Amdahl’s Law

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Reaktive Programmierung

Vorlesung 1 vom 14.04.15: Was ist Reaktive Programmierung?

Christoph Lüth & Martin Ring

Universität Bremen Sommersemester 2014

16:09:52 2015-04-21 1 [36]

Organisatorisches

I Vorlesung: Donnerstags 8-10, MZH 1450

I Übung: Dienstags 16-18, MZH 1460 (nach Bedarf)

I Webseite:www.informatik.uni-bremen.de/~cxl/lehre/rp.ss15

I Scheinkriterien:

IVoraussichtlich 6 Übungsblätter

IAlle bearbeitet, insgesamt 40% (Notenspiegel PI3)

IÜbungsgruppen 2 – 4 Mitglieder

IFachgespräch am Ende

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Warum Reaktive Programmierung?

Herkömmliche Programmiersprachen:

IC, C++

IJavaScript, Ruby, PHP, Python IJava

I(Haskell) Eigenschaften:

IImperativundprozedural ISequentiell

Zugrundeliegendes Paradigma:

. . . aber die Welt ändert sich:

I DasNetzverbindet Rechner I Selbst eingebettete Systeme sind

vernetzt (Auto: ca. 100 Proz.) I Mikroprozessoren sindmehrkernig I Systeme sindeingebettet,

nebenläufig,reagierenauf ihre Umwelt.

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Probleme mit dem herkömmlichen Ansatz

Programm

Daten Eingabe

Ausgabe

Daten Programm

Eingabe Ausgabe

Daten Programm

Eingabe Ausgabe

Eingabe

Ausgabe Programm Daten

Eingabe Ausgabe

Eingabe

Ausgabe

Daten Programm

Eingabe Ausgabe

Eingabe

Ausgabe Eingabe Ausgabe

Daten Programm

Eingabe Ausgabe

Eingabe

Ausgabe Eingabe Ausgabe

IProblem:Nebenläufigkeit INebenläufigkeit verursacht

Synchronisationsprobleme IBehandlung:

I Callbacks (JavaScript)

I Events (Java)

I Global Locks (Python, Ruby)

I Programmiersprachenkonstrukte:

Locks, Semaphoren, Monitore

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Amdahl’s Law

“The speedup of a program using multiple processors in parallel computing is limited by the sequential fraction of the program. For example, if 95% of the program can be parallelized, the theoretical maximum speedup using parallel computing would be 20×as shown in the diagram, no matter how many processors are used.”

20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00

Speedup 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096 8192 16384 32768 65536

NumberLofLProcessors Amdahl’sLLaw

ParallelLPortion 50%

75%

90%

95%

Quelle: Wikipedia

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The Reactive Manifesto

I http://www.reactivemanifesto.org/

Responsive

Resilient

Message Driven Elastic

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Was ist Reaktive Programmierung?

I ImperativeProgrammierung: Zustandsübergang

I ProzeduralundOO: Verkapselter Zustand

I FunktionaleProgrammierung: Abbildung (mathematische Funktion)

I ReaktiveProgrammierung:

1.Datenabhängigkeit

2.Reaktiv=funktional+nebenläufig

Datenflusssprachen (data flow languages)

I Frühe Sprachen: VAL, SISAL, ID, LUCID (1980/1990)

I Heutige Sprachen: Esterel, Lustre (Gérard Berry, Verimag)

IKeineZuweisungen, sondernDatenfluss

ISynchron:alle Aktionen ohne Zeitverzug

IVerwendung in der Luftfahrtindustrie (Airbus)

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Fahrplan

I Teil I: Grundlegende Konzepte

I Was ist Reaktive Programmierung?

I Nebenläufigkeit und Monaden in Haskell

I Funktional-Reaktive Programmierung

I Einführung in Scala

I Die Scala Collections

I ScalaCheck

I Teil II: Nebenläufigkeit

I Teil III: Fortgeschrittene Konzepte

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Fahrplan

IFutures and Promises

IReaktive Datenströme I

IReaktive Datenströme II

IDas Aktorenmodell

IAktoren und Akka

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Fahrplan

I Bidirektionale Programmierung: Zippers and Lenses

I Robustheit, Entwurfsmuster

I Theorie der Nebenläufigkeit

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Rückblick Haskell

I Definition von Funktionen:

Ilokale Definitionen mitletundwhere

IFallunterscheidung undguarded equations

IAbseitsregel

IFunktionen höherer Ordnung

I Typen:

IBasisdatentypen:Int,Integer,Rational,Double,Char,Bool

IStrukturierte Datentypen:[a],(a, b)

IAlgebraische Datentypen:data Maybe a = Just a | Nothing

12 [36]

Rückblick Haskell

I Abstrakte Datentypen

I Module

I Typklassen

I Verzögerte Auswertung und unendliche Datentypen

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Ein- und Ausgabe in Haskell

Umwelt Haskell

Aktionen

Umwelt Reine

Funktionen

Haskell

Problem:

IFunktionen mit Seiteneffekten nicht referentiell transparent.

