Въведение във функционалното програмиране със Scala

Инсталиране на Scala

Ще ни е нужна Java среда. Инсталирайте JDK (последната версия 21 работи перфектно, по-ранна също е ок)
- OpenJDK от вашата дистрибуция (Linux) или Adoptium Temurin
Не забравяйте да си зададете JAVA_HOME environment variable
Инсталирайте Coursier
Пуснете ./cs setup. Това ще ви инсталира няколко инструмента:
- scala
- scalac
- sbt
- scalafmt
- amm
- и други

IDE или текстов редактор

Използвайте вашето любимо IDE или редактор:

IntelliJ Community Edition
- инсталирайте Scala plugin-а към него
Metals – имплементация на Language Server Protocol. Работи с:
- Visual Studio Code
- Vim
- Emacs
- Sublime Text
- и други

Scala инструменти

Read-eval-print loop (REPL)

интерактивен езиков шел
стартира се от командния ред със scala

Hello World

object HelloWorld:
  def main(args: Array[String]): Unit =
    println("Hello, World!")

Компилиране и изпълнение

$ scalac HelloWorld.scala
$ scala HelloWorld
Hello, World!

Hello World (Scala 3)

@main
def hello = println("Hello, World!")

Компилиране и изпълнение

$ scalac HelloWorld.scala
$ scala hello
Hello, World!

Скриптове

$ scala HelloWorld.scala
Hello, World!

sbt, Scala/Simple Build Tool

build.sbt:

name := "hello-world"
version := "0.1"

scalaVersion := "3.3.1"

libraryDependencies ++= Seq(
  "org.scalatest" %% "scalatest" % "3.2.18" % Test
)

sbt – Директорийна структура

build.sbt
src/main/scala – основен код
src/test/scala - тестове

sbt команди

sbt <команда> – изпълнява командата
sbt – влиза в интерактивен режим
compile – компилира кода
run – изпълнява обект с main метод
console – стартира REPL, в който е достъпно всичко от кода
test – пуска всички тестове

Фиксиране на sbt версия

project/build.properties:

sbt.version=1.9.8

Тестове

Използваме библиотеката ScalaTest

import org.scalatest.flatspec.AnyFlatSpec
import org.scalatest.matchers.should.Matchers

class ExampleSpec extends AnyFlatSpec with Matchers:
  "+" should "sum two numbers" in {
    2 + 3 shouldBe 5
  }

Форматиране

$ scalafmt

Конфигурира се през .scalafmt файл.

Вижте повече в документацията
(включително как да си го пуснете в IDE-то).

Включване на Java библиотеки

build.sbt:

name := "hello-world"
version := "0.1"

scalaVersion := "3.3.1"

libraryDependencies ++= Seq(
  // Java библиотека, може да се използва директно в Scala код
  "com.google.guava" % "guava" % "30.1-jre",

  // Scala библиотека,чрез %% sbt успява вземе артефакта за правилната версия на Scala
  "org.typelevel" %% "cats-core" % "2.10.0",

  // Test посочва, че библиотеката ще е налична само за тестовете (в src/test/scala)
  "org.scalatest" %% "scalatest" % "3.2.18" % Test
)

Представете ни се за бонус точка

Споделете няколко думи за себе си и своите интереси и качете снимка с инсталирана и работеща Scala в #да-се-представим в Slack за 1 бонус точка.

Scala

Типове и литерали

Boolean (8 bits) – true, false
Char (16 bits) – 'a', '\n'
Числови типове
- Byte (8 bits)
- Short (16 bits)
- Int (32 bits) – 42, 0x2A
- Long (64 bits) - 100000L, 0x186A0L
- Float (32 bits) – 3.14f
- Double (64 bits) – 3.14
String – "Hey :)!"

