F-Sharp

F#

Funktionale Programmiersprache
Basisdaten
Paradigmen:multiparadigmatisch: funktional, imperativ, objektorientiert
Erscheinungsjahr:2002
Designer:Don Syme, Microsoft Research
Entwickler:F Sharp Software Foundation, Don Syme, Microsoft,
Aktuelle Version:7.0[1]  (8. November 2022)
Typisierung:statisch, stark, implizit
Beeinflusst von:Objective CAML, C#, Haskell, Elm
Beeinflusste:Elm, F*, LiveScript, Elixir
Betriebssystem:plattformübergreifend
Lizenz:Apache-Lizenz 2.0
F# Software Foundation

F# (gelesen: F sharp; englische Aussprache [ɛfː ʃɑrp]) ist eine typsichere Multi-Paradigmen-Sprache mit starkem Fokus auf funktionale Programmierung für das .Net-Framework. Die Syntax ähnelt der von OCaml sehr stark, da diese Sprache als Vorbild für die Implementierung der funktionalen und imperativen Sprachelemente diente. Im Gegensatz zu OCaml hat F# kein strukturiertes Typsystem, sondern ein normatives; dies ist, um bessere Kompatibilität mit C# zu erreichen.

Die Objekt-orientierte Seite von F# ist deshalb auch signifikant anders als die in OCaml.

F# ist voll interaktionsfähig mit allen anderen Sprachen des .NET-Systems und bietet durch das .Net-Framework und Mono die Möglichkeit, den Code sowohl auf Windows als auch auf Linux, der BSD- und illumos-Familie und macOS einzusetzen. Via Xamarin sind auch Android und iOS als Zielplattformen möglich.

Ursprünglich wurde F# als Forschungsprojekt von Microsoft Research entwickelt, derzeit wird es von Microsofts Entwicklungsabteilung und der F# Software Foundation fortgeführt. F# wurde als Teil von Visual Studio 2010 erstmals offiziell unterstützt und mit ausgeliefert.[2] Im November 2010 wurde F# sowie zugehörige Compiler und Bibliotheken unter der Apache-Lizenz 2.0 freigegeben.

Einige Sprachmerkmale

Werte

In überwiegend imperativen Sprachen sind Variablen das primäre Sprachkonstrukt, um Werte zu speichern. Dies geschieht in funktional orientierten Programmiersprachen wie F# durch unveränderliche (englisch: „immutable“) Sprachkonstrukte. Mit dem häufig eingesetzten Schlüsselwort let können Werte eines bestimmten Typs deklariert werden.

let pi = 3.14159265
let name = "John"

F# bietet Typableitung, d. h. Typen von Ausdrücken werden automatisch ermittelt. Beispielsweise bekommt pi automatisch den Typ des Gleitkommazahl-Literals zugewiesen.

Veränderliche Variablen sind mit dem mutable Schlüsselwort möglich und dann mit dem Zuweisungsoperator <- verändert. Dies wird jedoch in den meisten Fällen nur selten getan, da die beschriebene Unveränderlichkeit von Werten als passender zur Sprachphilosophie gesehen wird in FSharp. Dies nennt sich in F# auch functional first, also „funktional-zuerst“.[3]

let mutable x = 10
x <- 15

Werte im Nachhinein zu verändern, ist auch durch die Verwendung von sogenannten reference cells möglich:

let x = ref 0     // x hat den Typ "int ref", ist also eine Referenz auf einen Integer
x := 5            // x wird ein neuer Wert zugewiesen
printfn "%i" !x   // Mittels des "!"-Operators wird x dereferenziert. Gibt 5 aus.

Funktionen

Funktionen werden wie andere Werte mit let deklariert und können Parameter erwarten:

let square x = x * x
let add x y = x + y

Funktionen können Funktionen als Parameter erwarten (siehe Funktion höherer Ordnung):

let do_twice f x = f (f x)

Die Typen der Parameter werden automatisch erkannt, können aber auch explizit deklariert werden:

let add (x: int) (y: int) :int = x + y
let do_twice (f : int -> int) (x: int) = f (f x)

Die Anweisung

printfn "%A" (do_twice square 5)

gibt 625 (das Quadrat des Quadrats von 5) aus. Die Funktion do_twice kann mit Hilfe des Kompositionsoperators und nach Eta-Reduktion auch als

let do_twice f = f >> f

geschrieben werden.

Im obigen Beispiel wird für square der Typ int -> int ermittelt, das heißt, square ist eine Funktion, die einen Parameter vom Typ int erwartet und einen Wert vom Typ int zurückgibt. Für do_twice erhält man den Typ ('a -> 'a) -> 'a -> 'a. Dies bedeutet, do_twice ist eine Funktion, die als ersten Parameter einen Wert vom Typ ('a -> 'a) (eine Funktion mit einem Parameter vom Typ 'a und einem Rückgabewert vom Typ 'a) bekommt. Als zweiten Parameter erhält sie einen Wert vom Typ 'a und sie gibt einen Wert vom Typ 'a zurück. 'a hat hier die Rolle einer Typvariable (grob vergleichbar mit Generic- oder Template-Parametern in Java/C++, siehe Polymorphie (Programmierung)).

In F# werden Parameter ohne Klammern etc., nur durch Leerzeichen getrennt, an die Funktion übergeben. Nur wenn als Parameter der Rückgabewert einer anderen Funktion benötigt wird, müssen Klammern gesetzt werden, um die Evaluierungsreihenfolge der Ausdrücke zu definieren. Bei printfn "%A" (add 5 8) gehören die Werte 5 und 8 zur Funktion add; deren Rückgabewert ist ein Parameter für die Funktion printfn.

