Luku 1.6: Aliohjelmien käyttö

Tästä sivusta:

Pääkysymyksiä: Miten käynnistän (toisen valmiiksi tekemän) toiminnon? Miten välitän sille parametreja ja näen mitä se sai aikaan?

Mitä käsitellään? Aliohjelmia. Vaikutukselliset vs. vaikutuksettomat aliohjelmat. Aliohjelman kutsuminen: parametrit ja palautusarvot. Sisäkkäiset kutsut. Unit-arvo.

Mitä tehdään? Ohjelmoidaan REPLissä ja luetaan.

Suuntaa antava työläysarvio:? Tunnista puoleentoista. Käytännön harjoitusten lisäksi hankalahkossa (mutta tarpeellisessa) käsitteistössä on setvimistä.

Pistearvo: A20.

Oheisprojektit: Aliohjelmia (uusi).

Muuta: Eräissä tämän luvun kohdissa on kaiuttimista tai kuulokkeista hyötyä. Aivan pakolliset ne eivät ole.

Johdanto

Tämä ja kaksi seuraavaa lukua käsittelevät aliohjelmia (subprograms).

Aliohjelma on toteutus jollekin tietylle toiminnolle. Aliohjelma voi esimerkiksi laskea ohjelman tarvitseman laskutoimituksen tuloksen, muuttaa tietokoneen muistissa olevia tietoja jollain tarkoituksenmukaisella tavalla, tulostaa jotakin näytölle tai jonkin yhdistelmän edellisistä.

Ohjelmoija voi itse laatia uusia aliohjelmia ja käyttää niitä; hän voi myös käyttää toisten laatimia aliohjelmia. Kokonaisia ohjelmia rakennetaan aliohjelmia yhdistelemällä. Muun muassa GoodStuff-ohjelmassa on useita yhteen toimivia aliohjelmia, mutta niihin pääsemme käsiksi vasta toisella kierroksella. Tarkoitus on edetä seuraavasti:

• Tämä luku käsittelee sitä, miten voit käyttää jo valmiiksi luotuja aliohjelmia. Tässä vaiheessa emme vielä välitä siitä, miten käyttämämme aliohjelmat on tehty.
• Ensimmäisen kierroksen päättävissä luvuissa 1.7 ja 1.8 tutustut eräiden valmiiksi määriteltyjen aliohjelmien toteutukseen eli siihen, miten aliohjelmat on sisäisesti rakennettu ja miten ne toimivat ohjelmaa ajettaessa. Samalla pääset harjoittelemaan omienkin aliohjelmien laatimista.

Aliohjelmat ovat viimeinen niistä palasista, jotka tarvitsemme ryhtyäksemme opettelemaan laajemman ohjelmakokonaisuuden laatimista olio-ohjelmoinnin keinoin seuraavalla kierroksella.

Alkuvalmistelut

Tässä luvussa tarvitset uutta oheisprojektia nimeltä Aliohjelmia, johon on koottu sekalaisia aliohjelmia koekäyttöä varten. Noudata luvusta 1.2 tuttuja vaiheita (joista alla pikakertaus) noutaaksesi projektin Eclipseen ja ottaaksesi sen sisältämät aliohjelmat käyttöön REPLissä.

1. Nouda projekti Eclipseen:

   1. Poimi projektin sisältävä zip-paketti käyttämällesi koneelle. Linkki löytyy luvun alun kohdasta Oheisprojektit.
   2. File ‣ Import...
   3. Existing Projects into Workspace ja Next.
   4. Select archive file ja valitse kyseinen zip-tiedosto.
   5. Varmista, että Aliohjelmia on valittuna ja paina Finish.

2. Käynnistä REPL näin:

   1. Valitse Window ‣ Show View ‣ other... ‣ Scala Interpreter tai paina Alt+F11.
   2. Valitse Aliohjelmia.

3. Kirjoita REPLiin seuraavat käskyt (muista alaviivat):

   import o1._
   import o1.aliohjelmia._
   

Aliohjelmaesimerkki

Ajatellaan tilannetta, jossa meillä on lukuja, vaikkapa mittaustuloksia, tallennettuna puskuriin. Esimerkiksi näin:

val tulokset = Buffer(-2, 0, 10, -100, 50, 100, 5, -5, 2)tulokset: Buffer[Int] = ArrayBuffer(-2, 0, 10, -100, 50, 100, 5, -5, 2)

Oletetaan vielä, että puskuriimme tallennetut negatiiviset luvut ovat kirjauksia epäonnistuneista mittauksista ja ne halutaan nyt poistaa puskurista.

On mahdollista määritellä aliohjelma, joka hoitaa negatiivisten lukujen poistamisen mistä tahansa puskurista. Tällainen aliohjelma onkin valmiiksi määritelty Aliohjelmia-projektiin. Aliohjelman nimi on poistaNegatiiviset ja toiminta-ajatus seuraava:

• Kun aliohjelmaa käytetään, sille annetaan parametriksi viittaus johonkin sellaiseen puskuriin, joka sisältää kokonaislukuja.
• Aliohjelma muokkaa tuota puskuria poistamalla siitä kaikki negatiiviset luvut.

Aliohjelman kutsuminen ja parametrit

Kun määräämme ohjelmakoodissa tietokoneen suorittamaan jonkin aliohjelman, sanotaan, että kutsumme tuota aliohjelmaa (call, invoke, joskus myös apply). Kokeillaan nyt kutsua poistaNegatiiviset-aliohjelmaa. Se onnistuu helposti:

poistaNegatiiviset(tulokset)

Aliohjelman kutsumiskäsky koostuu aliohjelman nimestä ja suluissa olevasta parametrilausekkeesta.

