4. Monaten und I/O
Anders als imperative Sprachen kennen funktionale Sprachen keine Seiteneffekte.
Während Funktionen in imperativen Sprachen z.B. globale Variablen manipulieren,
auf das Eingabe/Ausgabe-System des Betriebssystems zugreifen oder u.U. sogar
wild im Hauptspeicher herumschreiben können, stehen diese Möglichkeiten in
funktionalen Sprachen nicht zur Verfügung. Funktionen kommunizieren nur über ihre
Parameter und Rückgabewerte. Mehr noch: Da nur mit Definitionen gearbeitet wird,
besteht nicht einmal die Möglichkeit, Kommandos auszuführen oder für Operationen
eine Reihenfolge festzulegen. Dies ist vor allem dann problematisch, wenn es darum
geht, in einem Programm mit der "Außenwelt" zu kommunizieren, d.h. mit dem
Betriebssystem (und letztlich dem Anwender) gezielt Informationen auszutauschen.
Es gibt prinzipiell zwei Ansätze, dieses Problem zu lösen. Der erste ist, in die
funktionale Sprache eine imperative "Untersprache" zu integrieren, über die dann die
Kommunikation erfolgen kann. Der zweite besteht darin, die benötigten
Eigenschaften der imperativen Welt im Rahmen des funktionalen Paradigmas
nachzubilden. Während die meisten funktionalen Sprachen den ersten Weg
gegangen sind, ist in Haskell der zweite Ansatz verwirklicht. Dies geschieht, indem
das Konzept der Monade für den Zweck der Eingabe/Ausgabe-Steuerung verwandt
wird.
4.1 Grundkonzept der Monaden
Monaden sind Strukturen auf Typen, auf denen bestimmte Operationen definiert
sind. Besonders wichtig sind hierbei die Operatoren >>= ("bind") und >> sowie die
Funktion return. Generell sind nur sehr allgemeine Regeln für diese Operationen
festgelegt, die einen vielfältigen Einsatz der Monaden erlauben, aber gleichzeitig die
Interpretation des Konzeptes erschweren. Letztlich geht es hier aber darum, das I/O
System von Haskell und die Sequenzierung von Operationen als eine Anwendung
des Monadenkonzepts zu erkennen. Als Typklassen kann man Monaden so
deklarieren.
class Monad m where
(>>=) :: m a -> (a -> m b) -> m b
(>>) :: m a -> m b -> m b
return :: a -> m a
m >> k = m >>= \_ -> k
Es ist hilfreich, sich eine konkrete Monade als einen Behälter vorzustellen, der
Inhalte unterschiedlichen Typs enthalten kann. Dann kann man die oben deklarierten
Optionen so interpretieren:
return nimmt einen Wert vom Typ a and packt ihn in eine Monade vom Typ m a
ein. Diese Funktion dient also dazu, etwas in die Welt der Monaden einzuführen. >>=
nimmt den Wert aus der Monade, transformiert ihn anhand einer gegebenen
Funktion und packt das Ergebnis wieder in die Monade ein. Man könnte sagen, es
verursacht eine definierte "Inhalts"- oder "Zustands"-änderung in der Monade. >>
macht im Grunde dasselbe wie >>=, mit der Besonderheit, dass der vorherige
"Inhalt" der Monade keine Rolle spielt.
Um eine Hauptaufgabe der Monaden, die Sequenzierung, hervorzuheben, gibt es für
die beiden Operatoren eine alternative, suggestivere Schreibweise.
do e1; e2 = e1 >> e2
do p <- e1; e2 = e1 >>= \p -> e2
Dabei legt die erste Definition nahe, dass
>> der Hintereinanderauswertung (bzw.
-ausführung) von
e1 und
e2 dient. Die zweite Definition möchte als Entsprechung
der Wertzuweisung in imperativen Sprachen gesehen werden.
4.2 Das I/O System von Haskell
Das I/O System ist in eine Monade mit der Bezeichnung IO integriert. Einige
nützliche Funktionen im Rahmen dieser Monade sind z.B.
getChar :: IO Char
putChar :: Char -> IO ()
return :: a -> IO a
IO () steht dabei für die "leere" Monade, d.h. Funktionen, die keinen relevanten
Rückgabewert liefern, bilden auf diesen Typ ab. Wie zu erwarten fügt
getChar einen
Buchstaben aus der Standardeingabe in die
IO Monade ein,
putChar sendet einen
Buchstaben an die Ausgabe.
Es ist wichtig zu verstehen, dass eine Funktion, um das I/O System nutzen zu
können, selbst einen Ergebnistyp IO a haben muss. Insbesondere kann z.B. die
add Funktion niemals mit dem I/O System kommunizieren. Es ist also nicht möglich,
zu Debuggingzwecken Textausgaben über Funktionen zu verteilen.
Als Beispiel, wie man diese Monade nutzen kann, soll die Funktion getLine dienen,
die eine Zeile (bis zum Newline Code ´\n´) einliest. if/then/else ist dabei eine
Standardschreibweise in Haskell, die mit dem Monadenkonzept nichts zu tun hat und
genau so funktioniert, wie man es erwartet.
getLine :: IO String
getLine = do c <- getChar
if c==´\n´
then return ""
else do l <- getLine
return (c:l)
Es ist zu beachten, dass innerhalb des
else-Blocks ein neuer
do-Block begonnen
werden muss.
Die IO Monade beinhaltet eine dem Programmierer verborgene Struktur IOError,
die mögliche Fehler von I/O Operationen (Dateiende, etc.) protokolliert. Die Abfrage,
welcher Fehler aufgetreten ist, geschieht über vordefinierte Funktionen wie
isEOFError. Um den bei einer Aktion möglicherweise auftretenden Fehler
behandeln zu können, muss diese Aktion mit einer Fehlerbehandlungsroutine
verknüpft werden. Dies leistet die Funktion catch.
catch :: IO a -> (IOError->IO a) -> IO a
getChar1 = getChar `catch` (\e -> return ´\n´)
getChar1 liefert also im Falle eines Fehlers das Newline Symbol. Es besteht auch
die Möglichkeit, nicht behandelte Fehler an die aufrufende Ebene weiterzugeben.
Dazu dient die
ioError Funktion.
ioError :: IOError -> IO a
getChar2 = getChar `catch`
(\e -> (if isEofError e then return ´\n´ else ioError e))
4.3 Haskell und imperative Programmierung
Der mit do Blöcken formulierte I/O Code ähnelt - sicher nicht ungewollt - einem
imperativen Programm. Um dies zu verdeutlichen, ist hier noch einmal die
Funktionsdefinition von getLine angegeben und zum Vergleich dieselbe Funktion in
einer imperativen (Pseudo-)Sprache.
Haskell Code:
getLine = do c <- getChar
if c==´\n´
then return ""
else do l <- getLine
return (c:l)
imperativer Code:
String getLine()
{ c = getChar();
if c==´\n´
then return ""
else { l = getLine();
return (c:l); }}
"Hat Haskell also einfach das imperative Rad neu erfunden?" (Hudak u.a. (1999), S. 36)
University of Saskatchewan Archives.
