Grundlagen der Programmierung 2

Grundlagen der Programmierung 2
Prof. Dr. Manfred Schmidt-Schauß
Künstliche Intelligenz und Softwaretechnologie
17. April 2013
Grundlagen der Programmierung 2:
Geplanter Inhalt der ersten Hälfte
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rekursives Programmieren in Haskell
Auswertung in Haskell
Programmieren mit Listen
Datenstrukturen: Bäume
Polymorphe Typen und Typklassen
Compilerbau;
◦
Lexer
◦
Parser
◦
Kombinator-Parser
◦
Kode-Erzeugung; abstrakte Maschinen
◦
Shift-Reduce Parser und Compiler-Generatoren
◦
Compiler-Generatoren
(Semantik)
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 2 -
Bücher, Literatur, URLs
Haskell und funktionale Programmierung:
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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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Compiler:
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Haskell-Web-Seite
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)
Jeffrey D. Ullman, Monica S. Lam, Ravi Sethi , Alfred V. Aho Compilers:
Principles, Techniques, and Tools , 2nd Edition, Pearson 2006
deutsch: Compiler: Prinzipien, Techniken und Werkzeuge, Pearson Studium, 2008
Niklaus Wirth, Grundlagen und Techniken des Compilerbaus, Oldenbourg
1997
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 3 -
Haskell
rekursive Programmierung
mit einer stark typisierten
funktionalen Programmiersprache
mit parametrischem Polymorphismus
Haskell
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 4 -
Haskell
Haskell ist eine moderne Programmiersprache;
sehr weitgehende Konzepte werden erprobt und kombiniert
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•
strenge und statische Typisierung
Nicht-strikte Auswertung
⇒
⇒
•
viele korrekte Programmtransformationen
korrekte automatische Parallelisierung
Prozess-Programmierung und Konkurrente Auswertung
⇒
deklarative Programmierung
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 5 -
Haskell
Wichtige Eigenschaften funktionaler Programmiersprachen
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
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 6 -
PR zu Funktionalen Programmiersprachen
OCaml: Variante von ML, eine Programmiersprache analog zu Haskell.
Aus dem Artikel von Yaron Minsky und Stephen Weeks: (JFP 2008)
Immutability wird gelobt:
entspricht Verzicht auf Zuweisungen
Pattern Matching wird gelobt:
entspricht Datentypen mit Konstruktoren und case-Expressions
Tail-Rekursions-Optimierung) wird vermisst.
( kommt noch)
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
Das gibt es in Haskell
- 7 -
Programmierung in Haskell
Grundprinzipien: des funktionalen Programmierens
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Definition von Funktionen
Aufbau von Ausdrücken:
Anwendung der Funktion auf Argumente,
die wieder Ausdrücke sein können.
programminterne Kommunikation:
Nur der Wert von Ausdrücken wird bei der
Auswertung zurückgegeben.
Funktionen können Datenobjekte sein
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quadrat x = x*x
3*(quadrat 5)
75
- 8 -
Standards zu Folien und Skript
Darstellung von Quell-Code (Source-code) auf den Folien und Skript:
quadrat x = x*x
Darstellung von Interpreteraktionen auf Folien und Skript:
*Main> 2+2 ←4
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 9 -
Interpreter / Compiler für Haskell
Wir verwenden den Interpreter GHCi
www.haskell.org
Einfacher Download und Installation
Siehe Hilfestellungen auf der Professur-Webseite.
Simon Peyton Jones und Simon Marlow ( Microsoft Research)
die wichtigsten Forscher und Weiterentwickler des
GHC: (Glasgow Haskell Compiler).
(März 2013: Simon Marlow wechselt zu Facebook.)
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 10 -
Umgang mit dem Interpreter
Online-Report
Aufruf:
http://www.haskell.org/onlinereport
ghci (im richtigen Fenster)
prompt > ghci ←< Einige Zeilen Infos >
Prelude> :h ←< Hilfe-Menu >
Prelude> :t True ←True :: Bool
(druckt den Typ des Ausdrucks True)
(Option s für Statistik gesetzt)
Prelude> :set +s ←-
Module im Interpreter verwenden:
Prelude> :m +Char +Numeric ←Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 11 -
Einfache Daten und Operatoren
•
ganze Zahlen
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beliebig lange ganze Zahlen
rationale Zahlen
Gleitkommazahlen
Zeichen
Datenkonstruktoren
0,1,-3
Typ: Int
n mit |n| ≤ 231 − 1 = 2147483647
11122399387141 Typ: Integer,
3%7
Typ: Ratio
3.456e+10
Typ: Floating
’a’
Typ: Char
