbildungsberatung, Train & Solve-Programme Methoden, Standards und Tools für die Entwicklung von offenen, unternehmensweiten Systemen 3

4 Abstract Funktionale Programmierung soll so viel ausdrucksstärker sein, aber leider ist dieses Programmier-Paradigma nicht ganz kompatibel zu der prozedural- und objektorientierten Denkweise von uns Java-Entwicklern. Anhand eines kleinen Algorithmus werden wir uns verschiedene Lösungen zunächst im klassischem imperativen Java (vor Java 8) und als Vergleich dazu in alternativen JVM-Sprachen (Groovy, Frege, ggf. Scala bzw. JavaScript) anschauen und die verschiedenen Lösungen diskutieren. Herauskommen soll eine saubere und verständlichere Struktur, die zu besser les- und wartbarem Code führen wird. Die gewonnenen Erkenntnisse wollen wir dann letztendlich in Java 8 mittels Streams und Lambda-Ausdrücken umsetzen, so dass jeder Zuhörer die Grundideen der funktionalen Programmierung mit in seine tägliche Arbeit nehmen kann. Es sind keine speziellen Vorkenntnisse in den angesprochenen alternativen Sprachen notwendig, ein solides Verständnis für die Programmiersprache Java genügt. 4

5 Agenda <x> <y/> </x> Einführung Imperativ Deklarativ Functional Java 5

6 Experiment 6

7 Java Groovy Scala Clojure Haskell Frege Imperativ Funktional 7

8 Imperative Programmierung Imperative Programmierung (lat. imperare anordnen, befehlen ) ist ein Programmierparadigma, nach dem ein Programm aus einer Folge von Anweisungen besteht, die vorgeben, in welcher Reihenfolge was vom Computer getan werden soll. 8

9 Funktional Imperativ Deklarativ 9

10 Funktionale Programmierung Funktionale Programmierung ist ein Programmierparadigma, bei dem Programme ausschließlich aus Funktionen bestehen. Dadurch wird bewusst auf die aus der imperativen Programmierung bekannten Nebenwirkungen verzichtet. 10

11 Problemstellung 11

12 ? 12

13 Prüfsummen-Berechnung Luhn-Algorithmus; Luhn-Formel; "Modulo 10"-Algorithmus; Double-Add-Double-Methode 13

14 Validierung von Kreditkarten Luhn Algorithmus Kreditkartennummern können sich selbst prüfen rein clientseitige Prüfung möglich Berechnung einer Prüfsumme aus den einzelnen Ziffern wenn Prüfsumme modulo 10 = 0 => valide <> 0 => nicht valide 14

15 Wie funktioniert die Validierung genau 1. (Umwandlung in Ziffern) 2. Reihenfolge vertauschen 3. jede zweite Zahl verdoppeln 4. einzelne Zahlen zusammenaddieren bei Zahlen größer 9 werden die einzelnen Ziffern aufaddiert 5. valide, wenn die Summe modulo 10 == 0 15

16 Beispiel " " % 10 == 0 gültig 16

17 17

18 18

19 Java klassisch Variante 1 19

20 Java klassisch Variante 2 20

21 Java klassisch mit sprechenden Methodennamen 21

22 Demo Kreditkarten-Nummer prüfen mit Java: public static void main(string[] args) { } System.out.println(isValid(" ")); 22

23 Programm: Folge von elementaren Schritten Typischer Schritt ist die Wertzuweisung Speicherung von Daten erfolgt in Variablen Kontrollstrukturen: Sequenzen ( ; ;) Alternativen (if, switch) Schleifen (for, while, do while) Sprünge und Unterprogrammaufrufe (goto) 23

24 Imperativ vs. Deklarativ Imperativ: Wie erreiche ich mein Ziel? Deklarativ: Was will ich erreichen? 24

25 Imperativ Funktional 25

26 Java klassisch Spaghetti-Code Aufspalten in Ziffern Reihenfolge drehen Jede 2. Ziffer verdoppeln Aufsummieren Validierungsprüfung 26

27 Und in anderen Sprachen? 27

28 Groovy objektorientiert dynamisch und/statisch typisiert ausdrucksstarke/prägnante Syntax sehr gute Integration mit Java (JVM, Bibliotheken, Vererbung, ) Metaprogrammierung, Closures, Operatorüberladung 28

29 Demo Kreditkarten-Nummer prüfen mit Groovy groovy> isvalid true 29

30 JavaScript objektorientierte Skriptsprache aber klassenlos (Prototyp-basiert) dynamisch typisiert Funktionen sind First-Class-Citizens Client (Browser) und Server (Node.js, Nashorn auf JVM) 30

31 Demo Kreditkarten-Nummer prüfen mit JavaScript > isvalid( ) true 31

32 Scala funktional und objektorientiert statisch typisiert (Typinferenz) Funktionen als First-Class-Citizens Pattern Matching Java-Integration 32

33 Demo Kreditkarten-Nummer prüfen mit Scala scala> isvalid( ) true 33

34 Frege Haskell for the JVM rein funktionale Programmiersprache statisch typisiert mit Typinferenz und Typvariablen frei von Nebeneffekten Monaden zur Kapselung von imperativen Konstrukten Pattern Matching Typklassen 34