Tässä tapauksessa parametrilausekkeita on vain yksi. Sen arvo on viittaus edellä luotuun puskuriin. Tämä viittaus välitetään aliohjelman käytettäväksi.

poistaNegatiiviset-kutsun suorittavalla käskyllä ei itsellään ole arvoa (tai ainakaan merkityksellistä arvoa; tästä lisää jäljempänä) samassa mielessä kuin vaikkapa lausekkeella 1 + 1. Niinpä REPL vastaa tyhjää. Kuitenkin voimme katsoa muuttujan tulokset arvon ja todeta aliohjelman muuttaneen puskuria, johon tuo muuttuja viittaa:

tuloksetres0: Buffer[Int] = ArrayBuffer(0, 10, 50, 100, 5, 2)

println ja kumppanit aliohjelmina

Oliko äskeisessä esimerkissä jotain tuttua? Juuri samaan tapaanhan olet oppinut käyttämään esimerkiksi println- ja play-käskyjä: ensin käskyn nimi ja sulkuihin parametrilauseke.

Kyseessä ei ole sattuma. Vaikka emme tuossa vaiheessa kiinnittäneet asiaan huomiota, niin println on aliohjelma juuri samassa mielessä kuin poistaNegatiiviset. Tosin println on yleiskäyttöisempi ja määritelty osaksi Scala-kieltä, kun taas poistaNegatiiviset on kurssimateriaalin tätä lukua varten keksitty esimerkki. Aliohjelmia ovat vastaavasti myös play ja luvun 1.3 show.

Katsotaan seuraavaksi aivan toisenlaista aliohjelmaa.

Arvon palauttava aliohjelma

keskiarvo-aliohjelman idea on yksinkertainen: sille annetaan parametreiksi kaksi lukua, ja se laskee niiden keskiarvon. Tämä aliohjelma palauttaa (return) arvon:

keskiarvo(5.0, 11.0)res2: Double = 8.0

keskiarvo-aliohjelmalle kuuluu antaa kaksi parametria, joiden on oltava lukuarvoisia. Parametrilausekkeet erotetaan pilkuilla.

keskiarvo-aliohjelmakutsu on lauseke, jonka arvo on aliohjelman laskema keskiarvo. Tätä arvoa sanotaan aliohjelman palautusarvoksi (eli paluuarvoksi; return value). REPL raportoi tämänkin lausekkeen arvon tutusti.

Alla on vielä muutama lisäesimerkki tämän aliohjelman kutsumisesta. Kuten esimerkeistä näkyy, aliohjelmakutsun muodostamaa lauseketta voi sitäkin käyttää isompien lausekkeiden osana:

val eka = keskiarvo(5, 1) + 2.1eka: Double = 5.1
val toka = keskiarvo(10.9, eka) + keskiarvo(-5, -10) - 1toka: Double = -0.5
1 + keskiarvo(toka + 1, 1)res1: Double = 1.75

Aliohjelmakutsun parametrilausekkeet voivat olla literaalien lisäksi myös vaikkapa muuttujien nimiä tai muita tietotyypiltään sopivia lausekkeita.

Ohjelman tila ja siihen vaikuttaminen

Katsotaan kohta lisää esimerkkejä aliohjelmista, mutta pysähdytään ensin pohtimaan jo nähtyjen aliohjelmien piirteitä.

Olet nähnyt tässä luvussa kaksi hyvin erilaista aliohjelmaa:

1. poistaNegatiiviset-aliohjelman kutsut käskevät tietokonetta hoitamaan tietyn asian. Tällainen kutsu aiheuttaa muutoksia tilaan (state), jonka ohjelma on tallentanut tietokoneen muistiin. Voimme sanoa tällaista aliohjelmaa vaikutukselliseksi (effectful) aliohjelmaksi. Vaikutuksellinen aliohjelma ei välttämättä palauta mitään kiinnostavaa arvoa.
2. keskiarvo-kutsu ei muokkaa mitään muistiin tallennettua tietoa. Voimme sanoa tällaista aliohjelmaa vaikutuksettomaksi (effect-free) aliohjelmaksi. Jotta se olisi hyödyllinen, vaikutuksettoman aliohjelman on tuotettava merkityksellinen palautusarvo, minkä keskiarvo tekeekin.

Lisäksi olemme käyttäneet println-aliohjelmaa, joka tulostaa merkkejä näytölle. Kun println-käsky suoritetaan, se vaikuttaa maailman tilaan siinä mielessä, että ohjelman näytölle tuottama tuloste muuttuu havaittavasti. Myös println kuuluu siis vaikutuksellisten aliohjelmien kategoriaan kuten poistaNegatiivisetkin. Luvun 1.3 esittelemät play ja show ovat nekin vastaavasti vaikutuksellisia.

Saman luvun circle ja rectangle ovat myös aliohjelmia. Ne ovat vaikutuksettomia samassa mielessä kuin keskiarvo. Siinä missä keskiarvo vain laskee ja palauttaa parametriensa perusteella lukuarvon, circle ja rectangle vain tuottavat parametriensa perusteella kuvan.