True, False
Typ: Bool
Diese nennen wir auch Basiswerte (bis auf Floating)
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- 12 -
Einfache Daten und Operatoren
•
Arithmetische Operatoren:
(ein) Typ: Int → Int → Int
+, −, ∗, /,
•
Arithmetische Vergleiche:
(ein) Typ: Int → Int → Bool
==, <=, < . . .
•
Logische Operatoren:
(ein) Typ: Bool → Bool → Bool
&&, ||, not
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- 13 -
Beispiel
Definition eines Polynoms, z.B.: x2 + y 2:
quadratsumme x y = quadrat x + quadrat y
Auswertung:
... *Main> quadratsumme 3 4 ←25
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 14 -
Typen in Haskell
TYP
Integer ->
Integer ->
Ausdruck
Integer ->
Integer ->
Integer ->
Int
Integer
Float
Double
Integer
Integer
Integer
Typ
(Typ von Argument 1) -> (Typ von Argument 2) -> Ergebnistyp
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
3
123
1.23e45
1.23e45
(+)
quadrat
quadratsumme
Konstanten,
Funktionen
- 15 -
Typen in Haskell
Beispiel
Die Ausgabe des Interpreters für die Addition (+) ist komplizierter:
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
Z.B. gilt:
(+)::Integer -> Integer -> Integer
(+)::Double -> Double -> Double
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- 16 -
(vereinfachte) Haskell-Syntax
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 (1.A)
- 17 -
Aus der Haskell-Dokumentation
http://www.hck.sk/users/peter/HaskellEx.htm
http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.2
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] ]
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
(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)
- 18 -
Beispiel zur Grammatik
quadratsumme x y = (quadrat x) + (quadrat y)
Zeichenfolge
im Programm
quadratsumme
x
y
=
(quadrat x) + (quadrat y)
+
quadrat x
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
Name in der Grammatik (sog. Nichtterminal)
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
- 19 -
Programm
Ein Haskell-Programm ist definiert als
• Eine Menge von Funktionsdefinitionen
• Eine davon ist die Definition der Konstanten main.
Ohne main: dann ist es ein Modul
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- 20 -
Haskell: Verschiedenes . . .
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!
Weitere Trennzeichen: “{“,“}“ Semikolon “; “
Layout-sensibel: bewirkt Klammerung mit {, }.
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Fallunterscheidung: IF-THEN-ELSE
Syntax: if hAusdrucki then hAusdrucki else hAusdrucki
if“, then“, else“ sind reservierte Schlüsselworte
”
”
”
Der erste Ausdruck ist eine Bedingung (Typ Bool)
Typisierung: if Bool . . . then typ else typ
(if 1 then 1 else 2)
ergibt einen (Typ-)Fehler
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
- 22 -
Bedingungen, Arithmetische Vergleiche
Die Infixoperatoren ==, <, >, <=, >=, / = haben den Typ:
Integer -> Integer -> Bool
Achtung: = ist reserviert für Funktionsdefinitionen und let
Boolesche Ausdrücke
sind kombinierbar mit
not, ||, &&
Konstanten sind True, False.
(nicht, oder, und)
Beispiel: 3.0 <= x && x < 5.0
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- 23 -
Darstellungen eines Programms
sichtbare Syntax: vom Programmierer benutzt
Interne Syntax: “Linearisierung“; entzuckerte Version;
voll geklammert; alle Operatoren sind Präfix; kein Layout
Ableitungsbaum (Herleitungsbaum): Interne Darstellung;
Vom Kompiler erzeugt
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- 24 -
Darstellungen eines Programms
Syntaxbaum:
Eindeutige Darstellung des Programms als markierter Baum.
Wird vom Compiler/Interpreter (Parser) intern erzeugt.
Ermöglicht die eindeutige Definition
der Ausführung des Programms.
Entspricht der hierarchischen Schachtelung des Programms.
Z.B. Klammerstruktur.
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- 25 -
Syntaxbaum: Beispiele
if x <= 0 then 1 else x*(quadrat (x-1))
ifThenElseUUUUU
<=DD
x
{{
{{
{
{
{{
}{
{
i
iiii
iiii
i
i
i
i
it iii
DD
DD
DD
DD
!
0
1
UUUU
UUUU
UUUU
U*
x
∗ KKKK
KK
KK
KK
KK
KK
%
quadrat
x
x*(quadrat (x-1))
qq
qqq
q
q
qqq
q
x qq
x






− MMMM
MMM
MMM
MMM
&
1
∗ MMMMM
MMM
MMM
MMM
&
quadrat
x
Grundlagen der Programmierung 2 (1.A)
q
qqq
q
q
q
qqq
q
q
q
x
− MMMM
MMM
MMM
MMM
&
1
- 26 -
Syntaxbaum: Beispiele
Zwei Syntaxbäume zu
1






− @@
@@
@@
@@
2
}}
}}
}
}
}
~}
~
~~
~~
~
~~
~
1
(1 − (2 − 3))
− ??
??
??
??
3
− ??
??
??
??
− AA






1-2-3:
AA
AA
AA
3
((1 − 2) − 3)
2
Nur einer ist ist gültig in Haskell.
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- 27 -