35 Demo Kreditkarten-Nummer prüfen mit Frege (Haskell) frege> isvalid True 35

36 Algorithmus in Frege Validierungsfunktion Kreditkartennummer isvalid n = (sumdigits (double2nd (todigitsrev n))) % 10 == 0 Summe der Ziffern Verdoppeln jede 2. Ziffer Ziffern rückwärts Teilbar durch 10? 36

37 Haskell/Frege todigits n = todigits (n `div` 10) ++ [(n `mod` 10)] todigitsrev n = reverse (todigits n) double2nd = zipwith (*) (cycle [1, 2]) sumdigits xs = sum (concat (map todigits xs)) isvalid n = mod (sumdigits (double2nd (todigitsrev n))) 10 == 0 isvalid n = (sumdigits (double2nd (todigitsrev n))) % 10 == 0 37

38 Keine veränderbaren Zustände Seiteneffekt-frei Referentielle Transparenz First-Class-Citizens Higher-Order Functions Lambdas/Closures Lazy Evaluation Rekursion 38

39 Funktionen 39

40 Warum Funktionale Programmierung einfach zu testen, zu debuggen einfach zu verstehen durch einfache Abstraktionen und referentielle Transparenz seiteneffektfrei, lässt sich leicht parallelisieren modularisierbar und einfach wieder zusammenführbar erhöht Code-Qualität 40

41 OO vs. Funktional 41

42 Ist Java 8 funktional? 42

43 "Funktional Programmieren" mit Java 8 Lambdas: Funktionsliterale als First-Class-Citizens Higher-Order Functions Currying und Funktionskomposition Streams Erweiterungen Collections mit Default-Methoden (Rekursion) 43

44 Java 8: Currying und partielle Funktionsaufrufe Currying: Konvertierung einer Funktion mit n Argumenten in n Funktionen mit jeweils einem Argument. 44

45 Java 8: Funktionskomposition 45

46 Luhn-Algorithmus in Java 8 Variante 1 46

47 Was fehlt Java 8 zur besseren funktionalen Unterstützung? Erzwingen von Immutability persistente Datenstrukturen Vermeidung von Seiteneffekten referentielle Transparenz Lazy Evaluation funktionale Bibliotheksfunktionen 47

48 Immutable Klassen genau ein Zustand keine Prüfung von Invarianten und von Zustandsübergänge (API-Doc) abgeleitete Größen können in Cache gehalten werden Thread-safe keine Zustandsänderung keine Synchronisation gemeinsame Nutzung von Instanzen public Konstanten Instanzkontrolle durch statische Factories keine defensive Copies gemeinsame Nutzung innerer Zustände BigInteger#negate() String#subString() 48

49 Funktionale Erweiterungen für Java Project Lombok 49

50 Project Lombok Compile-Time Metaprogrammierung Reducing Boilerplate Code durch Annotationen Generation des Immutable-Gerüsts Lazy Evaluierung = true) 50

51 private, final, keine Setter, Argument-Konstruktor equals/hashcode Lazy-Evaluierung 51

52 FunctionalJava funktionale Programmierbibliothek für Java Lernplattform für funktionale Programmierung mit der gewohnten Sprache unterstützt Java 6+ (mit Retro Lambda) Basis Datenstrukturen (Funktionen, partielle Funktionen, Unit, Void, Option, Either, Immutable Collections (Array, List, Stream, Set, Map, Monaden, Zipper 52

53 53

54 Demo Kreditkarten-Nummer prüfen mit Java 8 + FunctionalJava: public static void main(string[] args) { } System.out.println(isValid(" ")); 54

55 Javaslang "Javaslang is a functional library for Java 8+ that provides persistent data types and functional control structures." Persistent Data Structures LinkedList, Queue, Sorted Set, Stream Tuple Functions, CheckedFunctions 55

56 Javaslang: Tuple (bis Tuple8) 56

57 Javaslang: Partielle Funktionsaufrufe und Komposition 57

58 Javaslang: Currying 58

59 Javaslang: Function Lift (Fangen von Exceptions) 59

60 Links Learn You a Haskell for Great Good! LYAH (Learn You a Haskell) adaptions for Frege Project Lombok Functional Java Javaslang 60

61 Literaturhinweise Functional Programming in Java: Harnessing the Power Of Java 8 Lambda Expressions Venkat Subramaniam The Pragmatic Programmers, Erscheinungsdatum: Februar 2014 ISBN: Sprache: Englisch Mastering Lambdas Maurice Naftalin Oracle Press Erscheinungsdatum: Oktober 2014 ISBN: Sprache: Englisch 61

62 Literaturhinweise Learn You a Haskell for Great Good!: A Beginner's Guide Miran Lipovaca No Starch Press, Erscheinungsdatum: April 2011 ISBN: Sprache: Englisch Real World Haskell Bryan O'Sullivan und John Goerzen O'Reilly, Erscheinungsdatum: 2010 ISBN: Sprache: Englisch 62

63 ??? Fragen?? Orientation in Objects GmbH? Weinheimer Str Mannheim 63

64 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Orientation in Objects GmbH Weinheimer Str Mannheim