Kustakin aliohjelmasta voi pohtia: Muuttuuko jokin asia aliohjelman suorituksen seurauksena havaittavalla tavalla? (Ajan kulumista suorituksen aikana ja palautusarvon saamista ei lasketa muuttumiseksi.) Aliohjelmat voidaan jakaa vaikutuksellisiin ja vaikutuksettomiin tällä perusteella. Tässä vaiheessa kurssia tämä jako jo osoittaa meille, että aliohjelmilla voi tehdä erilaisia asioita. Myöhemmin osoittautuu, että jaottelulla on laaja-alainen merkitys ohjelmoinnin kannalta. On esimerkiksi olemassa ohjelmointisuuntauksia, joissa käytetään vain vaikutuksettomia aliohjelmia (luku 10.2). Ei mennä vielä siihen; voimme sen sijaan jo nyt hyödyntää tätä jaottelua selkiyttämään aliohjelmiin liittyviä termejä ja käsitteitä.

Tärkeä termi: funktio

Useiden ohjelmointikielten yhteydessä kaikkia aliohjelmia on tapana sanoa funktioiksi (function), niin vaikutuksellisia kuin vaikutuksettomiakin. Näin on esimerkiksi Scala-kielen tapauksessa. Jatkossa puhummekin usein funktioista, ja tällä kurssilla funktio on siis sama asia kuin aliohjelma.

"Funktio" kuulostaa sanana hyvin tutulta, ja syystäkin, mutta:

Varo matikkaa! (jälleen kerran)

Moni ohjelmoinnin aloittelija on kompastellut funktion käsitteeseen tuon termin matematiikkayhteyden takia.

On totta, että vaikutuksettomat funktiot muistuttavat koulumatematiikan funktioita: otetaan sisään parametriarvoja ja tuotetaan jokin tulos (palautusarvo), ja siinä kaikki. Kun vain selvitetään, mikä on matemaattisen funktion f(x) arvo tietylle x:lle, ei muutu mitään tallennettua tietoa tai tulostu mitään näytölle.

Kuitenkin Scala-funktiota kutsuttaessa tulostuksia tai muita vaikutuksia ohjelman tilaan voi tapahtua. On tärkeää huomata, että esimerkiksi Scala-ohjelmoinnissa funktion määritelmä kattaa myös vaikutukselliset aliohjelmat. Pidä tämä mielessä, kun jatkossa puhutaan funktioista!

Myös vaikutuksettomilla funktioilla on tietokoneohjelmoinnissa oleellinen ero tutunlaisiin matemaattisiin funktioihin verrattuna: ne eivät ainoastaan kuvaa riippuvuussuhteita kuten f(x) = x + 1, vaan myös niitä vaiheittaisia prosesseja (algoritmeja), joilla palautusarvot saadaan laskettua. Tämä seikka konkretisoituu seuraavassa luvussa.

Erilaisista funktioista kootusti

Tässä taulukko mainituista funktiotyypeistä. Eräät kohdista on alleviivattu; viemällä hiiren kursorin niiden päälle saat lisäselityksiä niistä.

Vaikuttaako funktio tilaan?	Palauttaako arvon?	Kurssilla käytetty termi	Muita termejä
Ei vaikuta koskaan	Palauttaa	Vaikutukseton funktio	Sivuvaikutukseton funktio
	Ei palauta	Tyhjä funktio
Vaikuttaa ainakin joskus	Palauttaa	Vaikutuksellinen funktio	Sivuvaikutuksellinen funktio, proseduuri
	Ei palauta

Funktiokavalkadi

Seuraavaksi tutustumme esimerkin vuoksi koko joukkoon eri funktioita. Näin saat käsitystä siitä, mitä funktiot voivat tehdä, ja pääset harjoittelemaan funktiokutsuja sisältävän ohjelmakoodin lukemista.

Käytämme sekä eräitä Scala-kieleen sisäänrakennettuja funktioita, jotka ovat hyvin yleiskäyttöisiä, että eräitä kurssia varten laadittuja esimerkkifunktioita.

Yleiskäyttöisiä kirjastofunktioita

Seuraava REPL-esimerkki esittelee useita Scala-kieleen määriteltyjä funktioita, joilla voi määrätä suoritettavaksi erilaisia laskutoimituksia.

Eräät seuraavaksi käytettävistä funktioista ovat taskulaskimista tuttuja, kuten abs (absolute value: itseisarvo), pow (power: potenssiin korotus), sqrt (square root: neliöjuuri), sin (sine: sinifunktio). Ne kaikki sijaitsevat scala.math-pakkauksessa, ja ne on sieltä otettava käyttöön joko yksittäisillä käskyillä tai kaikki kerralla kuten tässä:

import scala.math._import scala.math._

Tässä esimerkkejä funktiokutsuista:

abs(-50)res2: Int = 50
pow(10, 3)res3: Double = 1000.0
sqrt(25)res4: Double = 5.0
sin(1)res5: Double = 0.8414709848078965

Saman pakkauksen funktiot max ja min ovat usein käteviä. Ne palauttavat kahdesta parametristaan suuremman ja pienemmän:

max(2, 10)res6: Int = 10
min(2, 10)res7: Int = 2

Kaikki äsken mainitut funktiot ovat vaikutuksettomia kuten keskiarvo aiemmassa esimerkissämme. Ne vain palauttavat arvoja eivätkä muuta tallennettua dataa tai tulosta tai soita tai piirrä mitään.

Kokeile ainakin joitakin esitellyistä funktioista itse REPLissä. Voit kokeilla myös vaikkapa seuraavia: muut trigonometriset funktiot (cos, atan, jne.), cbrt (kuutiojuuri), hypot (hypotenuusa; parametreiksi kaksi kateetinmittaa), floor (alaspäin pyöristys), ceil (ylöspäin pyöristys), round (lähimpään pyöristys), log ja log10 (logaritmeja). Koko luettelo löytyy Scalan dokumentaatiosta, joka tosin ei ole kaikilta osin aloittelijaystävällinen.

