JVM Functional Language Battle

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JVM Functional
Language Battle
Orientation in Objects GmbH
Weinheimer Str. 68
68309 Mannheim
Version: 1.0
www.oio.de
[email protected]
Ihr Sprecher
Falk Sippach (@sippsack)
Trainer, Berater, Entwickler
Co-Organisator
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Architektur
Agile Softwareentwicklung
Codequalität
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Java, XML und Open Source seit 1998
) Software Factory )
) Object Rangers )
• Schlüsselfertige Realisierung
von Java Software
• Unterstützung laufender
• Individualsoftware
• Pilot- und Migrationsprojekte
• Sanierung von Software
• Software Wartung
• Perfect Match
• Rent-a-team
• Coaching on the project
• Inhouse Outsourcing
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Java Projekte
) Competence Center)
• Schulungen, Coaching,
Weiterbildungsberatung,
Train & Solve-Programme
• Methoden, Standards und
Tools für die Entwicklung
von offenen, unternehmensweiten Systemen
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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.
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4
Agenda
<x>
<y/>
</x>
Einführung
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Imperativ
Deklarativ
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Functional
Java
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Experiment
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6
Scala
Clojure
Haskell
Frege
Java
Groovy
Imperativ
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Funktional
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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“.
https://de.wikipedia.org/wiki/Imperative_Programmierung
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8
Imperativ
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Funktional
Deklarativ
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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.
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Problemstellung
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11
?
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Prüfsummen-Berechnung
Luhn-Algorithmus;
Luhn-Formel;
"Modulo 10"-Algorithmus;
Double-Add-Double-Methode
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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
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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
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Beispiel
"4716347184862961"
4
7
1
6
3
4
7
1
8
4
8
6
2
9
6
1
1
6
9
2
6
8
4
8
1
7
4
3
6
1
7
4
1
12
9
4
6
16
4
16
1
14
4
6
6
2
7
8
1
1 2
9
4
6
1 6
4
1 6
1
1 4
4
6
6
2
7
8
1
3
9
4
6
7
4
7
1
5
4
6
6
2
7
8
1+3+9+4+6+7+4+7+1+5+4+6+6+2+7+8
80
80 % 10 == 0
gültig
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Java klassisch – Variante 1
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Java klassisch – Variante 2
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Java klassisch mit sprechenden Methodennamen
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Demo
Kreditkarten-Nummer prüfen mit Java:
public static void main(String[] args) {
System.out.println(isValid("4716347184862961"));
}
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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)
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Imperativ vs. Deklarativ
Imperativ:
Wie erreiche ich mein Ziel?
Deklarativ:
Was will ich erreichen?
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Imperativ
Funktional
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Java klassisch – Spaghetti-Code
Aufspalten in Ziffern
Reihenfolge drehen
Jede 2. Ziffer verdoppeln
Aufsummieren
Validierungsprüfung
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Und in anderen Sprachen?
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Groovy
• objektorientiert
• dynamisch und/statisch typisiert
• ausdrucksstarke/prägnante Syntax
• sehr gute Integration mit Java (JVM, Bibliotheken, Vererbung, …)
• Metaprogrammierung, Closures, Operatorüberladung
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Demo
Kreditkarten-Nummer prüfen mit Groovy
groovy> isValid 4716347184862961
true
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JavaScript
• objektorientierte Skriptsprache
• aber klassenlos (Prototyp-basiert)
• dynamisch typisiert
• Funktionen sind First-Class-Citizens
• Client (Browser) und Server (Node.js, Nashorn auf JVM)
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Demo
Kreditkarten-Nummer prüfen mit JavaScript
> isValid(4716347184862961)
true
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Scala
• funktional und objektorientiert
• statisch typisiert (Typinferenz)
• Funktionen als First-Class-Citizens
• Pattern Matching
• Java-Integration
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Demo
Kreditkarten-Nummer prüfen mit Scala
scala> isValid(4716347184862961)
true
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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
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Demo
Kreditkarten-Nummer prüfen mit Frege (Haskell)
frege> isValid 4716347184862961
True
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Algorithmus in Frege
Validierungsfunktion
Kreditkartennummer
isValid n =
(sumDigits (double2nd (toDigitsRev n))) % 10 == 0
Summe
der Ziffern
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Verdoppeln
jede 2. Ziffer
Ziffern
rückwärts
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Teilbar
durch 10?
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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
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Keine veränderbaren Zustände
Seiteneffekt-frei
Referentielle Transparenz
First-Class-Citizens
Higher-Order Functions
Lambdas/Closures
Lazy Evaluation
Rekursion
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Funktionen
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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
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OO vs. Funktional
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Ist Java 8 funktional?
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"Funktional Programmieren" mit Java 8
• Lambdas: Funktionsliterale als First-Class-Citizens
• Higher-Order Functions
• Currying und Funktionskomposition
• Streams
• Erweiterungen Collections mit Default-Methoden
• (Rekursion)
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Java 8: Currying und partielle Funktionsaufrufe
Currying: Konvertierung einer Funktion mit n Argumenten
in n Funktionen mit jeweils einem Argument.
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Java 8: Funktionskomposition
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Luhn-Algorithmus in Java 8 – Variante 1
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Was fehlt Java 8 zur besseren funktionalen
Unterstützung?
• Erzwingen von Immutability
• persistente Datenstrukturen
• Vermeidung von Seiteneffekten
• referentielle Transparenz
• Lazy Evaluation
• funktionale Bibliotheksfunktionen
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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()
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Funktionale Erweiterungen für Java
Project Lombok
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Project Lombok
• Compile-Time Metaprogrammierung
• Reducing Boilerplate Code durch Annotationen
• Generation des Immutable-Gerüsts mit @Value
• Lazy Evaluierung mit @Getter(lazy = true)
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private, final,
keine Setter,
Argument-Konstruktor
equals/hashcode
Lazy-Evaluierung
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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
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Demo
Kreditkarten-Nummer prüfen mit Java 8 + FunctionalJava:
public static void main(String[] args) {
System.out.println(isValid("4716347184862961"));
}
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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
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Javaslang: Tuple (bis Tuple8)
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Javaslang: Partielle Funktionsaufrufe und
Komposition
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Javaslang: Currying
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Javaslang: Function Lift (Fangen von Exceptions)
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Links
• Learn You a Haskell for Great Good!
– http://learnyouahaskell.com/chapters
• LYAH (Learn You a Haskell) adaptions for Frege
– https://github.com/Frege/frege/wiki/LYAH-adaptions-for-Frege
• Project Lombok
– https://projectlombok.org/
• Functional Java
– http://www.functionaljava.org/
• Javaslang
– http://www.javaslang.io/
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Literaturhinweise
•
Functional Programming in Java: Harnessing
the Power Of Java 8 Lambda Expressions
– Venkat Subramaniam
– The Pragmatic Programmers, Erscheinungsdatum:
Februar 2014
– ISBN: 978-1-93778-546-8
– Sprache: Englisch
• Mastering Lambdas
–
–
–
–
–
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Maurice Naftalin
Oracle Press
Erscheinungsdatum: Oktober 2014
ISBN: 0071829628
Sprache: Englisch
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Literaturhinweise
• Learn You a Haskell for Great Good!: A
Beginner's Guide
–
–
–
–
Miran Lipovaca
No Starch Press, Erscheinungsdatum: April 2011
ISBN: 978-1593272838
Sprache: Englisch
• Real World Haskell
–
–
–
–
© Orientation in Objects GmbH
Bryan O'Sullivan und John Goerzen
O'Reilly, Erscheinungsdatum: 2010
ISBN: 978-0596514983
Sprache: Englisch
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