Дефиниции

val a = 10 * 2 // неизменима променлива – винаги сочи към една и съща стойност
var b = 20 * 4 // изменима променлива – може да бъде пренасочвана
def c = 30 * 8 // стойността се преизчислява при всяко използване, не заема памет

a = 100 // error: reassignment to val
b = 200 // успешно

Type inference

// компилаторът сам открива типа на променливите – String и Int
val inferred = "Hello, hello, hello"
def inferredSize = inferred.size

// типът се задава явно
val explicit: String = "Is there anybody in there?" 
def explicitSize: Int = explicit.size

Функции

def fortyTwo = 42
def sum(a: Int, b: Int) = a + b

sum(fortyTwo, 58) // 100

Посочването на типовете на параметрите е задължително

// посочването на типа на връщания резултат е опционално,
// но препоръчително за публични функции
def twice(str: String): String = str * 2
twice(":)") // ":):)"

println("You can see me on your screen :P") // Функциите могат да имат странични ефекти

Къде живеят дефинициите?

В блок
Като членове на класове, обекти и др.
(от Scala 3) на топ ниво на файл

Блокове

def solveQuadraticEquation(a: Double, b: Double, c: Double) = {
  def squared(n: Double) = n * n
  
  val discriminant = squared(b) - 4 * a * c
  val discriminantSqrt = math.sqrt(discriminant)

  val firstSolution = (-b - discriminantSqrt) / (2 * a)
  val secondSolution = (-b + discriminantSqrt) / (2 * a)
   
  (firstSolution, secondSolution) // Наредена двойка. Повече за тях по-късно в курса :)
}

Членове

object TestApp:
  val a = 10 * 2
  var b = 20 * 4
  def c = 30 * 8

  def sum = a + b + c

  @main
  def main(args: Array[String]) = println("The sum is: " + sum)

Топ ниво във файл

TestApp.scala:

val a = 10 * 2
var b = 20 * 4
def c = 30 * 8

def sum = a + b + c

@main def printSum = println("The sum is: " + sum)

Файлове и пакети

Класовете, обектите, а от Scala 3 всички дефиниции,
се поставят във файл със .scala разширение.

Всеки от тях принадлежи на определен пакет,
който се отбелязва преди дефинициите:

package com.scalafmi

val a = 10 * 2
var b = 20 * 4
def c = 30 * 8

def sum = a + b + c

@main def printSum = println("The sum is: " + sum)

Конвенция е файловете да се намират в директория,
съответстваща на пакета им.

Още дефиниции

type Person = String
type Address = String

def describe(name: Person, address: Address) = name + "'s address is: " + address

describe("Viktor", "Pazardzhik") // "Viktor's address is: Pazardzhik"

val ThisIsAConstantByConvention = 3.14 // имената на константите започват с главна буква

Още низови литерали

Интерполация
raw низове
Многоредови низове

Интерполация

def describe(name: Person, address: Address, age: Int) =
  s"$name's address is: ${twice(address)}. He is $age years old"

// "Viktor's address is: PazardzhikPazardzhik. He is 25 years old"
describe("Viktor", "Pazardzhik", 25)

raw низове

val evilLaughter = "Muhahahaha :D!"
raw"Escaping has no\\power \t here\n. $evilLaughter" // Escaping has no\\power \t here\n. Muhahahaha :D!
"Escaping works \\ \there\n" // Escaping works \     here<newline>

Полезно за регулярни изрази и други

Многоредови низове

val sql = """
    SELECT id, name, address, age
    FROM Person
    WHERE hometown = 'Varna'
    """

Премахване на интервалите в началото:

 val sql =
   """SELECT id, name, address, age
      |FROM Person
      |WHERE hometown = 'Varna'
      |""".stripMargin

Всяка стойност е обект

Включително тези на основните типове

-42.abs // 42
1.to(10) // Range 1 to 10 (inclusive)
1.until(10) // Range 1 until 10
1.+(2) // 3, всички оператори са също методи!
4.*(5) // 20

Инфиксен запис (само за методи на един параметър)

1 to 10 // Range 1 to 10 (inclusive)
1 until 10 // Range 1 until 10
1 + 2 // 3
4 * 5 // 20

Да, имената могат да са символни:

val ==> = "An arrow"
def **(a: Double, b: Double): Double = math.pow(a, b)

**(2.0, 10.0) // 1024.0

Не могат да се смесват с букви/цифри:

val **Power = "**" // грешка!