Luvussa 1.1 jo mainittiinkin, että valikoimaa, joka sisältää ohjelman rakennuspalikoita ohjelmoijien käyttöä varten, sanotaan usein kirjastoksi (library). Tällaisen valikoiman sisältämiä funktioita — kuten yllä nähtyjä — sanotaan kirjastofunktioiksi.

Tarkoituksena ei nyt missään nimessä ole opetella mainittuja kirjastofunktioiden nimiä ulkoa, vaikka ne voivatkin myöhemmin tulla tarpeeseen. Nimet voi tarvitessa tarkistaa dokumentaatiosta tai täältä oppimateriaalista. Jos ja kun jokin funktio on niin yleishyödyllinen, että sitä tulee tarvittua usein, niin nimen oppii ulkoa vahingossakin. (Vinkkinä kuitenkin, että erityisesti max- ja min-funktioita käytetään tulevissa luvuissa runsaasti.)

Kysyttyä: kuluuko enemmän muistia, jos käytän alaviivaa import-käskyssä?

Ei. importilla ainoastaan kirjataan, mitä tarkoitetaan, kun käytetään tiettyjä nimiä kyseisessä ohjelmakoodissa. Esimerkiksi import scala.math._ määrittää, että kun käytetään mitä tahansa nimistä min, max, sqrt jne., tarkoitetaan juuri scala.math-pakkauksen osia.

Tietokoneen täytyy kyllä pitää muistissa ohjelman käyttämät työkalut (funktiot yms.). Kuitenkin ohjelman ajonaikaisen muistinkäytön kannalta oleellista on nimenomaan se, mitä työkaluja todella käytetään, eikä se, millaisella ilmaisulla niitä on ilmoitettu käytettävän.

Funktionkäyttöesimerkkejä ja -tehtäviä

Funktio voi hyödyntää ulkoisia resursseja kuten tiedostoja tai nettilähteitä. Seuraava kurssia varten laadittu esimerkkifunktio selvittää, mikä on IMDB-leffasivustolla äänestettyjen Top 250 -elokuvien listalla tietyllä sijaluvulla:

imdbLeffa(3)res8: String = The Godfather: Part II
imdbLeffa(1)res9: String = The Shawshank Redemption

Muun muassa siksi, että esimerkkifunktio toimisi myös ilman nettiyhteyttä, se on laadittu siten, että se ottaa tietonsa Aliohjelmia-projektin mukana tulevasta kansiosta top_movies. (Leffaluettelo ei siis ole aivan ajantasainen.)

Kysymys 1

Käytä funktiota imdbLeffa selvittääksesi, mikä on IMDB:n listan mukaan kaikkien aikojen 150. paras elokuva. Numerointi alkaa tässä luonnollisella tavalla ykkösestä, eli äskeisen esimerkin elokuvat ovat listan kolmas ja ensimmäinen.

(Muista, että tähän lukuun liittyvät esimerkkifunktiot on määritelty pakkauksessa o1.aliohjelmia, joka ylempänä otettiin käyttöön. Jos olet tällä välin käynnistänyt REPLin uudestaan, anna käsky import o1.aliohjelmia._ taas.) Kirjoita 150. leffan nimi tähän:

Kysymys 2

Funktio imdbParhaatOhjaajat muodostaa IMDB:n leffalistan perusteella luettelon, jossa ovat ohjaajat sen mukaan järjestettynä, montako elokuvaa heillä on listalla. Funktio palauttaa tällaisen luettelon merkkijonona. Funktiolle annetaan yksi kokonaislukuparametri, joka on alaraja luetteloon mukaan ottamiselle; esimerkiksi parametriarvolla 2 luetellaan vain ne ohjaajat, joilla on vähintään kaksi elokuvaa Top 250:ssä.

Käytä funktiota imdbParhaatOhjaajat selvittääksesi, kenellä on kaikkein eniten elokuvia listalla. Kirjoita eniten menestyneitä leffoja ohjanneen nimi tähän. (Heitä on kaksi tasoissa. Kumman tahansa nimi kelpaa.)

Kysymys 3

Käytä funktiota imdbAikavalinParas selvittääksesi, mikä on IMDB:n mukaan koko 1950-luvun paras elokuva. Funktiolle annetaan kaksi kokonaislukuparametria: alkuvuosi ja loppuvuosi. Se palauttaa tämän aikavälin korkeimmalle sijoittuvan elokuvan nimen. Alkuvuosi ja loppuvuosi sisältyvät annettuun aikaväliin.

Kirjoita 50-luvun parhaaksi arvioidun leffan nimi tähän:

Kysymys 4

Käytetään nyt merkkijonoja parametreina eräälle valmiiksi määritellylle funktiolle. Funktion nimi on editointietaisyys, ja tarkemmin sanoen se laskee kahden parametrimerkkijononsa välisen Levenšteinin etäisyyden.

Levenšteinin etäisyys on kokonaisluku, joka kertoo, montako yhden merkin lisäystä, poistoa tai toiseksi merkiksi vaihtamista vähintään tarvitaan muuntamaan tietty merkkijono tietyksi toiseksi merkkijonoksi. Esimerkiksi merkkijonojen "scala" ja "osata" Levenšteinin etäisyys on kolme, koska tämän vähemmillä muutoksilla ei pääse:

1. Lisätään merkkijonoon "scala" yksi o-kirjain niin saadaan "oscala".
2. Poistetaan c-kirjain niin saadaan "osala".
3. Vaihdetaan yksi kirjain niin saadaan "osata".

