Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)prg2/SS2006/...Interpreter / Compiler Grundlagen der...

Grundlagen der Programmierung 2(1.A)

Prof. Dr. Manfred Schmidt-Schauÿ

Künstliche Intelligenz und Softwaretechnologie

20. April 2006

Grundlagen der Programmierung 2:Geplanter Inhalt der ersten Halfte

Grundlagen der Programmierung 2 (1.A) - 2 -

• Programmiersprachen: Paradigmen• rekursives Programmieren in Haskell• Strome als unendliche Listen in Haskell• Operationale Semantik: Haskell• Sortieren, Suchen und Baume• Polymorphe Typen und Typklassen• Parallele Berechnungen

Bucher, Literatur, URLs


• http://www.cs.uni-frankfurt.de/˜prg2• www.haskell.org Haskell-Website• Manuel Chakravarty und Gabriele Keller Einfuhrung in die Pro-

grammierung mit Haskell• Richard Bird: Introduction to Functional Programming Using

Haskell

Interpreter / Compiler


Interpreter fuhrt ein Programm aus,(bzw. wertet ein Programm aus),Grundlage: Text des ProgrammsJeder Programmbefehl wird einzeln eingelesenund dann ausgefuhrt.

Compiler (Ubersetzer) erzeugt aus Programm einen ausfuhrbaren Modul.Programmumstellungen, OptimierungenEffekt des Programms muss gleich bleiben.

Ablaufumgebung Hier erfolgt die Ausfuhrung des Programms

Laufzeit / Compilezeit


Compilezeit: Zeitraum der Analyse bzw. Ubersetzung des Programmsstatische Typuberprufung, Optimierung.

Laufzeit: Zeitraum der Ausfuhrung des ProgrammsZ.B. dynamische Typuberprufung, Ein-Ausgabe.

Programmiersprachen: wesentliche Merkmale


Syntax

Beschreibung der Programme als Texte

Semantik

Beschreibung der Aktionen / Bedeutung eines Programms

Programmiersprachen: wesentliche Merkmale


imperativ

Programm ist Folge von Befehlen

sukzessive Anderung des Speicherinhalts

Ergebnis: letzter Zustand

Ein imperatives Programm sagt prazise:was (welche Anweisung),wann (Reihenfolge der Anweisungen)womit (Speicherplatz/Variable) zu geschehen hat.

prozedural: Strukturierung in (imperativen) Programmiersprachen

Prozedur = Unterprogramm

Aufruf mit Argumenten im Programm

Ziel: Ubersichtlichkeit; Wiederverwendbarkeit

Programmiersprachen: Merkmale (2)


funktional: Programm ist strukturiert in FunktionsdefinitionenAusdrucke = Anwendung von Funktionen auf ArgumenteBerechnung = Auswertung von AusdruckenErgebnis = Nur der Return-Wert

Varianten von funktionalen Programmiersprachen:

nicht-strikt: Argumente werden so spat wie moglich ausgewertet

strikt: Argumente werden vor Funktionsaufruf ausgewertet

pur: Objekte haben nur einen Wert, keine Mutation moglich

nicht-pur: Objekte veranderbar, Seiteneffekte moglich

deklarativ:

Idealfall: Spezifikation = deklaratives Programm

Betonung auf Logik, weniger algorithmisch

Beispiele: logische Programmierung, Prolog



objektorientiert:

Verwendung in imperativen Programmiersprachen

Strukturierung des Programm in Klassen.

Ziel: Ubersichtlichkeit, Wiederverwendung

Ausfuhrung eines Programms:

Erzeugung von Objekten

Austausch von Nachrichten zwischen Objekten



typisiert

Alle Programmiersprachen haben eine Typisierung• statische Typisierung: Programmtext• dynamische Typisierung: Ausfuhrungszeit des Programms

• schwache Typisierung:Typfehler zur Laufzeit sind moglich

• starke Typisierung:Typfehler zur Laufzeit sind nicht moglich

Beispiele fur Programmiersprachen


Haskell: Eine funktionale Programmiersprache

funktional, nicht-strikt, hat ein polymorphes und starkes Typsystem,

flexible Datenstrukturen,

gute Abstraktionseigenschaften,

Ziele: pures Programmieren,Auswerten von Ausdruckenrekursives Programmieren,Typsystem

Python: Eine prozedurale Programmiersprache

prozedural; schwaches, dynamisches Typsystem,

flexible Datenstrukturen, Objektorientierung.