`if` конструкция

val n = 72

if n > 42 then "Greater than the ultimate answer"
else if n == 42 then "The answer"
else "Not there yet"

Всичко е израз

И си има стойност и тип

val n = 72

val evaluation =
  if n > 42 then "Greater than the ultimate answer"
  else if n == 42 then "The answer"
  else "Not there yet"

evaluation // Greater than the ultimate answer

def fact(n: Int): Int =
  if n <= 1 then 1
  else n * fact(n - 1)

В Java (и други)

public int maxSquared(int a, int b) {
  int max;
  
  if (a > b) {
    max = a;
  } else {
    max = b;
  }

  return max * max;
}

В Java сме задължени да извършим мутация/страничен ефект в if

В Scala

def maxSquared(a: Int, b: Int) = {
  val max = if a > b then a else b
  max * max
}

В Scala изглежда по-математично и ясно

Блоковете също са изрази!

val a = 2
val b = 10
val c = 5

val discriminantSqrt = {
  val discriminant = b * b - 4 * a * c

  math.sqrt(discriminant)
}

def maxSquared(a: Int, b: Int) = {
  val max = if a > b then a else b
  max * max
}

Оценяват се до последния statement в тях

Блоковете като изрази (допълнение)

def squared(n: Int) = n * n

squared(10)
squared({
  val complicatedCalculation = 1 + 2 + 3 + 4

  complicatedCalculation / 2 
})

squared {
  val complicatedCalculation = 1 + 2 + 3 + 4

  complicatedCalculation / 2 
}

println {
   val result = squared(42)

   s"The result is: $result"
}

При функции на един параметър Scala ни позволява
да пропускаме кръглите скоби

Блокове чрез индентация

Scala 3 ни позволява вместо чрез скоби да определяме блокове чрез индентация:

def solveQuadraticEquation(a: Double, b: Double, c: Double) =
  def squared(n: Double) = n * n
  
  val discriminant = squared(b) - 4 * a * c
  val discriminantSqrt = math.sqrt(discriminant)

  val firstSolution = (-b - discriminantSqrt) / (2 * a)
  val secondSolution = (-b + discriminantSqrt) / (2 * a)
   
  (firstSolution, secondSolution) // Наредена двойка. Повече за тях по-късно в курса :)

val theAnswerSquared =
  val a = 42
  a * a

Блокове чрез индентация

if n > 42 then 
  val greater = "Greater"
  s"$greater than the ultimate answer"
else if n == 42 then "The answer"
else "Not there yet"

От тук нататък ще използваме само този стил

От Scala 3.3 може да го правим и при аргументи на функция:

println {
  val result = squared(42)
  
  s"The result is: $result"
}

// ->

println:
  val result = squared(42)
  
  s"The result is: $result"

Типова йеархия

`Any`

Родител на всички други типове

Сравнение по стойност: ==, !=

  42 == 84 / 2 // true
  "Abc" != "Абв" // true

Hash код: ##

  "Have a good day :)!".## // -244558110
  10.0.## // 10

isInstanceOf[T], asInstanceOf[T]
toString

`AnyVal` и `AnyRef`

JVM разделя типовете на примитивни и референтни
Примитивните (AnyVal) се съхраняват в променливи чрез тяхната стойност
Стойността на референтните (AnyRef) се съхранява в Heap-а като обект
- Променливите съхраняват референция към този обект
- Обектите подлежат на Garbage Collection

`AnyVal` и `AnyRef`

val i = 42
val j = i

val strA = "Hello, Goodbye"
val strB = strA

val arr1 = Array(1, 2, 3)
val arr2 = arr1
arr2(0) = 100

Java Memory Model

`AnyRef` – референция vs стойност

val name = "Tihomira"
s"Hello $name" == s"Hello $name" // true
s"Hello $name" eq s"Hello $name" // false

Типова йеархия

println???

Какъв е типът на:

println(":)")

`Unit`

Съдържа една единствена стойност – ()
Изразява страничен ефект

val printed: Unit = println(":)")

var mutable = 10
val mutationResult: Unit = mutable = 20

val a = 10
val b = 20

// Конвенция за функции без аргументи
def mult = a * b // Чисти функции пишем без скоби
def printMult() = println(a * b) // Функции със странични ефекти пишем със скоби

`Null`

Съществува единствено заради съвместимост с Java
Всички AnyRef типове имат null стойност
В Scala я избягваме колкото можем

`Nothing`

Подтип на всички други типове
Няма нито една стойност от тип Nothing

Необходим за цялостност на някои изводи на ниво типова система

Тип на изключенията?

throw new RuntimeException()

def fail(reason: String): Nothing = throw new RuntimeException(reason)

def failingSqrt(n: Int) =
  if n >= 0 then math.sqrt(n)
  else fail(s"Square root of $n is not real")

failingSqrt(-1) // Какъв е типът?