I readString :: . . .→String??

Lösung:

ISeiteneffekte am Typ erkennbar IAktionenkönnennurmit

Aktionenkomponiert werden I„einmal Aktion, immer Aktion“

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Aktionen als abstrakter Datentyp

I ADT mit OperationenKompositionundLifting

I Signatur:

typeIOα

(=) :: IOα→ (α→IOβ) →IOβ return :: α→ IOα

I PluselementareOperationen (lesen, schreiben etc)

Elementare Aktionen

I Zeile vonstdinlesen:

getLine :: IO String

I Zeichenkette aufstdoutausgeben:

putStr :: String→ IO ()

I Zeichenkette mit Zeilenvorschubausgeben:

putStrLn :: String→ IO ()

(3)

Einfache Beispiele

I Echoeinfach echo1 :: IO ()

echo1 = getLine= putStrLn I Echomehrfach

echo :: IO ()

echo = getLine= putStrLn=λ_→ echo I Was passiert hier?

I Verknüpfenvon Aktionen mit=

I Jede Aktion gibtWertzurück

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Noch ein Beispiel

I Umgekehrtes Echo:

ohce :: IO () ohce = getLine

=λs→ putStrLn ( reverse s ) ohce

I Was passiert hier?

IReineFunktionreversewird innerhalb vonAktionputStrLngenutzt

IFolgeaktionohcebenötigtWertder vorherigen Aktion nicht

IAbkürzung:

pq = p=λ_→ q

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Die do-Notation

I Syntaktischer Zucker fürIO:

echo = getLine

=λs→ putStrLn s echo

⇐⇒

echo =

do s← getLine putStrLn s echo

I Rechts sind=,implizit.

I Es gilt dieAbseitsregel.

I Einrückungderersten Anweisungnachdobestimmt Abseits.

19 [36]

Drittes Beispiel

I Zählendes, endliches Echo echo3 :: Int→ IO () echo3 cnt =do

putStr (show cnt ++ " : ␣" ) s← getLine

i f s6= "" then do

putStrLn $ show cnt ++ " : ␣"++ s echo3 ( cnt+ 1)

else return () I Was passiert hier?

IKombinationausKontrollstrukturenundAktionen

IAktionenalsWerte

IGeschachteltedo-Notation

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Module in der Standardbücherei

I Ein/Ausgabe, Fehlerbehandlung (ModulIO) I Zufallszahlen (ModulRandom)

I Kommandozeile, Umgebungsvariablen (ModulSystem) I Zugriff auf das Dateisystem (ModulDirectory) I Zeit (ModulTime)

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Ein/Ausgabe mit Dateien

I ImPreludevordefiniert:

IDateien schreiben (überschreiben, anhängen):

type FilePath = String

w r i t e F i l e :: FilePath → String →IO () appendFile :: FilePath → String →IO () I Datei lesen (verzögert):

readFile :: FilePath →IO String I Mehr Operationenim ModulIOder Standardbücherei

IBuffered/Unbuffered, Seeking, &c.

IOperationen aufHandle

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Beispiel: Zeichen, Wörter, Zeilen zählen (wc)

wc :: String→IO () wc f i l e =

docont ← readFile f i l e putStrLn $ f i l e ++ " : ␣"++

show ( length ( l i n e s cont ) , length (words cont ) , length cont ) I Datei wird gelesen

I Anzahl Zeichen, Worte, Zeilen gezählt

Aktionen als Werte

I AktionensindWertewie alle anderen.

I DadurchDefinitionvonKontrollstrukturenmöglich.

I Endlosschleife:

forever :: IO α→IOα forever a = aforever a I Iteration (feste Anzahl):

forN :: Int→IOα→ IO () forN n a | n == 0 = return ()

| otherwise = aforN (n−1) a I VordefinierteKontrollstrukturen (Control .Monad):

Iwhen,mapM,forM,sequence, . . .

