Inleiding tot Functioneel Programmeren

1. Inleiding tot Functioneel Programmeren Kris Luyten en Jo Vermeulen {kris.luyten,jo.vermeulen}@uhasselt.be Expertise Centrum voor Digitale Media - Universiteit Hasselt

2. Wat is functioneel programmeren? Alles via functies

3. Wat is functioneel programmeren? Alles via expressies die geëvalueerd worden

4. Wat is functioneel programmeren? volgende 5 = 6

5. Wat is functioneel programmeren? volgende x = x+1

6. Wat is functioneel programmeren? volgende :: Integer -> Integer volgende x = x+1

7. Wat is functioneel programmeren? volgende :: Integer -> Integer volgende x = x+1

8. Wat is functioneel programmeren? fac 5 = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 fac 4 = 4 * 3 * 2 * 1

9. Wat is functioneel programmeren? fac 5 = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 fac 4 = 4 * 3 * 2 * 1

10. Wat is functioneel programmeren? fac 5 = 5 * (fac 4) fac 4 = 4 * 3 * 2 * 1

11. Wat is functioneel programmeren? fac 5 = 5 * (fac 4) fac 4 = 4 * 3 * 2 * 1 fac n = n * (n-1) * (n-2) * … * 2 * 1 fac n = n * fac (n-1)

12. Wat is functioneel programmeren? fac 5 = 5 * (fac 4) fac 4 = 4 * 3 * 2 * 1 fac n = n * (n-1) * (n-2) * … * 2 * 1 fac :: Int -> Int fac n = n * fac (n-1)

13. Waarom functioneel programmeren?

14. Waarom functioneel programmeren?

15. Waarom functioneel programmeren? Programmeren met functies Geen “side effects” Geen expliciete toekenning van waardes aan variabelen x := 4;  x:= x + 9; Gebaseerd op een goed gedefinieerde wiskundige basis (bijv. de lambda calculus) Idempotente uitvoering van functies Opnieuw uitvoeren geeft hetzelfde effect

16. Waarom functioneel programmeren? Programmeren met functies Geen “side effects” Geen expliciete toekenning van waardes aan variabelen x := 4;  x:= x + 9; Gebaseerd op een goed gedefinieerde wiskundige basis (bijv. de lambda calculus) Idempotente uitvoering van functies Opnieuw uitvoeren geeft hetzelfde effect Geen loops maar recursie! Lijkt beetje op celibaat, onthouding van veel features om “cleaner” te zijn. Wat zijn nu de voordelen?Geen loops maar recursie! Lijkt beetje op celibaat, onthouding van veel features om “cleaner” te zijn. Wat zijn nu de voordelen?

17. Waarom functioneel programmeren? Eenvoudig programmeerparadigma Ingebouwde abstractie inclusief data abstractie (ADT) Krachtige ondersteuning voor genericiteit, polymorfisme en overloading

18. Waarom functioneel programmeren? Correctheid Paralleliseerbaarheid Expressiviteit Modulariteit

19. Waarom functioneel programmeren? Paralleliseerbaarheid 4 cores i.p.v. => ~4x sneller4 cores i.p.v. => ~4x sneller

20. Waarom functioneel programmeren? Betere modulariteit

21. Waarom functioneel programmeren? Betere modulariteit Niets meer dan “glue” om componenten aan elkaar te koppelen en code te hergebruiken.Niets meer dan “glue” om componenten aan elkaar te koppelen en code te hergebruiken.

22. Waarom functioneel programmeren? Toenemend belang in verschillende domeinen Software engineering Human-computer interaction Web applicaties Imperatieve en object-georienteerde programmeertalen (Python, Ruby, C#, Java, JavaScript, …)

23. Welke talen zijn er? Ik wil functioneel programmeren, met welke taal begin ik? Lisp, Scheme, Guile ML, Haskell, Ocaml, Mozart/Oz, Mercury,… Ruby, Python,… C, Java,… XSLT Talen verschillen in “zuiverheid”. Bijv. Scheme is niet side-effect free

24. Welke taal gebruiken wij? Haskell http://www.haskell.org Een luie en zuiver functionele programmeertaal

25. Lui? List makeList() { List current = new List(); current.value = 1; current.next = makeList(); return current; } makeList().getItem(10);

26. Lui? makeList = 1 : makeList print makeList[10]

27. Zuiver? Geen side effects Een functie die opgeroepen wordt met dezelfde parameters als voorheen zal gegarandeerd hetzelfde resultaat teruggeven Houdt zich strikt aan de lambda calculus

28. Nog wat specifieke Haskell eigenschappen Case-sensitive Functienamen starten altijd met kleine letter Typenamen starten altijd met een grote letter Indentatie

29. Software? GHC (compiler en interpreter) Hugs (interpreter) Helium (beperkte interpreter en compiler om Haskell aan te leren)