Java


zentrale Idee der Objektorientierten Programmiersprachen (OOP) :

Objekt als Strukturierungskonzept.

Objekte zusammengesetzte (Daten-)Einheitbelegt Speicherplatzhaben eine Identitat.sind gekapselt. Veranderungen von Objekten werden

stets mittels der definierten Methoden durchgefuhrt.gehoren zu einer Klasse – (Instanz einer Klasse)

Kommunikation durch Senden/Empfangen von Nachrichten.

Fahrzeugbeispiel: (1)


class Fahrzeug {

public double Hoechstgeschwindigkeit;

private String Eigentuemer;

private static long Anzahl;

static {

Anzahl = 0;

}

public static long Anzahl() {

return Anzahl;

}

public Fahrzeug() { // Konstruktor:

Anzahl = Anzahl + 1;

}

Java: Fahrzeugbeispiel


public Fahrzeug(double Hoechstgeschwindigkeit,

String Eigentuemer) {

Anzahl = Anzahl +1;

this.Eigentuemer = Eigentuemer;

this.Hoechstgeschwindigkeit = Hoechstgeschwindigkeit;

}

public double Hoechstgeschwindigkeit () {

return Hoechstgeschwindigkeit ;

}

public void loesche_Fahrzeug() {

Anzahl = Anzahl - 1;

}

public String Eigentuemer () {

return Eigentuemer;

}

}



class Auto extends Fahrzeug {

public String Autokennzeichen;

public Auto(double Hoechstgeschwindigkeit,

String Eigentuemer, String kennzeichen) {

super(Hoechstgeschwindigkeit, Eigentuemer);

this.Hoechstgeschwindigkeit = Hoechstgeschwindigkeit;

this.Autokennzeichen = kennzeichen;

}

}

OO: Klassen


Klassen entsprechen Typschablonen• werden in der OO-Programmiersprache definiert.• enthalten die Definition der Struktur der zugehorigen

Objekte und der Methoden, die auf Objekte dieser Klasse anwendbarsind.

• entsprechen einer Menge von Objekten mit gleichem Verhalten.• i.a. eine Realisierung eines abstrakten Datentyps• entsprechen einem Typ zur Compilezeit• sind in einer (Baum-)Hierarchie angeordnet (Ober- ; Unterklasse)• Die Klassenhierarchie wird verwendet, um allgemeine Aspekte von

Objekten in einer Oberklasse zu definieren und zu implementieren,und dann in Unterklassen die spezielleren Eigenschaften zu imple-mentieren.

• Elementare Datentypen (Zahlen, . . . ) sind keine Objekte• konnen zu Objekten gemacht werden, falls notig• Vereinfachte Handhabung in Java 5

Vergleich mit Haskell


Java | HaskellKlasse entspricht Typ bzw. einer TypklasseMethode entspricht Funktion (bzw. Prozedur)Objekt entspricht konstruiertem Datenobjekt.Senden von Nachrichten entspricht Funktionsaufruf

Seiteneffekte | Nur Kopieren moglichAliasing | unproblematisch: keine Seiteneffekte

Objekte und Methoden: Genauer


Objekt besteht aus Daten; bzw. Attributendas Innere eines Objektes ist nicht direkt sichtbar.Attribute sind nur uber erlaubte Methodenaufrufe anderbardas Innere des Objektes (seine Attribute) sichtbar und

anderbar.gehoren zu einer Klasse: ( Instanz einer Klasse)

Objekt analog zu einem Record, bei dem die einzelnen Attribute

mit Attributnamen ansprechbar sind.

Satz (Verbund) in einer Datenbank, bestehend aus At-

tributen.

n-Tupel in Haskell mit Attributnamen

Methoden


Methoden: auf Objekten ausfuhrbare Operationen,

analog zu Prozeduren.

Methodenaufruf: Senden einer Nachricht

Methode kann per Dot-Notation an ein Objekt gekoppelt

sein

bzw. wird auf ein Objekt angewendet.

Nachrichten: Argumente der Prozedur.