F# ermöglicht Closures und verwendet Currying automatisch:

let add x y = x + y
let inc = add 1

In der Definition von inc wird der erste Parameter der Funktion add an den Wert 1 gebunden. Das Ergebnis dieser partiellen Funktionsanwendung ist eine neue Funktion mit nur noch einem Parameter. Die Auswertung des Ausdrucks

inc 5

liefert als Ergebnis 6.

F# unterstützt Tupel:

let u = (3, 6)
let v = (2, -3)
let add (a, b) (c, d) = (a + c, b + d)
let x, y = add u v

F# bietet Discriminated Unions[4] und Pattern Matching:

// Ein Element vom Typ Baum ist entweder ein "Ast" und enthält zwei Elemente vom Typ "Baum",
// oder es ist ein "Blatt" und enthält einen Integer
type Baum =
| Ast of Baum * Baum
| Blatt of int

let rec baumSumme x =
    match x with
    | Ast(l, r) -> baumSumme l + baumSumme r
    | Blatt(x)  -> x

Ebenso gibt es Type Provider für die typsichere Verarbeitung externer Daten mit IntelliSense.[5]

In F# ist auch objektorientiertes Programmieren möglich. Beispiel für eine Klassendeklaration:

type Person =
    val name : string
    val mutable age : int
    new(n, a) = { name = n; age = a }
    member x.Name = x.name
    member x.Age
        with get() = x.age
        and set(v) = x.age <- v
    member x.Print() = printfn "%s ist %i Jahre alt." x.name x.age

Nullzeiger werden nur für die Interaktion mit Klassen aus dem .Net-Framework benötigt.

Syntax

Im F#-Code sind zwei Syntaxformen möglich: einfache Syntax und ausführliche Syntax. Die einfache Syntax wird standardmäßig verwendet.

Beispiel für die einfache und ausführliche Syntax:

einfache Syntaxausführliche Syntax
let mutable x = 1

while x < 3 do
    x <- x + 1

let mutable x = 1

while x < 3 do
    x <- x + 1
done

type Person =
    val name : string
    val mutable age : int

type Person =
class
    val name : string
    val mutable age : int
end

Bei der einfachen Syntax sind die Einrückungen zwingend erforderlich, bei der ausführlichen könnte man sie auch weglassen.

Entwicklungsumgebung und Compiler

F#-Code wird kompiliert, hierbei entsteht Zwischencode in der Common Intermediate Language (CIL), genau wie bei Programmen, die in C# oder VB.NET geschrieben wurden.

Es gibt auch eine interaktive Umgebung bzw. F#-Interpreter, F# Interactive oder kurz FSI. Damit kann man den Code direkt in der Konsole schreiben. Eingaben im Interpreter sind mit ;; abzuschließen, wodurch auch mehrzeilige Eingaben ermöglicht werden. Nach dem Kompilieren führt F# Interactive den Code aus und schreibt die Signatur aller kompilierten Typen und Werte in das Konsolenfenster. Auch Fehlermeldungen werden so ausgegeben.[6]

Dieser Interpreter erlaubt in unterstützten Editoren wie Visual Studio Code die Ausführung von Code ohne vorherige Kompilierung, so wie dies von dynamischen Sprachen bekannt ist.

Außerdem gibt es den Fable[7]-Übersetzer, mit dessen Hilfe sich F#-Code in JavaScript, Rust, Python, PHP und Dart übersetzen lässt.

Beispiele

Folgende Beispiele geben „Hello World“ aus.

let main = System.Console.WriteLine("Hello World")

oder

printfn "Hello World"

Die folgende Funktion implementiert die rekursive Ackermannfunktion:

let rec ack m n =
    if m = 0 then n + 1
    else if n = 0 then ack (m - 1) 1
    else ack (m - 1) (ack m (n - 1))

Literatur

  • Oliver Sturm: F# Einstieg und praktische Anwendung. entwickler.press, 2012, ISBN 978-3-86802-083-0.

Weblinks

  • F# Cheatsheet. In: Github. Abgerufen am 9. Juni 2020 (englisch).
  • The F# Survival Guide. CTO Corner, archiviert vom Original am 15. Juli 2011; abgerufen am 27. April 2014 (englisch).
  • The F# Software Foundation. Abgerufen am 5. Juni 2014 (englisch).
  • F# at Microsoft Research. Microsoft Research, abgerufen am 27. April 2014 (englisch, F#-Homepage von Microsoft Research).
  • F# compiler, Basisbibliothek und Tools auf GitHub. Abgerufen am 9. Juni 2020 (englisch).
  • F# Dokumentation. In: Microsoft Docs. Microsoft, abgerufen am 27. April 2014.
  • Scott Wlaschin: Twenty six low-risk ways to use F# at work. In: F# for fun and profit. 20. April 2014, abgerufen am 9. Juni 2020 (englisch).
  • Try F#. F# Software Foundation, abgerufen am 9. Juni 2020 (englisch). Interaktives Tutorial.

Belege

  1. ↑ Announcing F# 7. 9. November 2021, abgerufen am 14. September 2023 (amerikanisches Englisch).
  2. ↑ F# to ship as part of Visual Studio 2010. Don Syme’s WebLog on the F# Language and Related Topics
  3. ↑ Functional-first Programming with F#. Abgerufen am 14. September 2023 (amerikanisches Englisch).
  4. ↑ Unterscheidungs-Unions, auf learn.microsoft.com
  5. ↑ Type Provider
  6. ↑ Microsoft F# Interactive-Referenz
  7. ↑ Fable · JavaScript you can be proud of! Abgerufen am 14. September 2023.

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