Filling the blanks

def ??? : Nothing = throw new NotImplementedError

def twice(n: Int): Int = ???
def fib(n: Int): Int = ???

def fibDoubled(n: Int): Int = twice(fib(n)) // Компилира се

`if` с разнородни типове

if 42 > 0 then true else 0
if 42 > 0 then "String" else println("String")
if 42 > 0 then 0

if 42 > 0 then true else 0 // AnyVal
if 42 > 0 then "String" else println("String") // Any
if 42 > 0 then 0 // AnyVal; else частта се счита за Unit

Досега

Scala
Scala toolset
Типове и литерали. Низови литерали
Дефиниции – val, var, def, type. Функции
Type inference
Файлове и пакети
Всяка стойност е обект. Инфиксно извикване на методи
Всичко е израз (със стойност и тип) или дефиниция
if конструкция, блокове (и те са изрази 😊)
Типова йеархия
Any, AnyVal, AnyRef, Unit, Nothing, Null
Memory model на JVM

Днес

Pattern matching
Малко конструкции със странични ефекти
Съставни типове и колекции
Функционални конструкции
Няколко задачки
Други благинки при дефиниране на функции
(днес или сряда) Какво всъщност е ФП

Pattern Matching

def stringify(n: Int): String = n match
  case 1 => "One"
  case 2 => "Two"
  case 3 => "Three"
  case _ => "I can only count to three :("

stringify(2) // Two

def parseBoolean(boolean: String): Boolean =
  boolean match
    case "true" | "True" | "TRUE" => true
    case "false" | "False" | "FALSE" => false
    case _ => false

parseBoolean("True") // true

Pattern Matching

def toInteger(value: Any): Int =
  value match
    case n: Int => n
    case s: String => s.toInt
    case d: Double => d.toInt

toInteger("42") // 42

Конструкции със странични ефекти

while

var i = 0

while i < 10 do
  println(i)
  i += 1

println(i)

// 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Прихващане на изключения

val parsedResult =
  try "42L".toInt
  catch
    case e: NumberFormatException => 0

parsedResult // 0

for

for
  i <- 1 to 4
do println(i)

// 1 2 3 4

for - съставни части

генератори
филтри
дефиниции

for 
  i <- 1 to 4 // генератор
  if i % 2 == 0 // филтър 
  c <- 'a' to 'c' // генератор
  s = s"$i$c" // дефиниция
do println(s)

// 2a 2b 2c 4a 4b 4c

Съставни типове

Наредени n-торки (Tuples)

val person: (String, Int, String) = ("Ivan", 27, "Sofia")

def greeting(person: (String, Int, String)): String =
  s"Hello, I am ${person._1} from ${person._3}. I am ${person._2} years old"

Хетерогенен тип с фиксиран размер

Хомогенни колекции

Range, List[A], Set[A], Map[K, V]

Range – целочислен интервал

scala> (1 to 10)
val res0: scala.collection.immutable.Range.Inclusive = Range 1 to 10

scala> (1 until 10)
val res1: scala.collection.immutable.Range = Range 1 until 10

List[A] – нареден списък

val xs = List(1, 2, 3)
xs.head // 1

val specialSyntax = 1 :: 2 :: 3 :: Nil
specialSyntax.head // 1

// оператори, завършващи с `:`, се прилагат върху обекта отдясно
val specialSyntaxActual = Nil.::(3).::(2).::(1)

Хомогенни колекции

Set[A] – множество (без наредба)

val set = Set(10, 11, 12)
set(11) // true
set(20) // false

Map[K, V] – речник (без наредба)

val numberToString: Map[Int, String] = Map(1 -> "One", 2 -> "Two", 3 -> "Three")
numberToString(1) // "One"