(Levenšteinin etäisyyttä hyödynnetään paitsi oikoluvussa myös muun muassa geenitutkimuksessa, kun vertaillaan DNA-sekvenssejä. Eliön perimä voidaan kuvata merkkijonona, jossa DNA:n erilaisia osia vastaavat esimerkiksi kirjaimet A, G, C ja T.)

Kutsu pakkauksen o1.aliohjelmia sisältämää editointietaisyys-funktiota. Sille pitää antaa kaksi String-tyyppistä parametria eli vertailtavat merkkijonot. Muista lainausmerkit merkkijonoliteraalien ympärille ja pilkku.

Voit kokeilla funktion toimintaa eri parametriarvoilla. Raportoi alle merkkijonojen "päivänsäde" ja "menninkäinen" Levenšteinin etäisyys.

Kysymys 1

Tehdään animaatio.

Määrittele muuttujia seuraavasti.

import o1._
val lampunKoko = 250
val punainen  = circle(lampunKoko, Red)
val keltainen = circle(lampunKoko, Yellow)
val vihrea    = circle(lampunKoko, Green)
val liikennevalot = Buffer(punainen, keltainen, vihrea)

o1.aliohjelmia-pakkauksessa on vaikutuksellinen funktio animoi, joka esittää kuvia peräkkäin ja muodostaa näin niistä animaation. Funktiolle annetaan kaksi parametria:

• puskurillinen kuvia, ja
• positiivinen luku (Double), joka kertoo kuinka nopeasti animaatio etenee. Isompi lukuarvo tuottaa nopeamman animaation.

Kokeile animoi-funktiota. Kirjoita alle sellainen käsky, joka animoi liikennevalot-muuttujan osoittaman puskurin sisällön nopeudella 1.0. Voit itse keksiä muutakin animoitavaa.

Kysymys 1

Yksinkertainen tapa soittaa Jaakko kulta on tässä. Kokeile.

import o1._
val jaakkoKulta = "f-g-a-f-f-g-a-f-a-hb->c---<a-hb->c---cdc<hba-f->cdc<hba-f-f-c-f---f-c-f---"
play(jaakkoKulta)

Jaakko kulta esitetään usein moniäänisesti kaanonissa: kukin ääni aloittaa melodian hieman eri aikaan, ja äänet menevät osin päällekkäin. Kaanon-esitystä kuvaavan merkkijonon voi muodostaa pakkauksen o1.aliohjelmia vaikutuksettomalla funktiolla kaanon, joka on määritelty seuraavasti.

• Sille annetaan ensimmäiseksi parametriksi merkkijono, joka sisältää jonkin melodian.
• Sille annetaan toiseksi parametriksi viittaus kokonaislukuja sisältävään puskuriin, jossa on lueteltuna soittimien numeroita.
• Kolmanneksi ja viimeiseksi parametriksi annetaan kokonaisluku, joka määrää viiveen, jonka kukin ääni "odottaa" aloittamistaan edellisen äänen aloitettua.
• Funktio palauttaa merkkijonon, joka kuvaa moniäänisen kaanonversion annetusta melodiasta siten, että äänet soitetaan toisen parametrin luettelemilla soittimilla. (Tällaisen merkkijonon voi sitten antaa play-funktiolle soitettavaksi.)

Tässä melkein valmis esimerkkikoodi, jolla yllä kuvailtua kaanon-funktiota voi käyttää:

import o1._
val jaakkoKulta = "f-g-a-f-f-g-a-f-a-hb->c---<a-hb->c---cdc<hba-f->cdc<hba-f-f-c-f---f-c-f---"
val soittimet = Buffer(4, 1, 74, 19)
play(???)

Millainen kaanon-funktion kutsu pitäisi kirjoittaa play-funktion parametrilausekkeeksi kolmen kysymysmerkin paikalle, jotta kaanonissa soisi tuo melodia noilla soittimilla ja viiveellä 8?

Kokeile REPLissä ja kirjoita pyydetty lauseke myös tähän alle. (Vain se kysymysmerkit korvaava lauseke, ei koko soittokäskyä eikä sitä pitkää merkkijonoa, jonka kaanon-funktio palauttaa.) Käytä yllä määriteltyjä muuttujia.

Voit kokeilla kaanon-funktion kutsumista muutenkin.

Kysymys 2

Harjoittele vielä funktion kutsumista ja puskuriin osoittavan viittauksen käyttämistä parametrina.

Kokeile saman o1.aliohjelmia-pakkauksen funktiota sensuroi. Anna sille kaksi parametria:

1. sensuroitava merkkijono "Sylvi sentään! Voi herttinen! Mikä tavaton se oli? Oi, hyvä Sylvi!"
2. viittaus puskuriin (Buffer), jossa on kolme kirosanamerkkijonoa "herttinen", "Sylvi" ja "tavaton".

Minkä tekstin tämä funktiokutsu palauttaa?

Voit ratkaista tehtävän esimerkiksi näin: Luo ensin puskuriin viittaava muuttuja. Välitä sitten sensuroi-funktiolle parametreiksi sensuroitava merkkijono literaalina sekä viittaus luomasi muuttujan osoittamaan puskuriin.

Edellisen kysymyksen koodista voi olla apua. Muutkin ratkaisutavat ovat mahdollisia ja sallittuja.

Kirjoita merkkijonot täsmälleen yllä olevassa muodossa. Vastaus kannattaa kopioida tulosteesta, niin menee merkilleen oikein.

