Prof. Dr Manfred Schmidt

Grundlagen der Programmierung 2
Geplanter Inhalt der ersten Hälfte:
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
•
Einführung
Prof. Dr Manfred Schmidt-Schauß
•
Sommersemester 2014
1
Programmieren
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Compilerbau;
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◦
◦
in Haskell
Definitionen; Rekursion
Auswertung in Haskell
Programmieren mit Listen
Datenstrukturen: Bäume
Polymorphe Typen und Typklassen
Lexer
Parser
Kombinator-Parser
Kode-Erzeugung; abstrakte Maschinen
Shift-Reduce Parser und Compiler-Generatoren
Compiler-Generatoren
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
Bücher, Literatur, URLs
– 2/26 –
Haskell
Haskell und funktionale Programmierung:
• http://www-stud.informatik.uni-frankfurt.de/~prg2
insbesondere das Skript zur Vorlesung
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www.haskell.org
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http://haskell.org/onlinereport/
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Haskell-Web-Seite
rekursive Programmierung
mit einer stark typisierten
funktionalen Programmiersprache
mit parametrischem Polymorphismus
Haskell-Doku
Manuel Chakravarty und Gabriele Keller, Einführung in die
Programmierung mit Haskell
Richard Bird, Introduction to Functional Programming Using Haskell
Simon Thompson, Haskell: The Craft of Functional Programming
Graham Hutton, Programming in Haskell (2007)
Haskell
Compiler:
• J. D. Ullman, M. S. Lam, R. Sethi , A. V. Aho
Compilers: Principles, Techniques, and Tools , 2nd Edition, Pearson 2006
DE: Compiler: Prinzipien, Techniken und Werkzeuge, Pearson Studium, 2008
• Niklaus Wirth, Grundlagen und Techniken des Compilerbaus, Oldenbourg 1997
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 3/26 –
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 4/26 –
Haskell
Haskell
Haskell ist eine moderne Programmiersprache;
sehr weitgehende Konzepte werden erprobt und kombiniert:
• strenge und statische Typisierung
•
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
Nicht-strikte Auswertung
⇒
⇒
•
Wichtige Eigenschaften funktionaler Programmiersprachen
viele korrekte Programmtransformationen
korrekte automatische Parallelisierung
Prozess-Programmierung und Konkurrente Auswertung
⇒
deklarative Programmierung
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 5/26 –
PR zu Funktionalen Programmiersprachen
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 6/26 –
Programmierung in Haskell
Grundprinzipien: des funktionalen Programmierens
OCaml: Variante von ML, eine Programmiersprache analog zu Haskell.
Aus dem Artikel von Yaron Minsky und Stephen Weeks: (JFP 2008)
Immutability wird gelobt:
•
Definition von Funktionen
quadrat x = x*x
•
Aufbau von Ausdrücken:
Anwendung der Funktion auf Argumente,
die wieder Ausdrücke sein können.
3*(quadrat 5)
entspricht Verzicht auf Zuweisungen
Pattern Matching wird gelobt: entspricht Datentypen mit
Konstruktoren und case-Expressions
Tail-Rekursions-Optimierung wird vermisst.
•
Das gibt es in Haskell
•
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 7/26 –
programminterne Kommunikation:
Nur der Wert von Ausdrücken wird bei der
Auswertung zurückgegeben.
75
Funktionen können Datenobjekte sein
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 8/26 –
Standards zu Folien und Skript
Interpreter / Compiler für Haskell
Darstellung von Quell-Code (Source-code) auf den Folien und
Skript:
Wir verwenden den Interpreter GHCi
www.haskell.org
quadrat x = x*x
Einfacher Download und Installation
Darstellung von Benutzereingabe und Interpreterausgabe auf Folien
und im Skript:
*Main> 2+2 ←4
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Umgang mit dem Interpreter
Online-Report
Aufruf:
Siehe Hilfestellungen auf der Professur-Webseite.
Simon Peyton Jones und Simon Marlow ( Microsoft Research)
die wichtigsten Forscher und Weiterentwickler des
GHC: (Glasgow Haskell Compiler).
(Simon Marlow: bis März 2013: )
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Einfache Daten und Operatoren
http://www.haskell.org/onlinereport
ghci (im richtigen Fenster)
prompt > ghci ←< Einige Zeilen Infos
Prelude> :h ←< Hilfe-Menu >
Prelude> :t True ←True :: Bool
Prelude> :set +s ←-
•
>
(druckt den Typ des Ausdrucks True)
(Option s für Statistik gesetzt)
ganze Zahlen
0,1,-3
Typ: Int
n mit |n| ≤ 231 − 1 = 2147483647
• beliebig lange ganze Zahlen 11122399387141 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 +Data.Char +Numeric ←Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 12/26 –
Einfache Daten und Operatoren
•
•
•
Beispiel
Arithmetische Operatoren:
(ein) Typ: Int → Int → Int
+, −, ∗, /,
Arithmetische Vergleiche:
(ein) Typ: Int → Int → Bool
==, <=, < . . .