Операции върху колекции

val xs = List(1, 2, 3, 4, 5)

xs.isEmpty // false
xs.size // 5
xs.head // 1
xs.tail // List(2, 3, 4, 5)
xs.take(3) // List(1, 2, 3)
xs.drop(2) // List(3, 4, 5)
xs.sum // 15; работи само за колекции от числени елементи

Map е колекция от tuple-и

Map(1 -> "One", 2 -> "Two", 3 -> "Three").head // (1, "One")

String е колекция от Char

"abcdef".head // 'a'
"abcdef".drop(2) // "cdef"

Range и List[A] са подтипове на Seq[A]

def sum(xs: Seq[Int]): Int = ???

def sum(xs: Seq[Int]): Int =
  if xs.isEmpty then 0
  else xs.head + sum(xs.tail)

sum(1 to 10) // 55
sum(List(1, 2, 3, 4)) // 10

Подобно на List, имаме и оператор за добавяне на елемент към Seq:

1 +: 2 +: Seq.empty // Seq(1, 2)
1 +: 2 +: Seq(3, 4, 5) // Seq(1, 2, 3, 4, 5)

Задача

Напишете функция, проверяваща, че скобите в един израз са балансирани

def balanced(e: List[Char]): Boolean = ???

Типови параметри

List[A], Set[A], Map[K, V] са параметризирани типове

type дефинициите също могат да приемат параметри:

type Index[V] = Map[Int, V]

def retrieveLast[V](index: Index[V]): V = index(index.keys.max)

retrieveLast(Map(5 -> "Five", 1 -> "One")) // Five

Функционален for :)

val squared = for
  x <- List(1, 2, 3, 4)
yield x * x

squared // List(1, 4, 9, 16)

Функционален for

val result = for
  x <- List(1, 2, 3, 4, 5)
  if x % 2 != 0
  y <- List(x, x * 2, x * 3)
yield (x, y)

result // List((1,1), (1,2), (1,3), (3,3), (3,6), (3,9), (5,5), (5,10), (5,15))

Задача

Генерирайте всички възможни поднизове на даден низ

def substrings(str: String): Seq[String] = ???

Scala 2 и Scala 3 синтаксис

Scala 3 въведе опростение на синтаксиса на езика с цел четимост
Optional braces
Блокове чрез индентация
if без скоби, но с then
Все още доста код и документация са написани на стария синтаксис. Та нека да се запознаем с него

Braces – опционални в Scala 3

def discriminantSqrt(a: Double, b: Double, c: Double) =
  val discriminant = b * b - 4 * a * c

  math.sqrt(discriminant)

object HelloWorld:
  def sayHiTo(name: String) = s"Hi $name!"
  
  def sayHiToTheWorld = sayHiTo("World")

booleanString match
  case "true" | "True" | "TRUE" => true
  case "false" | "False" | "FALSE" => false
  case _ => false

try "42L".toInt
catch
  case e: NumberFormatException => 0

Braces – задължителни в Scala 2

def discriminantSqrt(a: Double, b: Double, c: Double) = {
  val discriminant = b * b - 4 * a * c

  math.sqrt(discriminant)
}

object HelloWorld {
  def sayHiTo(name: String) = s"Hi $name!"

  def sayHiToTheWorld = sayHiTo("World")
}

booleanString match {
  case "true" | "True" | "TRUE" => true
  case "false" | "False" | "FALSE" => false
  case _ => false
}

try "42L".toInt
catch {
  case e: NumberFormatException => 0
}

Контролни структури – Scala 3

for
  x <- List(1, 2, 3, 4, 5)
  if x % 2 != 0
  y <- List(x, x * 2, x * 3)
yield (x, y)

for 
  i <- 1 to 4
do println(s)

while i < 10 do
  println(i)
  i += 1

if n > 42 then "Greater than the ultimate answer"
else if n == 42 then "The answer"
else "Not there yet"

Контролни структури – Scala 2

for {
  x <- List(1, 2, 3, 4, 5)
  if x % 2 != 0
  y <- List(x, x * 2, x * 3)
} yield (x, y)

for {
  i <- 1 to 4
} println(s)

while (i < 10) {
  println(i)
  i += 1
]

if (n > 42) "Greater than the ultimate answer"
else if (n == 42) "The answer"
else "Not there yet"