Vielä yksi esimerkki

On myös mahdollista laatia funktio, joka vuorovaikuttaa ohjelman käyttäjän kanssa, kun sitä kutsutaan. Tästä esimerkkinä on laadittu käyttöösi funktio nimeltä pelaaPylpyrapelia. Se haastaa sinut yksinkertaiseen peliin, jossa kone pääsee pätemään. Voit kokeilla sitä omin päin. Funktiolle tulee antaa parametriksi pelaajan nimi merkkijonona.

Funktiokutsuja sisäkkäin

Funktiokutsuun merkitään parametreiksi sopivantyyppisiä lausekkeita. Funktiokutsu itsekin on lauseke. Niinpä funktiokutsuja voi laittaa sisäkkäin:

Jos sisäkkäisiä funktiokutsuja on paljon, voi olla selkeämpää muotoilla ohjelmakoodi toisin esimerkiksi muuttujien avulla. Animaatioesimerkin viimeisen rivin voisi korvata vaikkapa näillä käskyillä:

val potenssi = pow(2, 5)potenssi: Double = 32.0
val pienempi = min(potenssi, 100 - sqrt(100))pienempi: Double = 32.0
println(abs(-5.5) + pienempi)37.5

Tai vaikka näinkin:

val potenssi = pow(2, 5)potenssi: Double = 32.0
val erotus = 100 - sqrt(100)erotus: Double = 90.0
val pienempi = min(potenssi, erotus)pienempi: Double = 32.0
val lopputulos = abs(-5.5) + pienempilopputulos: Double = 37.5
println(lopputulos)37.5

Käytä tässä tyyliasiassa maalaisjärkeä. Mieti tapauskohtaisesti, mikä on itsellesi selkein ja luontevin tapa. Kaikkiin esitettyihin tyyleihin on joka tapauksessa syytä totutella, vaikka niitä et kaikkia itse käyttäisikään, sillä ohjelmointiin (ja ohjelmoinnin opiskeluun) sisältyy myös paljon toisten kirjoittaman koodin lukemista.

Pikkutehtävä: lausekkeen evaluointijärjestys

Kysymys 1

Tarkastele seuraavaa lauseketta:

max(4, 5) * min(6 - pow(5, sqrt(2) + 1), 120 / abs(-10))

Kun tämä lauseke evaluoidaan, mitkä kaikki lausekkeessa esiintyvistä toimenpiteistä suoritetaan ennen itseisarvon (abs) laskemista?

suuremman valitseminen (max)

kertolasku (*)

pienemmän valitseminen (min)

vähennyslasku (-)

potenssiin korotus (pow)

neliöjuuren määrittäminen (sqrt)

yhteenlasku (+)

jakolasku (/)

Unit-arvo

Scalassa (ja useassa muussa kielessä) on erityislaatuinen arvo nimeltä Unit. Tätä arvoa käytetään sellaisten funktioiden palautusarvona, jotka eivät palauta mitään merkityksellistä arvoa. Tällaisia funktioitahan ovat esimerkiksi println, play ja yllä kuvailtu poistaNegatiiviset. Teknisesti ottaen nämäkin funktiot palauttavat nimittäin arvon — Unit-arvon.

Outo nimi tuo Unit

Unit-nimi tulee Scalaan funktionaalisen ohjelmoinnin perinteestä ja matemaattisesta tyyppiteoriasta. Niissä unit type eli "yksikkötyyppi" tarkoittaa tyyppiä, jolla on vain yksi mahdollinen arvo ja joka ei siksi voi ilmaista tietoa. (Vertaa: jo kahdella arvolla 0 ja 1 saadaan aikaan bitti.) Tätä nimeä käytetään kiinnostavan arvon puuttumisesta myös useassa muussa ohjelmointikielessä. Eräissä yleisissä kielissä (esim. C, Java) Unitia lähimmin vastaava ilmaisu on void.

Unit-palautusarvolla ei voi tehdä käytännöllisesti katsoen mitään. Voit ajatella, että se vain tarkoittaa: "funktion suoritus päättyi, mutta mitään oleellista ei syntynyt palautusarvona". Esimerkiksi poistaNegatiiviset-funktio vain muuttaa puskurin tilaa eikä tuota mitään "tulosta". Käytännössä voimme tällä kurssilla ajatella ja sanoakin, että Unit tarkoittaa "ei mitään palautusarvoa" ja että esimerkiksi println- ja poistaNegatiiviset-funktiot "eivät palauta arvoa".

Vaikka se ei Scala-ohjelmakoodissa välttämättä kovin usein näykään, Unit-arvo ei ole aloittelijallekaan pelkkä kuriositeetti. Sen olemassaolosta on hyvä tietää jo vaikka siksikin, että sana esiintyy joskus virheilmoituksissa. Esimerkiksi yritys laskea 1 + println("kissa") tuottaa virheilmoituksen, jossa valitetaan sitä, ettei ykköstä voi laskea Unitin kanssa yhteen. Lisäksi Unit-sanaa käytetään runsaasti Scala-ohjelmien kuvauksissa (dokumentaatiossa; luku 3.1), kun halutaan ilmoittaa, ettei tietyllä ohjelman osalla ole merkityksellistä palautusarvoa.