Logische Operatoren:
(ein) Typ: Bool → Bool → Bool
&&, ||, not
quadratsumme x y = quadrat x + quadrat y
Auswertung:
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Typen in Haskell
TYP
Int
Integer
Float
Double
Integer -> Integer -> Integer
Integer -> Integer
Integer -> Integer -> Integer
Typ
... *Main> quadratsumme 3 4 ←25
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 14/26 –
Typen in Haskell
Beispiel
Die Ausgabe des Interpreters für die Addition (+) ist komplizierter:
Ausdruck
3
123
1.23e45
1.23e45
(+)
quadrat
quadratsumme
Konstanten
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
(Typ von Argument 1) -> (Typ von Argument 2) -> Ergebnistyp
Zum Beispiel gilt:
(+)::Integer -> Integer -> Integer
(+)::Double -> Double -> Double
Funktionen
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
Definition eines Polynoms, z.B.: x2 + y 2 :
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Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Aus der Haskell-Dokumentation (ohne Farben)
(vereinfachte) Haskell-Syntax
http://www.hck.sk/users/peter/HaskellEx.htm
http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.2
hFunktionsDefinitioni ::= hFunktionsnameihParameteri∗ = hAusdrucki
hAusdrucki
::= hBezeichneri | hZahli
| (hAusdrucki hAusdrucki)
| (hAusdrucki)
| (hAusdruckihBinInfixOpi hAusdrucki)
hBezeichneri
::= hFunktionsnamei | hDatenkonstruktornamei
| hParameteri | hBinInfixOpi
hBinInfixOpi
::= ∗ | + | − | /
Argumente einer Funktion:
Anzahl der Argumente:
formale Parameter.
Stelligkeit der Funktion: (ar(f ))
Die Nichtterminale
hFunktionsnamei, hParameteri, hBezeichneri, hDatenkonstruktornamei
sind Namen (z.b. quadrat“)
”
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Beispiel zur Grammatik
exp10 -> \ apat1 ... apatn -> exp
| let decls in exp
| if exp then exp else exp
| case exp of { alts }
| do { stmts }
|
fexp
fexp -> [fexp] aexp
aexp -> qvar
| gcon
| literal
| ( exp )
| ( exp1 , ... , expk )
| [ exp1 , ... , expk ]
| [ exp1 [, exp2] .. [exp3] ]
(lambda abstraction, n>=1)
(let expression)
(conditional)
(case expression)
(do expression)
function application)
(variable)
(general constructor)
(parenthesized expression)
(tuple, k>=2)
(list, k>=1)
(arithmetic sequence)
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Programm
quadratsumme x y = (quadrat x) + (quadrat y)
Zeichenfolge
im Programm
quadratsumme
x
y
=
(quadrat x) + (quadrat y)
+
quadrat x
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
Ein Haskell-Programm ist definiert als
Name in der Grammatik
(man sagt auch: Nichtterminal)
Eine Menge von Funktionsdefinitionen
hFunktionsnamei
hParameteri
hParameteri
=
gleiches Zeichen wie in Grammatik
hAusdrucki der Form
hAusdrucki + hAusdrucki
binärer Infix-Operator
Anwendung: quadrat ist ein Ausdruck
und x ist ein Ausdruck
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Eine davon ist die Definition der Konstanten main.
Ohne main: dann ist es ein Modul
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Haskell: Verschiedenes . . .
Fallunterscheidung: IF-THEN-ELSE
Prelude: vordefinierte Funktionen, Typen und Datenkonstruktoren
Präfix, Infix, Prioritäten: ist möglich für Operatoren
Konventionen zur Klammerung:
s1 s2 . . . sn ≡ ((. . . (s1 s2 ) s3 . . .) sn )
Funktionsdefinitionen:
• formale Parameter müssen verschiedenen sein;
• keine undefinierten Variablen im Rumpf!
Typisierung: if Bool . . . then typ else typ
(if 1 then 1 else 2)
Weitere Trennzeichen: “{“,“}“ Semikolon “; “
Layout-sensibel: bewirkt Klammerung mit {, }.
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
Syntax: if hAusdrucki then hAusdrucki else hAusdrucki
if“, then“, else“ sind reservierte Schlüsselworte
”
”
”
Der erste Ausdruck ist eine Bedingung (Typ Bool)
ergibt einen (Typ-)Fehler
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Bedingungen, Arithmetische Vergleiche
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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Kalender und Schaltjahre
Die Infixoperatoren
==, <, >, <=, >=, / =
haben den Haskell-Typ: Integer -> Integer -> Bool
Aufgabe:
Berechne ob n ein Schaltjahr ist:
Bedingungen:
Wenn n durch 4 teilbar, dann ist es ein Schaltjahr,
aber wenn es auch durch 100 teilbar ist, dann nicht
aber wenn es auch durch 400 teilbar ist, dann ist
es doch ein Schaltjahr.
Erweiterung:
Gilt erst nach dem jahr 1582
Achtung: = ist reserviert für Funktionsdefinitionen und let
Boolesche Ausdrücke
sind kombinierbar mit
not, ||, &&
(nicht, oder, und)
Konstanten sind True, False.
Beispiel: 3.0 <= x && x < 5.0
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 23/26 –
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
– 24/26 –
Darstellungen eines Programms
Darstellungen eines Programms
Syntaxbaum:
sichtbare Syntax: vom Programmierer benutzt
Eindeutige Darstellung des Programms als markierter Baum.
Wird vom Compiler/Interpreter (Parser) intern erzeugt.
Ermöglicht die eindeutige Definition
der Ausführung des Programms.
Interne Syntax: “Linearisierung“; entzuckerte Version;
voll geklammert; alle Operatoren sind Präfix;
kein Layout
Ableitungsbaum (Herleitungsbaum): Interne Darstellung;
Vom Kompiler erzeugt
Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
Entspricht der hierarchischen Schachtelung des Programms.
Z.B. Klammerstruktur.
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Grundlagen der Programmierung 2 (Intro-A)
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