Блокове и контролни структури –
Scala 3

if n > 42 then
  val difference = n - 42
  "Greater than the ultimate answer with difference of $difference"
else if n == 42 then "The answer"
else "Not there yet"

for
  x <- List(1, 2, 3, 4, 5)
  if x % 2 != 0
  y <- List(x, x * 2, x * 3)
yield
  val firstElement = s"x: $x"
  val secondElement = s"y: $x"

  (firstElement, secondElement)

Блокове чрез индентация – приложимо при
всички контролни структури

Блокове и контролни структури –
Scala 2

if (n > 42) {
  val difference = n - 42
  "Greater than the ultimate answer with difference of $difference"
} else if (n == 42) "The answer"
else "Not there yet"

for {
  x <- List(1, 2, 3, 4, 5)
  if x % 2 != 0
  y <- List(x, x * 2, x * 3)
} yield {
  val firstElement = s"x: $x"
  val secondElement = s"y: $x"

  (firstElement, secondElement)
}

Блокове чрез скоби – приложимо навсякъде,
където е необходима стойност

Консистентен синтаксис

Scala 3 приема и двата синтаксиса

В курса ще използваме консистентно новия

В build.sbt:

scalacOptions ++= Seq(
  "-new-syntax",
)

„Харесвам си къдравите скоби :)“

Тогава може да конфигурирате scalafmt с тях и да забраните блоковете чрез индентация (в build.sbt):

scalacOptions ++= Seq(
  "-no-indent",
)

(инструкции за миграция между двата синтаксиса)

Fewer braces – Scala 3.3

println {
  val result = squared(42)
  
  s"The result is: $result"
}

// ->

println:
  val result = squared(42)
  
  s"The result is: $result"

Още нямаме мнение, ще го открием с вас

Още за функциите

типови параметри
overloading
default стойности на параметрите
именувани аргументи
променлив брой параметри

Полиморфизъм чрез типови параметри

def repeat[A](value: A, times: Int): List[A] =
  if times == 0 then List.empty // or List.empty[A], but A is inferred
  else value :: repeat(value, times - 1)

repeat("Hello", 3) // List("Hello", "Hello", "Hello")

Полиморфизъм чрез overloading

def twice(n: Int) = n * 2
def twice(d: Double) = d * 2
def twice(str: String) = str * 2

twice(10) // 20
twice(10.0) // 20.0
twice("10") // "1010"

Default стойности на параметрите

def enlist(items: List[String], separator: String = ", ") = items.mkString(separator)

val ingredients = List("1 egg", "200 ml milk", "1/2 cup of sugar", "2.5 cups of flour")
enlist(ingredients) // 1 egg, 200 ml milk, 1/2 cup of sugar, 2.5 cups of flour
enlist(ingredients, ";") // 1 egg;200 ml milk;1/2 cup of sugar;2.5 cups of flour

Именувани аргументи

def draw(
  text: String,
  textColour: String = "Blue", 
  backgroundColour: String = "White"
): String =
  s"This is the text $text written with $textColour letters on $backgroundColour background"

draw("Hello")
draw("Hello", backgroundColour = "Cyan")
draw(backgroundColour = "Purple", textColour = "White", text = "Hello")

Променлив брой параметри

def enlist(first: String, rest: String*) = (first +: rest).mkString(", ")

// 1 egg, 200 ml milk, 1/2 cup of sugar, 2.5 cups of flour
enlist("1 egg", "200 ml milk", "1/2 cup of sugar", "2.5 cups of flour")

val ingredients = List("1 egg", "200 ml milk", "1/2 cup of sugar", "2.5 cups of flour")
// A pinch of love, 1 egg, 200 ml milk, 1/2 cup of sugar, 2.5 cups of flour
enlist("A pinch of love", ingredients*)

enlist("A cake") // A cake
enlist() // не се компилира

Функционално програмиране

Какво е функция?