Unit kurssimateriaalin animaatioissa

Aiemmissa kurssimateriaaliin upotetuissa animaatioissa Unit-palautusarvoja ei ole näkynyt. Tulevissa ne kuitenkin näkyvät kuten alla olevassa pikkuanimaatiossa.

println-funktiokutsukin palauttaa arvon, joskin sisällöttömän sellaisen:

Palauttaminen vs. tulostaminen

Aloitteleville ohjelmoijille tuottaa joskus vaikeuksia hahmottaa arvon tulostamisen ja arvon palauttamisen välistä eroa. REPLin käyttö ei välttämättä selkiytä tilannetta. Korostetaan siis vielä tätä eroa:

• Palauttaminen on yleinen funktioiden piirre. Funktio voi välittää arvon "vastauksena" sille taholle, joka funktiota kutsuu. Palautusarvo ei välttämättä tule mihinkään näkyviin. Funktiota kutsunut ohjelmakoodi voi tehdä arvolla mitä vain, esimerkiksi käyttää palautusarvoa laskutoimituksen osana, tulostaa sen, välittää sen play-funktiolle tai vain jättää sen käyttämättä. Pelkkä palauttaminen ei vaikuta ohjelman tilaan edellä kuvaillussa mielessä.
• Tulostaminen tarkoittaa tekstin laittamista näkyviin esimerkiksi tietokoneen näytölle. Tämä onnistuu Scalassa println-käskyllä. Tulostettavan tekstin voi määrätä minkä vain lausekkeen arvo, esim. println("Moi") tai println(1 + 1). Lausekkeena voi olla myös funktiokutsu, vaikkapa println(keskiarvo(10, 20)), jolloin tulostetaan funktiota kutsumalla saatu palautusarvo. Tulostaminen luetaan ohjelman tilaan vaikuttamiseksi.

Palauttaminen ja tulostaminen REPLissä

REPL evaluoi sinne kirjoitetut lausekkeet ja tulostaa automaattisesti kuvaukset niiden arvoista. Funktiokutsulausekkeen tapauksessa tämä tarkoittaa, että suoritetaan funktio ja tulostetaan kuvaus sen palauttamasta arvosta. Esimerkiksi kun REPLiin syötetään lauseke max(3 + min(1, 4), 3), niin tulostuu kuvaus max-funktion palautusarvosta. Kuitenkaan esimerkiksi min-funktion palautusarvoa 1, jota käytettiin koko lausekkeen arvon määrittämiseen, ei tulosteta.

Kun REPLissä kutsutaan funktiota, joka palauttaa Unit-arvon, niin REPL ei tulosta tätä sisällötöntä palautusarvoa.

Palauttaminen ja tulostaminen samassa funktiossa

Edellä jo näkyi, että println paitsi tulostaa myös palauttaa arvon, joskin vain Unit-arvon. Voidaan toki määritellä sellainenkin funktio, joka sekä tulostaa näkyviin jotain että tuottaa varsinaisen palautusarvon.

Funktioista ja abstraktioista

Funktion laatiminen työkaluksi

Jos tavoitteenamme on saada laskettua vaikkapa jonkin luvun sini tai neliöjuuri, niin valmis työkalu löytyy kirjastofunktiona. Kun valmista ratkaisua ei löydy, muodostamme oman ratkaisun olemassa olevia työkaluja yhdistelemällä. Jos esimerkiksi haluamme saada selville, paljonko on sellaisen pallon tilavuus, jonka säde on 6371 km, niin voimme hyödyntää aritmeettisia operaattoreita ja pow-potenssiinkorotusfunktiota:

import scala.math.powimport scala.math.pow
4 * 3.14159 * pow(6371, 3) / 3res10: Double = 1.0832060019000126E12

Tuossa vain evaluoimme tiettyjä arvoja sisältävän lausekkeen, mistä saimme yhden halutun arvon tulokseksi. Jos kuitenkin haluamme pystyä käsittelemään erilaisia tapauksia — kuten laskemaan erikokoisten pallojen tilavuuksia — on kätevämpää rakentaa oma työkalu juuri tähän tarkoitukseen. Se voisi toimia vaikkapa näin:

pallonTilavuus(6371)res11: Double = 1.0832060019000126E12
pallonTilavuus(1)res12: Double = 4.188786666666666

Funktioiden hyötyjä

Yksi käytännön syy funktioiden määrittelemiselle tuli juuri esille. Kun tietty kenties monimutkainenkin toiminto on kerran toteutettu funktioksi, voi toimintoa käyttää helposti funktiota kutsumalla. Pallon uudelleen keksimiseltä vältytään siinäkin mielessä, että toistuvasti tarvittu toiminto voidaan toteuttaa funktioksi monen ohjelmoijan käyttöön.

Lisäksi funktiot auttavat jaottelemaan ohjelmakoodin selkeärajaisiin, nimettyihin osakokonaisuuksiin. Tämä parantaa ohjelmakoodin luettavuutta ja muokattavuutta.

Kolmannenlainen funktioiden tuoma hyöty on, että funktio piilottaa sisälleen jonkin toiminnon toteutuksen, jonka yksityiskohtia funktion käyttäjän ei tarvitse tuntea. Jos pallonTilavuus-funktio on määritelty, sitä voi käyttää sellainenkin, joka ei tunne kyseistä laskentakaavaa. Olet itse tässä luvussa käyttänyt erilaisia sisäisesti melko monimutkaisiakin funktioita, vaikka et opetetun perusteella osaisi niitä itse toteuttaa tai niiden toteutusta ymmärtää. On riittänyt, että tunnet tietyt piirteet funktiosta: mitä parametreja se ottaa, mitä vaikutuksia (jos mitään) se aiheuttaa ja mitä se palauttaa.

Funktiot ovat siis eräs abstrahoinnin (abstraction) muoto.

Abstraktiot ohjelmoinnissa

abstract: something that concentrates in itself the essential qualities

of anything more extensive or more general; essence

—yksi sanan "abstract" määritelmistä Infoplease.com-sivustolla

Abstrahoimalla voimme tarpeen mukaan olla välittämättä yksityiskohdista tai yksittäisistä tapauksista. Esimerkiksi funktio pallonTilavuus kuvaa yleisellä tasolla sitä kaavaa (algoritmia), jolla pallon tilavuuden voi eri tapauksissa laskea.