Spezifische Aufgaben von Methoden:


Konstruktion: Erzeugen und Initialisieren eines Objekts

Destruktion: Abschlussarbeiten und Loschen eines Objekts

Selektion: Lesen von internen Daten des Objekts

Modifikation: Andern der internen Daten des Objekts

Andere Verarbeitung allgemeine Prozedur

Logische Programmierung


Grundlegende Idee: Verwendung der Pradikatenlogik

Genauer: HornlogikProgramm besteht nur aus Formeln∀x1, . . . xn.A1 ∧ . . . ∧An ⇒ B(Hornklauseln)Schreibweise: B : −A1, . . . An

Logische Programmierung: Programm-ausfuhrung


Ausfuhrung = Beantwortung von Anfragen an das Programm

Anfrage ist eine Formel: ∃y1, . . . ym.C1 ∧ . . . ∧ Cm

entspricht einer negativen Hornklausel

Antwort die moglichen Tupel y1, . . . ym

bzw Ja / Nein

Ausfuhrung: Schlussfolgern

Logische Programmierung: Beispiel


vater(peter,maria).

mutter(susanne,maria).

vater(peter,monika).

frau(maria).

frau(susanne).

frau(monika).

mann(peter).

eltern(X,Y) :- vater(X,Y).

eltern(X,Y) :- mutter(X,Y).

Anfrage: eltern(peter,maria)?

Antwort: Ja

Anfrage: eltern(peter,X)?

Antwort 1: X = mariaAntwort 2: X = monika

Haskell


rekursive Programmierung

mit der streng typisierten,

funktionalen Programmiersprache

Haskell

Haskell


Wichtige Eigenschaften funktionaler Programmiersprachen

Referentielle TransparenzGleiche Funktion, gleiche Argumente =⇒ gleicher (Ruckgabe-)WertKeine Seiteneffekte! D.h. keine Anderung von Objekten

Verzogerte AuswertungNur die fur das Resultat notwendigen Unterausdrucke werden(so spat wie moglich) ausgewertet.

Polymorphes TypsystemNur Ausdrucke mit Typ sind erlaubt — es gibt Typvariablen.Das Typsystem garantiert: keine dynamischen Typfehler.

Automatische SpeicherverwaltungAnforderung und Freigabe von Speicher

Funktionen sind Datenobjektemogliche Verwendung: in Datenobjekten, als Argument, als Resultat.

Programmierung in Haskell


Interpreter Hugs 98 und GHCi

Grundprinzipien:

• Definition von Funktionenquadrat x = x*x

• Aufbau von Ausdrucken:Anwendung der Funktion auf Argumente,die wieder Ausdrucke sein konnen.3*(quadrat 5)

• Nur der Wert von Ausdrucken wird bei derAuswertung zuruckgegeben.

75

Umgang mit dem Interpreter


Aufruf: ghci (im richtigen Fenster)Online-Report http://www.haskell.org/onlinereport

>:h Hilfe>:t Ausdruck druckt den Typ des Ausdrucks>:set +t ... Optionen andern

Module im Interpreter verwenden:

:m +Char +Numeric ...

Einfache Daten und Operatoren


• ganze Zahlen Typ Int

mit |n| ≤ 231 − 1 = 2147483647• beliebig lange ganze Zahlen (vom Typ Integer),• rationale Zahlen 3%7 (Rational)• Gleitkommazahlen 3.456e+10 (Float)• Zeichen ’a’ Char

• Datenkonstruktoren True, False; Typ Bool

• Arithmetische Operatoren: +,−, ∗, /,• Arithmetische Vergleiche: ==, <=, < . . .• Logische Operatoren: &&, ||, not

Beispiel


Definition eines Polynoms x2 + y2:

quadratsumme x y = quadrat x + quadrat y

Auswertung:

...