Според математиката:
Релация на две множествена X и Y, съпоставяща
елементи от X към елементи от Y

Функциите са:

детерминистични – един и същи вход винаги води до един и същи изход
чисти – без странични ефекти
тотални – дефинирани за всеки вход (good to have)

Функционално срещу императивно

Императивни програми

командваме компютъра какво да направи
- постъпкови инструкции (statement-и)
- изпълнявани във времето
- редът е важен и всеки statement зависи от всички предишни
„места“ (places), съдържащи данни, които се променят постоянно
- пести памет и позволява по-добър контрол над памметта
- полезно при оптимизации
трудни за проследяване – трябва да имаме предвид всяка една стъпка и реда на всички стъпки

Умни хора

Rich Hickey

“Software is not about memory places”

The heart of a software is working with information
- and transforming information to something useful
Information is a collection of facts
- data, events, actions, time passing, …
Which lead to derived (often aggregated) facts and actions taken
- actions from software perspective is sending a derived fact to another component/system
Facts are values
They don’t change!

“The Value of Values”, Rich Hickey

Функционални програми

описват трансформации на стойности
декларативно – описваме проблема чрез “какво” желаем да получим, а не “как”
изразите са единственото, определящо зависимости
```
val a = 10
val b = 40
val c = 50

val x = a + c
val y = b * 40

val z = y * x * x
```
- нищо не се променя, единствено се генерират нови стойности

Функционални програми

лесни за проследяване и за разсъждаване върху тях
- всяка променлива винаги съдържа една стойност
- …и има един смисъл
- информацията е неизменима
- липсват странични ефекти
- времето е „спряло“

Функционални програми

лесна композиция на отделните части
- Важна е единствено тяхната стойност
- Нужно е само да съвпаднат типовете
- “Guided by the types”

Функционални програми

Constraints enable!

Но… нещата не се ли променят с времето?

val oldZdravko = Person("Zdravko", 32, "Varna", "Bulgarian")
val newZdravko = oldZdravko.copy(age = 33, address = "Sofia")

oldZdravko.sayHiTo(newZdravko) // и двете версии на Здравко продължават да съществуват

и двете версии са факт, който е бил актуален в даден момент
неизменимите стойности ни дават моментна снимка във времето
нещо, което има идентичност и се изменя във времето, се нарича “entity”
- често ни интересува само последното му състояние
- но предишните му съществуват като факти и носят допълнителна информация

Функционалното програмиране работи с факти

Програма без странични ефекти програма ли е?

Ще разгледаме множество функционални средства за ограничаване на страничните ефекти само до определени места

„Програма като стойност“

Functional Wizard

Controls time & space

Има място и за двете

Императивното е незаминимо при някои алгоритми и оптимизации
Функционалното прави останалите части на програмата по-ясни
- ясна композитност между компоненти

“If a tree falls in a forest and no one is around to hear it, does it make a sound?”

Напълно приемлово е функция да използва mutable state,
ако е само вътрешен за нея

Тоест не може да бъде наблюдаван външно

Как да пишем функционално?

Основни подходи
- Рекурсия
- Функциите като първокласни обекти
- Функции от по-висок ред
- Неизменими структури от данни
- Композитност
Дизайн чрез типове и данни. Средства за трансформация на данни
Работа с грешки и изключителни ситуации
Контрол над страничните ефекти и ограничаването им
Абстракции от по-висок ред

Модел на изчисление

Колко от вас са учили СЕП?

Substitution model (операционна семантика)

def max(a: Int, b: Int) = if a > b then a else b

max(3 * 4, 2 * 3)

Предаване на параметрите по стойност

max(3 * 4, 2 * 3)
max(12, 6)
if 12 > 6 then 12 else 6
if true then 12 else 6
12

Предаване на параметрите по име

max(3 * 4, 2 * 3)
if (3 * 4) > (2 * 3) then (3 * 4) else (2 * 3)
if (12) > (6) then (3 * 4) else (2 * 3)
if true then (3 * 4) else (2 * 3)
3 * 4
12

Предаване на параметрите по име

def max(a: => Int, b: => Int) = if a > b then a else b

max(3 * 4, 2 * 3)

