Funktionale Programmiersprache

In einer funktionalen Programmiersprache werden Berechnungen als Auswertung mathematischer Funktionen verstanden. Im Unterschied dazu werden in prozeduralen (oder imperativen) Programmiersprachen Berechnungen als Befehlssequenzen dargestellt, die nacheinander abgearbeitet werden. Die mathematische Grundlage der funktionalen Programmierung ist der λ-Kalkül (Aussprache: Lambda-Kalkül).

Anders ausgedrückt:

• Ein funktionales Programm ist eine Abbildung von Eingabedaten auf Ausgabedaten, wohingegen ein imperatives Programm eine Arbeitsanweisung für eine Maschine ist. (Pepper)
• In einem funktionalen Programm wird die Reihenfolge der Berechnungsschritte in der Regel nicht festgelegt, während ein imperatives Programm ohne die Reihenfolge der Abarbeitungsschritte gar nicht verstanden werden kann.
• Funktionale Programmiersprachen erlauben es, Funktionen (wie Daten) als Argumente und Rückgabewerte anderer Funktionen zu behandeln. Dadurch ist es einfach, Operatoren auf Funktionen zu definieren. Dies macht funktionale Programme oft kürzer und abstrakter, erfordert jedoch oft eine Umgewöhnungszeit für Programmierer, die den imperativen Programmierstil gewohnt sind.

Konzepte

Reine funktionale Programmiersprachen

Reine (engl. pure) funktionale Programme können als mathematische Funktion aufgefasst werden: Ein Ausdruck hat dort während der Programmausführung immer den gleichen Wert. Es gibt keine Zustandsvariablen, die während einer Berechnung geändert werden. Man bezeichnet diese Eigenschaft als Werttreue (engl. referential transparency). Sie vereinfacht Korrektheitsbeweise von Algorithmen wesentlich. Um erwünschte Nebeneffekte (Benutzerinteraktion, Eingabe/Ausgabe-Operationen) beschreiben zu können, sind meist besondere Vorkehrungen notwendig. Die meisten funktionalen Programmiersprachen erlauben allerdings Nebeneffekte und sind daher keine reinen funktionalen Programmiersprachen (Ausnahme: Haskell).

Funktionen höherer Ordnung

Man unterscheidet Funktionen erster Ordnung und Funktionen höherer Ordnung. Bei Funktionen höherer Ordnung sind Funktionen selbst Werte. Dies erlaubt es insbesondere, Funktionen als Ergebnisse oder Parameter anderer Funktionen zu verwenden. Ein typisches Beispiel ist der Ableitungsoperator: Eingabe ist eine differenzierbare Funktion, Ausgabe ist die Ableitung dieser Funktion. Ein Beispiel aus der Informatik ist map, um eine beliebige, übergebene Funktion f auf jedes Element einer Liste anzuwenden. Definition in Haskell:

 map f [] = []

  map f (x:xs) = f x : map f xs

 

In der ersten Zeile wird das Ergebnis für eine leere Liste [] zurückgegeben; die zweite Zeile wendet die Funktion f auf das erste Listenelement x an und führt dann einen Rekursionsschritt für die restliche Liste xs durch.

Bedarfsauswertung und strenge Auswertung

Funktionale Sprachen kann man auch nach ihrer Auswertungsstrategie unterscheiden: Bei strenger Auswertung (engl. eager bzw. strict evaluation) werden Ausdrücke sofort ausgewertet. Dem gegenüber steht die Bedarfsauswertung (engl. lazy evaluation), bei der Ausdrücke erst ausgewertet werden, wenn deren Wert in einer Berechnung benötigt wird. Dadurch lassen sich z.B. unendlich große Datenstrukturen (die Liste aller natürlicher Zahlen, die Liste aller Primzahlen, etc.) definieren und bestimmte Algorithmen vereinfachen sich. Manche Berechnungen lassen sich mit strenger Auswertung, andere mit Bedarfsauswertung effizienter ausführen.

Typisierung

Weiterhin kann man funktionale Sprachen einteilen in dynamisch und statisch typisierte Sprachen, die sich dadurch ergeben, dass die Typprüfung während der Laufzeit bzw. während der Übersetzungszeit stattfinden kann. Programmiersprachen wie Haskell und SML sind statisch typisiert und unterstützen Typeninferenz (d.h. der Compiler erkennt die Datentypen automatisch). Programmiersprachen aus der Lisp-Familie sind dynamisch typisiert.

Ein Beispiel in SML

 local

    val pi = 3.14;

    val sq = fn x => x*x;

  in

    val ringarea = fn (R,r) => pi*(sq R - sq r);

  end;

 

Dieses Programm definiert eine Funktion ringarea, die die Fläche berechnet, die zwischen den beiden konzentrischen Kreisen mit den Radien R und r liegt. Dazu werden die Konstante pi und die Hilfsfunktion sq definiert. Diese werden von ringarea dann für die Berechnung benutzt.

Funktionale Programmiersprachen

• LISP
• Scheme
• ML (Meta Language)
• Standard ML (SML)
• Ocaml
• Gofer
• Miranda
• Haskell
• Erlang
• XSLT
• OPAL (Opal Project)

Siehe auch: Programmierparadigma