30. GHC Compiler: Schrijf Haskell programma en bewaar in een .hs bestand Compileer met: “ghc –o naam naam.hs” Voer ./naam uit Interpreter Start ghci naam.hs Of :load naam.hs als ghci opgestart is Verlaat de shell met :quit

31. Hallo Wereld

32. fac

33. fac

34. fac

35. fac

36. Basis bewerkingen

37. Paren en Triples

38. Lijsten Cons == constructing [0,1,3,5] = syntactic sugarCons == constructing [0,1,3,5] = syntactic sugar

39. Lijsten

40. Strings “hallo” is syntactic sugar“hallo” is syntactic sugar

41. Concatenatie ++ concateneert twee lijsten (x:xs) ++ (y:ys) [] ++ [] x ++ y (x:xs) ++ y (x:xs) ++ (y:[]) : voegt een element toe vooraan een lijst x: [a,b,c] x:(y:xs) (y:xs):x Probeer de voorbeeldjes uit met ghci. Wat werkt er en wat niet?

42. length Bij name clashes, verander naam (myLength). Leg uit hoe signatures werken.Bij name clashes, verander naam (myLength). Leg uit hoe signatures werken.

43. zip

44. Signatures lezen Laatste is altijd output.Laatste is altijd output.

45. zip Hoe moet je nu die signature lezenHoe moet je nu die signature lezen

46. zip

47. foldr Pas operatie toe op de elementen van een lijst Operaties zijn eerste klasse waardes in een functionele programmeertaal! foldr vervangt “:” door een operatie en [] door een initieel element foldr is rechts-associatief Ook wel reduce (Python), inject (Ruby/Smalltalk), accumulate (C++) genoemd. Voorbeeld van eerste klasse operaties is bv. lijst filteren met boolean functie. Anders moet telkens met for loop.Ook wel reduce (Python), inject (Ruby/Smalltalk), accumulate (C++) genoemd. Voorbeeld van eerste klasse operaties is bv. lijst filteren met boolean functie. Anders moet telkens met for loop.

48. foldr

49. foldr

50. foldl

51. foldl

52. map

53. map

54. map

55. map

56. map

57. map

58. Quicksort in twee regels…

59. Quicksort

60. Quicksort in twee regels…

61. Quicksort in twee regels…

62. Quicksort in twee regels… Y element van xsY element van xs

63. List comprehension Backticks betekenen infix notatieBackticks betekenen infix notatie

64. List comprehension

65. List comprehension

66. List comprehension

67. Guards: switch met pattern matching Condities in de functie Gelijkaardig met een switch statement in C Evaluatie gebeurt na pattern matching!

68. Guards: switch met pattern matching

69. Guards: switch met pattern matching

70. Guards: switch met pattern matching

71. …iets moeilijker: priemfactorisatie

72. maar nog steeds makkelijker dan in  een imperatieve taal!

73. Prelude.hs De standaard Haskell library met een schat aan voorgedefinieerde functies http://haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/base/Prelude.html Ook handig om zelf Haskell mee te leren

74. Types Karakters en Strings Numerieke types: Integer, Float,… Boolean: True en False Logische en: &&, logische of: || en negatie: not Polymorfe types “a” Worden afgeleid door Haskell zelf Types makkelijk uitbreidbaar dankzij type classes (behandelen we niet)

75. Types

76. Currying

77. Currying Som :: (Int,Int)->Int kan Som :: Int->Int->Int worden “Som 5 6” is een functie, maar “Som 5” kan evengoed gebruikt worden als argument voor een andere functie (bijv. de map functie) Functies worden beter herbruikbaar “Partiele” functies als argument Functies samenstellen (f en g wordt f.g)

78. Evaluatie Strategie Op welke manier wordt een expressie geevalueerd? De manier waarop argumenten van een functie worden geevalueerd bij een functie-oproep. Strikte versus niet-strikte evaluatie Strikt: parameters functie wordt gevalueerd voor uitvoering functie Niet-strikt: parameters functie worden niet geevalueerd tenzij deze gebruikt worden. Evaluatie van de parameters gebeurt dan niet noodzakelijk voor de uitvoering van de functie

79. Call-by-Value: parameter expressies worden geevalueerd en toegekend aan een variabele naam (copy!) voor uitvoering functie. Strikte evaluatie

80. Call-by-Reference: : parameter expressies worden geevalueerd en een variabele naam verwijst naar de waarde (referentie naar geheugen!) voor uitvoering functie. Strikte evaluatie

81. Niet-strikte evaluatie Call-by-Name: iedere verwijzing naar de expressie wordt vervangen door de expressie zelf. De expressie wordt opnieuw geevalueerd bij elke gebruik ervan.