(4)

Map und Filter für Aktionen

I Listen von Aktionen sequenzieren:

sequence :: [ IO a ]→ IO [ a ] sequence_ :: [ IO ( ) ]→IO () I Map für Aktionen:

mapM :: (a→IO b)→ [ a ]→IO [ b ] mapM_ :: (a→ IO ())→ [ a ]→IO () I Filter für Aktionen

I Importieren mitimport Monad (filterM).

filterM :: (a →IO Bool) → [ a ] →IO [ a ]

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Fehlerbehandlung

I Fehlerwerden durchExceptionrepräsentiert

IExceptionistTypklasse— kann durch eigene Instanzen erweitert werden

IVordefinierte Instanzen: u.a.IOError

I FehlerbehandlungdurchAusnahmen(ähnlich Java) catch :: Exception e⇒ IOα→ (e→ IOα) →IOα try :: Exception e⇒ IOα→IO ( Either e a)

I Faustregel:catchfür unerwartete Ausnahmen,tryfür erwartete I Fehlerbehandlungnur in Aktionen

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Fehler fangen und behandeln

I Fehlerbehandlung fürwc:

wc2 :: String→ IO () wc2 f i l e =

catch (wc f i l e )

(λe → putStrLn $ " Fehler : ␣"++ show (e :: IOException ))

I IOErrorkann analysiert werden (sieheSystem.IO.Error) I readmit Ausnahme bei Fehler (statt Programmabbruch):

readIO :: Read a⇒ String→IO a

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Ausführbare Programme

I Eigenständiges Programm istAktion

I Hauptaktion:main :: IO ()in ModulMain I wcals eigenständiges Programm:

moduleMainwhere

importSystem . Environment ( getArgs ) importControl . Exception

. . .

main :: IO () main =do

args ← getArgs mapM_ wc2 args

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So ein Zufall!

I Zufallswerte:

randomRIO :: (α,α)→ IOα

I Warum istrandomIOAktion?

I Beispiele:

I Aktion zufällig oft ausführen:

atmost :: Int→IOα→IO [α]

atmost most a =

dol←randomRIO (1 , most) sequence ( r e p l i c a t e l a)

I Zufälligen String erzeugen:

randomStr :: IO String

randomStr = atmost 40 (randomRIO ( ’ a ’ , ’ z ’ ) )

29 [36]

Funktionen mit Zustand

I Idee: Seiteneffektexplizitmachen

I Funktionf:A→Bmit Seiteneffekt inZustandS:

f :A×S→B×S

∼=

f :A→S→B×S

I Datentyp:S→B×S

I Komposition: Funktionskomposition unduncurry

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In Haskell: Zustände explizit

I Datentyp: Berechnung mit Seiteneffekt in Typσ(polymorph überα) type State σ α=σ→ (α, σ)

I Komposition zweier solcher Berechnungen:

comp :: Stateσ α→ (α→ Stateσ β)→ State σ β comp f g = uncurry g◦f

I Lifting:

l i f t :: α→ State σ α l i f t = curry id

Beispiel: Ein Zähler

I Datentyp:

typeWithCounterα= State Int α I Zähler erhöhen:

t i c k :: WithCounter () t i c k i = ( ( ) , i+1) I Zähler auslesen:

read :: WithCounter Int read i = ( i , i ) I Zähler zurücksetzen:

reset :: WithCounter () reset i = ( ( ) , 0)

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Implizite vs. explizite Zustände

I Nachteil: Zustand istexplizit

I Kanndupliziertwerden

I Daher: Zustandimplizitmachen

I Datentypverkapseln

I SignaturState , comp, lift, elementare Operationen I Beispiel für eineMonade

I Generische Datenstruktur, dieVerkettungvonBerechnungenerlaubt

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Aktionen als Zustandstransformationen

I Idee: Aktionen sindTransformationenauf SystemzustandS

I Sbeinhaltet

ISpeicher als AbbildungA*V(AdressenA, WerteV)

IZustand des Dateisystems

IZustand des Zufallsgenerators

I In Haskell: TypRealWorld

typeIOα= State RealWorldα −−... oder so ähnlich

I“Virtueller” Typ, Zugriff nur über elementare Operationen

IEntscheidend nurReihenfolgeder Aktionen

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War das jetzt reaktiv?

I Haskell istfunktional

I Für eine reaktive Sprache fehltNebenläufigkeit

I Nächste Vorlesung: Concurrent Haskell

I Damit könnten wir die Konzepte dieser VL modellieren

I Besser:Scala = Funktional + JVM

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Zusammenfassung

I Reaktive Programmierung: Beschreibung derAbhängigkeitvon Daten

I Rückblick Haskell:

IAbhängigkeit von Aussenwelt in TypIOkenntlich

IBenutzung von IO: vordefinierte Funktionen in der Haskell98 Bücherei

IWerte vom TypIO(Aktionen) können kombiniert werden wie alle anderen I Nächstes Mal:

IMonaden und Nebenläufigkeit in Haskell

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