Предаване на параметрите по име

def ||(a: Boolean, b: => Boolean): Boolean = if a then true else b

||(true, {
  println("Won't be printed")
  false
}) // true

||(false, {
  println("Will be printed")
  false
}) // false

Предаване на параметрите по име

def describeByValue(items: List[Int], evaluation: Int): String = 
  if items.isEmpty then "No items available"
  else s"Items: ${items.mkString(", ")} are evaluated to $evaluation"

def describeByName(items: List[Int], evaluation: => Int): String =
  if items.isEmpty then "No items available"
  else s"Items: ${items.mkString(", ")} are evaluated to $evaluation"

def avg(xs: List[Int]) = xs.sum / xs.size

val someItems = List(1, 2, 3)
describeByName(someItems, avg(someItems)) // Items: 1, 2, 3 are evaluated to 2
describeByValue(someItems, avg(someItems)) // Items: 1, 2, 3 are evaluated to 2

val noItems = List.empty[Int]
describeByName(noItems, avg(noItems)) // No items available
describeByValue(noItems, avg(noItems)) // java.lang.ArithmeticException: / by zero

Защо ни е нужно по име?

short circuiting и собствени контролни структури
```
fastComputation orElse longComputation
```
Отлагане на изчисления
- безкрайни структури от данни
- изпълнение по-късно или в друга нишка
Повторно изпълнение на изрази със странични ефекти

Модел на изчисление в Haskell

def squared(n: => Int): Int =
  lazy val nValue = n
  nValue * nValue

Референтна прозрачност

Израз е референтно прозрачен, ако може да бъде заменен от своята стойност без това да променя поведението на програмата

Substitution модела работи само за референтно прозрачни изрази

Референтна прозрачност

// 1
val a = 1 + 2
List(а, a)

// 2
List(1 + 2, 1 + 2)

// 3
List(3, 3)

Референтна прозрачност

// 1
val a = {
  println("Hey there!")
  1 + 2
}

List(a, a)

// 2
List({
  println("Hey there!")
  1 + 2
}, {
  println("Hey there!")
  1 + 2
})

// 3

List(3, 3)

Изключенията не са референтно прозрачни

def exceptionThrowingFails(x: String): String =
  val y: String = throw new Exception()
  
  try x + y
  catch
    case _: Exception => ""

def exceptionThrowingComputes(x: String): String = 
  try x + (throw new Exception())
  catch 
    case _: Exception => ""

Въведение във функционалното програмиране със Scala

Инсталиране на Scala

IDE или текстов редактор

Scala инструменти

Read-eval-print loop (REPL)

Hello World

Компилиране и изпълнение

Hello World (Scala 3)

Компилиране и изпълнение

Скриптове

sbt, Scala/Simple Build Tool

sbt – Директорийна структура

sbt команди

Фиксиране на sbt версия

Тестове

Форматиране

Включване на Java библиотеки

Представете ни се за бонус точка

Scala

Типове и литерали

Дефиниции

Type inference

Функции

Къде живеят дефинициите?

Блокове

Членове

Топ ниво във файл

Файлове и пакети

Още дефиниции

Още низови литерали

Интерполация

raw низове

Многоредови низове

Всяка стойност е обект

Да, имената могат да са символни:

if конструкция

Всичко е израз

В Java (и други)

В Scala

Блоковете също са изрази!

Блоковете като изрази (допълнение)

Блокове чрез индентация

Блокове чрез индентация

Типова йеархия

Any

AnyVal и AnyRef

AnyVal и AnyRef

Java Memory Model

Java Memory Model

AnyRef – референция vs стойност

Типова йеархия

println???

Unit

Null

Nothing

Тип на изключенията?

Filling the blanks

if с разнородни типове

Досега

Днес

Pattern Matching

Pattern Matching

Конструкции със странични ефекти

while

Прихващане на изключения

for

for - съставни части

Съставни типове

Наредени n-торки (Tuples)

Хомогенни колекции

Хомогенни колекции

Операции върху колекции

Map е колекция от tuple-и

String е колекция от Char

Range и List[A] са подтипове на Seq[A]

Задача

Типови параметри

Функционален for :)

Функционален for

Задача

`if` конструкция

`Any`

`AnyVal` и `AnyRef`

`AnyVal` и `AnyRef`

`AnyRef` – референция vs стойност

`Unit`

`Null`

`Nothing`

`if` с разнородни типове

Блокове и контролни структури –
Scala 3

Блокове и контролни структури –
Scala 2