Main> quadratsumme 3 4

25

Typen in Haskell


Typ Konstanten, FunktionenInt 1,2,3,4,. . .Integer 1,2,3,4,. . .Float 1.23e45Double 1.23e45Integer -> Integer -> Integer (+)Integer -> Integer quadrat

Integer -> Integer -> Integer quadratsumme

Typen in Haskell


Beispiel

Die Ausgabe des Interpreters fur die Addition (+) ist komplizierter:

(+) :: forall a. (Num a) => a -> a -> a

D.h.: Fur 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

Beispiel zur Grammatik


quadratsumme x y = (quadrat x) + (quadrat y)

quadratsumme Funktionsnamex,y formale Parameter= gleiches Zeichen wie in Grammatik(quadrat x) + (quadrat y) 〈Ausdruck〉 der Form 〈Ausdruck〉+ 〈Ausdruck〉+ binarer Infix-Operatorquadrat x Anwendung: quadrat ist ein Ausdruck

und x ist ein Ausdruck

Haskell: Verschiedenes . . .


Prelude: vordefinierte Funktionen, Typen und Datenkonstruktoren

Prafix, Infix, Prioritaten ist moglich fur Operatoren

Konventionen zur Klammerung: s1 s2 . . . sn ≡ ((. . . (s1 s2) s3 . . .) sn)

Kontextbedingungen in Funktionsdefinitionen:

formale Parameter mussen verschiedenen sein;

Keine undefinierten Variablen im Rumpf!

Weitere Trennzeichen: “{“,“}“ Semikolon “; “

Layout-sensibel: bewirkt Klammerung mit {, }.

Fallunterscheidung


Syntax: if 〈Ausdruck〉 then 〈Ausdruck〉 else 〈Ausdruck〉

”if“,

”then“,

”else“ sind reservierte (Schlusselworte)

und durfen nicht als Funktionsnamen bzw. Parameternamen verwendet

werden.

Der erste Ausdruck ist eine Bedingung. Diese muss Typ Bool haben.

Typisierung: if Bool . . . then typ else typ

(if 1 then 1 else 2) ergibt einen Fehler

Bedingungen, Arithmetische Vergleiche


Die Infixoperatoren ==, <, >, <=, >=, /= haben den Typ:

Integer -> Integer -> Bool

Achtung: = ist reserviert fur Funktionsdefinitionen, und let

Boolesche Ausdrucke

sind kombinierbar mit not, ||, && (nicht, oder, und)

Konstanten sind True, False.

Eine kompliziertere Bedingung: 3.0 <= x && x < 5.0

Darstellungen eines Programms


Benutzer-Syntax: vom Programmierer benutzt

Interne Syntax: “Linearisierung“; entzuckerte Version;

voll geklammert; alle Operatoren sind Prafix; kein Layout

Ableitungsbaum (Herleitungsbaum): Vom Kompiler erzeugt

Syntaxbaum: Eindeutige Darstellung des Programms in einem mar-

kierten Baum.

Hierauf lasst sich eindeutig die Ausfuhrung des Programms definie-

ren.

Syntaxbaum: Beispiele


if x <= 0 then 1 else x*(quadrat (x-1))

ifThenElse

ttiiiiiiiiiiiiiiiiiiii

��,,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

<=

||yyyy

yyyy

y

""FFFF

FFFF

F 1 ∗wwoooooooooooooooo

��x 0 x app

wwppppppppppp

��

quadrat −

wwppppppppppppppp

��

x 1

Syntaxbaum: Beispiele


Zwei Syntaxbaume zu 1*2:

∗��

��

��

��>>>

>>>>

> app

yyttttttttt

""FFFF

FFFF

F

1 2 app

||yyyy

yyyy

y

%%JJJJJJJJJJJ 2

∗ 1

Aufrufhierarchie und Rekursive Definitionen


f, g, fi seien Haskell-definierte Funktionen.

f referenziert g direkt, wenn g im Rumpf von f vorkommt.f referenziert g (indirekt), wenn es Funktionen f1, . . . , fn gibt,

so dass gilt: f referenziert direkt f1,f1 referenziert direkt f2, . . . ,fn referenziert direkt g.

f ist direkt rekursiv, wenn f sich selbst direkt referenziert.f ist rekursiv, wenn f sich selbst (indirekt) referenziert.Verschrankte Rekursion: wenn f die Funktion g referenziert

und g die Funktion fauch fur allgemeinere Falle

Beispiel: Aufrufhierarchie


quadrat x = x*x

quadratsumme x y = (quadrat x) + (quadrat y)

quadratsumme ruft direkt die Funktion quadrat auf,

quadratsumme ruft direkt die (eingebaute) Funktion ∗ auf

Die Funktion quadratsumme ist somit nicht rekursiv

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