Modul Fortgeschrittene Programmierung

Wintersemester 2016/17
Arbeitsgruppe Programmiersprachen und Übersetzerkonstruktion

Nr. Art Termine Raum Veranstalter
080038 V4 Di 14:15 - 15:45 CAP3 - HS.2 Hanus
    Do 14:15 - 15:45 OS40 - R.201  
080039 Ü2 Mi 10-12/16-18, Do 8-10/10-12   Dylus, Hanus, Tikosvky

Vorlesungsbeginn

Dienstag, 25.10.2016, 14:15 Uhr, CAP3 - HS.2

Zielgruppe

Studierende im 1-Fach-Bachelorstudiengang Informatik, im 2-Fach-Masterstudiengang Informatik, im Masterstudiengang Wirtschaftsinformatik sowie Studierende mit Nebenfach Informatik

Dieses Modul beinhaltet auch das Modul Inf-FPKonz (Fortgeschrittene Programmierkonzepte). In diesem Fall muss der erste Teil zur nebenläufigen und verteilten Programmierung nicht gehört werden, sondern das Modul beginnt mit der funktionalen Programmierung am Dienstag, 8.11.2016!

Voraussetzungen

Solide Programmierkenntnisse einschließlich in der objektorientierten Programmierung mit Java, wie sie beispielsweise im Grundmodul Programmierung erworben werden können.

Inhalt

In dieser Vorlesung werden forgeschrittene Programmierkonzepte, die über die in den ersten Studiensemestern erlernte Programmierung hinausgehen, vorgestellt. Dabei wird anhand verschiedener Programmiersprachen der Umgang mit den Konzepten der wichtigsten Programmierparadigmen vermittelt. Moderne funktionale Programmierungtechniken werden am Beispiel der Sprache Haskell gezeigt. Logische und Constraint-orientierte Programmierung wird in der Sprache Prolog vermittelt. Konzepte zur nebenläufigen und verteilten Programmierung werden mit der Sprache Java vorgestellt und geübt.

Funktionale Programmierung in der Praxis

Ein Schwerpunkt der Vorlesung bildet die funktionale Programmierung. Dies liegt daran, dass funktionale Programmiertechniken und Sprachkonstrukte zu besser strukturierten Programmen führen und daher auch in zum Teil eingeschränkter Form in vielen modernen Programmiersprachen zu finden sind. Funktionale Programmiersprachen sind nicht nur vom akademischen Interesse, sondern sie werden auch in der Praxis immer stärker eingesetzt. Zum Beispiel verwendet Jane Street Capital, eine Finanzhandelsfirma mit Vertretungen in New York, London und Hong Kong, die funktionale Sprache OCaml für ihre Anwendungen (dazu gibt es auch einen Blog). Die Firma Galois mit Hauptsitz in Portland (Oregon, USA) verwendet funktionale Programmiersprachen und -konzepte zur Entwicklung sicherheitskritischer Systeme.

Warum gerade im Finanzbereich funktionale Programmierung eingesetzt wird, liegt auch daran, dass Fehler in einer Software existenzielle Probleme verursachen kann, wie man am Fall von Fall Knight Capital sehen kann.

Hier sind noch ein paar weitere Berichte über den industriellen Einsatz funktionaler Programmierung:

Forscher bei Microsoft fordern in einem Artikel der Zeitschrift CACM, dass Informatikstudierende so früh wie möglich funktionale Programmiersprachen erlernen sollten. Und es gibt natürlich auch Jobs für Haskell-Programmierer.

Praktikum

Bestandteil des Moduls Inf-FortProgP ist ein Praktikum. Dieses findet nach der Vorlesung und dem ersten Prüfungszeitraum in der Zeit vom 21.2.-3.3.2017 statt. Da die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum eine Zulassungsvoraussetzung zur Klausur ist, besteht für dieses Praktikum prinzipiell Anwesenheitspflicht. Für das Praktikum ist eine separate Anmeldung erforderlich. Hierzu muss man sich zu dem entsprechenden iLearn-Kurs bis zum 12.2.2017 anmelden. Eine Vorbesprechung und Einführung zum Praktikum findet am 21.2.2017, 9:15 Uhr im Hörsaal A (CAP 2) statt.

Modulprüfung

Am Ende der Vorlesung findet nach dem Praktikum eine schriftliche Abschlussprüfung statt. Die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum ist die Voraussetzung zur Zulassung zur Klausur.

Die erste Modulprüfung findet am Mittwoch, 8. März 2017, von 9:00 bis 12:00 Uhr im Hörsaal OHP5-[Chemie I] statt (Einsichtnahme: Donnerstag, 9.3.2017, 17-18 Uhr im Raum CAP4-715). Eine weitere Modulprüfung findet am Mittwoch, 5. April 2017, von 10:00 bis 13:00 Uhr im Hörsaal CAP2-H statt. Eine vorherige Anmeldung in der StudiDB ist zur Teilnahme erforderlich.