82. Niet-strikte evaluatie Call-by-Name: iedere verwijzing naar de expressie wordt vervangen door de expressie zelf. De expressie wordt opnieuw geevalueerd bij elke gebruik ervan.

83. Niet-strikte evaluatie Call-by-Need: werkt zoals call-by-name maar na de eerste evaluatie wordt die waarde verder gebruik. In pure functionele programmeertalen is het effect hetzelfde als call-by-name en wordt vaak “Lazy Evaluation” genoemd.

84. Functies samenvoegen Verschillende functies samen voegen met “.” Uitvoer van functie wordt invoer van andere functie “ f . g “ betekent dat de functie f na g wordt uitgevoerd met als input van f de output van g

85. Functies samenvoegen Leg uit wat het volgende stukje code doet:

86. Oefeningen set 1 (makkelijk) Schrijf de volgende functies Omdraaien van een lijst (in: [1,2,5], uit: [5,2,1]) Roteren van een lijst (in: [1,2,3,4], uit: [4,1,2,3]) Combineer (herbruik) beide functies in een nieuwe functie roteerdraaiom (in: [1,2,3,4], uit: [1,4,3,2]) Schrijf de volgende functies die een functie toepassen Gebruik de map functie om de functies “omdraaien” en “roteren” toe te passen op een lijst van lijsten Schrijf een functie max:: Int->Int->Int die het maximum van twee integers teruggeeft en pas die met foldl (of foldr) toe op een constante en een lijst van integers

87. Oefeningen set 2 (makkelijk) Schrijf een functie optellen :: Int -> Int die de eenheden van een getal bij elkaar optelt. optellen 1500 = 6 optellen 123456 = 21 Schrijf een functie die graden celcius naar graden farenheit omzet. Schrijf tevens de functie die graden farenheit naar celcius omzet. Schrijf een functie die gegeven een lijst de duplicaten uit die lijst verwijdert

88. Oefeningen set 3 (medium) Schrijf een functie die de lijst van fibonacci nummers genereert (gebruik de luie eigenschap van Haskell). Schrijf een andere functie die de eerste n elementen uitschrijft van de lijst. Laat de gebruiker n zelf ingeven. Schrijf een functie bevat :: [Int]->[Int]->Bool die gegeven twee lijsten teruggeeft of de sequentie van elementen van de eerste lijst ook voorkomt in de tweede lijst. Bijv. bevat [1,2] [6,10,1,2.8] = True en bevat [1,8] [8,8,7] = False

89. Oefeningen set 4 (medium-moeilijk) Jolly Jumpers: een lijst getallen van lengte n noemt men jolly jumpers als het verschil tussen opeenvolgende getallen alle waardes tussen 0 en n aanneemt. Zo is de lijst 1,4,2,3 een jolly jumper omdat de verschillen tussen de opeenvolgende getallen 3,2 en 1 zijn. Schrijf een functie jjumpers :: [Int] -> Bool die True teruggeeft als de lijst een jolly jumper is.

90. Oefeningen set 4 (medium-moeilijk) Schrijf een programma dat een nummer N in leest en een lijst teruggeeft van alle Smith nummers tussen 0 en N. Hergebruik primefactors hiervoor. Een Smith getal is een getal waarvan de som van de eenheden van de priemfactorisatie gelijk is aan de som van de eenheden van het getal. Bijvoorbeeld: 378 = 2 × 3 × 3 × 3 × 7 en 3 + 7 + 8 = 2 + 3 + 3 + 3 + 7 Zorg ervoor dat er geen priemgetallen in de lijst voorkomen Geef een lijst van alle “Smith broers”: twee opeenvolgende getallen die beide Smith getallen zijn zoals […,(94094, 94095), (94184, 94185), (94584, 94585),…] Geef enkel Smith nummers die een palindroom zijn, zoals 454

91. Oefeningen Meer oefeningen maken? http://www.haskell.org/haskellwiki/99_Haskell_exercises http://www.haskell.org/haskellwiki/Blog_articles/Exercises

92. Referenties Haskell: The Craft of Functional Programming (second edition), Simon Thompson Haskell Wikibook; http://en.wikibooks.org/wiki/Haskell A gentle introduction to Haskell, Paul Hudak, John Peterson, Joseph Fasel; http://www.haskell.org/tutorial/ Yet Another Haskell Tutorial: http://en.wikibooks.org/wiki/Haskell/YAHT http://www.haskell.org Voor de beslagen programmeur: The Haskell School of Expression: Learning Functional Programming through Multimedia, Paul Hudak, http://www.haskell.org/soe/ Leuk om te weten: Wearing the hair shirt: a retrospective on Haskell, Simon Peyton Jones. http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/haskell-retrospective/

93. Ook interessant (1)

94. Ook interessant (2)

95. Ook interessant (3)