Ergänzende Materialien zur Vorlesung

Es gibt ein Skript zur Vorlesung (im PDF-Format, nur innerhalb der CAU Kiel zugreifbar!), welches parallel zur Vorlesung überarbeitet wird. Dieses Skript ist kein Lehrbuch, aber es beinhaltet den ungefähren Vorlesungsverlauf. Daher sollte neben dem Lesen des Skripts auch immer die Vorlesung besucht werden, um über den aktuellen Stand informiert zu sein!

Folien und Programme:

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25.10.2016: Einführung (PDF)
27.10.2016: ProducerConsumer Philosophers.txt ConcurrentPrintThread.java ConcurrentPrint.java
1.11.2016: PrintState.java Buffer1.java (simple version)
3.11.2016: Buffer1.java ObjectInputStreamDemo.java FlipServer.java FlipServerImpl.java Client.java
8.11.2016: ClientSleep.java Einfache Haskell-Funktionen
10.11.2016: Deklarationen und Datentypen
15.11.2016: Datentyp Person Polymorphe Daten und Funktionen
17.11.2016: Pattern Matching Funktionen höherer Ordnung
22.11.2016: Funktionen höherer Ordnung (Fortsetzung)
21.5.2016: Funktionen höherer Ordnung (Fortsetzung) Funktionen höherer Ordnung in Ruby Map in Java Feld von Funktionen in Java
29.11.2016: Typklassen
1.12.2016: Lazy-Auswertung
6.12.2016: Arithmetische Sequenzen
8.12.2016: I/O-Aktionen
13.12.2016: Zeilen numerieren CSV Show/Read Nats-Modul Main Hauptmodul
15.12.2016: Testen mit QuickCheck
20.12.2016: Testen mit eigenen Daten Fallstudie: Peano-Arithmetik Rationale Zahlen
22.12.2016: Rationale Zahlen Benutzung rationaler Zahlen Mengen als Funktionen Mengen als Listen Mengen als geordnete Listen Testen der Mengengesetze
10.1.2017: Verwandtschaftsbeispiel in Haskell Verwandtschaftsbeispiel in Prolog Listenelement
12.1.2017: Landkartenfärbung Liste sortieren Listenoperationen Peano-Zahlen
19.1.2017: Peano-Zahlen
24.1.2017: Unendliche Ableitungen Verwandtschaftsbeispiel mit Negation
26.1.2017: Cut-Operator Fakultät Schaltkreise / Hypotheken
31.1.2017: SEND+MORE=MONEY und n-Damen-Problem
2.2.2017: Prädikate höherer Ordnung Verwandschaftsbeispiel mit Kapselung Meta-Interpretierer für Prolog

Literatur

  • S. Thompson: Haskell - The Craft of Functional Programming, Addison-Wesley, 1996
  • G. Hutton: Programming in Haskell, Cambridge University Press, 2007
  • L. Sterling, E. Shapiro: The Art of Prolog, 2nd Ed., MIT Press, 1994
  • T. Frühwirth, S. Abdennadher: Constraint-Programmierung, Springer, 1997
  • D. Lea: Concurrent Programming in Java, 2nd Ed., Addison Wesley, 2000
  • P. Hyde: Java Thread Programming, Sams Publishing, 1999

Übungen

Die Abgabe der Übungen soll vornehmlich über das iLearn Übungssystem erfolgen. Hierzu wird man automatisch angemeldet, wenn man sich bei der StudiDB angemeldet hat.

Die in der Vorlesung behandelten Programmiersprachen sind auf den Institutsrechnern installiert und auch im Internet sind freie Implementierungen von Java, Haskell und Prolog verfügbar.

Anmerkung zur Verwendung von Prolog: Zur Lösung der Übungsaufgaben kann man das frei verfügbare SWI-Prolog-System verwenden. Um einen leichteren Einstieg in Prolog zu haben, sollte man in dieser Vorlesung zunächst eine Erweiterung für SWI-Prolog verwenden, die eine bessere Suchstrategie implementiert. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten (unter der Voraussetzung, das SWI-Prolog installiert ist und durch den Aufruf "swipl" gestartet werden kann):

  • Für Unix/Linux: Man kopiere dieses Bash-Skript in ein bin-Verzeichnis, das im eigenen Pfad liegt. Dann kann man durch das Kommando fortprog-swipl das erweiterte SWI-Prolog-System aufrufen. Alternativ kann man das Bash-Skript auch in das Verzeichnis legen, wo die Prolog-Programme sind, und dann das SWI-Prolog-System mit dem Kommando ./fortprog-swipl aufrufen.
  • Für andere Systeme: Man kopiere dieses Prolog-Programm in das Verzeichnis, wo sich die Prolog-Programme befinden, und starte das SWI-Prolog-System mit dem Kommando swipl -q -s fortprog.

Nach diesem Start von SWI-Prolog kann man wie üblich mit [myprog]. sein eigenes Programm laden und ausprobieren. Zu beachten ist, dass bei Benutzung dieser Erweiterung die Prolog-Programme keine Negation oder Cuts enthalten und auch keine anderen Module importieren, was aber am Anfang sowieso nicht verwendet wird.