Olemme jo kohdanneet muitakin abstraktion muotoja kuin funktiot. Esimerkiksi muuttuja on abstraktio: lausekkeessa luku + 1 kuvaamme muuttujan nimellä yleisesti, että haluamme tehdä tietyn laskutoimituksen, kuitenkin ottamatta tässä yhteydessä kantaa siihen yksityiskohtaan, mikä luku-muuttujan arvo on kyseisessä tapauksessa.

Parametrit tekevät funktiosta abstraktimpia. Koska sin-funktio ottaa parametrin (esim. sin(1)), se on voitu laatia välittämättä niistä nimenomaisista tilanteista, joissa funktiota eri ohjelmissa käytetään. Niinpä se on abstraktimpi ja yleishyödyllisempi kuin muuttuja luvunYksiSini olisi.

Voi sanoa, että ohjelmointi on pitkälti hyödyllisten abstraktioiden suunnittelemista, toteuttamista ja käyttämistä. Tähän teemaan palaamme useasti kurssin mittaan (esim. luvut 2.1 ja 3.1). Omien funktioiden toteuttamista pääset harjoittelemaan heti seuraavassa luvussa.

Yhteenvetoa

• Aliohjelma on toteutus tietylle toiminnolle. Esimerkiksi Scalan yhteydessä aliohjelmia kutsutaan funktioiksi.
• Funktio voi vaikuttaa ohjelman tilaan tai palauttaa arvon (esim. laskutoimituksen tuloksen) tai tehdä molemmat näistä.
• Käskyä suorittaa funktio sanotaan funktion kutsumiseksi. Funktiota kutsuttaessa sille voidaan välittää parametreja.
• Ohjelmointikielten yhteyteen on määritelty ns. kirjastoja; esimerkiksi Scala-kieleen liittyy yleisiä matemaattisia kirjastofunktioita.
• Funktiot ovat eräs ohjelmoinnissa käytetty abstraktion muoto. Abstraktiot auttavat ohjelmoijaa työstämään monimutkaisiakin kokonaisuuksia ja vähentävät turhaa työtä.
• Unit on erikoisarvo, joka merkitsee vain "ei merkityksellistä arvoa".
• Lukuun liittyviä termejä sanastosivulla: funktio / aliohjelma; funktiokutsu, parametrilauseke, palautusarvo; vaikutukseton funktio, vaikutuksellinen funktio; yksikkötyyppi eli Unit; kirjasto; abstraktio.

Edellisen luvun käsitekaavio funktioilla höystettynä:

Palaute

Huomaathan, että tämä on henkilökohtainen osio! Vaikka olisit tehnyt lukuun liittyvät tehtävät parin kanssa, täytä palautelomake itse.

Ajankäyttö: (*) Pakollinen

Kirjoita alle, kuinka monta minuuttia olet käyttänyt kokonaisuudessaan oppimateriaalin tähän lukuun (materiaalin lukeminen, tehtävien tekeminen jne.). Viidentoista minuutin tai puolen tunnin tarkkuus riittää hyvin.

"Minusta tuntuu, että olen tajunnut oleellisimmat asiat tästä luvusta." (*) Pakollinen

täysin samaa mieltä

jokseenkin samaa mieltä

jokseenkin eri mieltä

täysin eri mieltä

en osaa sanoa / en kommentoi

"Minusta tuntuu, että ymmärsin, mitä luvussa näkemäni animaatiot tarkoittivat." (*) Pakollinen

täysin samaa mieltä

jokseenkin samaa mieltä

jokseenkin eri mieltä

täysin eri mieltä

en katsonut animaatioita

en osaa sanoa / en kommentoi

Sanallinen kommentti tai kysymys:

Sanallinen palaute ei ole pakollista. Kysy silti mieluusti jotain, anna palautetta tai pohdiskele! (Oikea paikka kiireellisille keskeneräisen tehtävän ratkaisemiseen liittyville pyynnöille on kuitenkin Piazza tai harjoitusryhmä, sillä emme välttämättä ehdi reagoida näihin palautteisiin kierroksen ollessa auki.)

Tekijät

Tämän oppimateriaalin kehitystyössä on käytetty apuna tuhansilta opiskelijoilta kerättyä palautetta. Kiitos!

Kierrokset 1–13 ja niihin liittyvät tehtävät ja viikkokoosteet on laatinut Juha Sorva.

Kierrokset 14–20 on laatinut Otto Seppälä. Ne eivät ole julki syksyllä, mutta julkaistaan ennen kuin määräajat lähestyvät.

Liitesivut (sanasto, Scala-kooste, usein kysytyt kysymykset jne.) on kirjoittanut Juha Sorva sikäli kuin sivulla ei ole toisin mainittu.

Tehtävien automaattisen arvioinnin ovat toteuttaneet Riku Autio, Jaakko Kantojärvi, Teemu Lehtinen, Timi Seppälä, Teemu Sirkiä ja Aleksi Vartiainen.

Lukujen alkuja koristavat kuvat ja muut vastaavat kuvituskuvat on piirtänyt Christina Lassheikki.

Yksityiskohtaiset animaatiot Scala-ohjelmien suorituksen vaiheista ovat suunnitelleet Juha Sorva ja Teemu Sirkiä. Niiden teknisen toteutuksen ovat tehneet Teemu Sirkiä ja Riku Autio käyttäen Teemun toteuttamia Jsvee- ja Kelmu-työkaluja.

Muut diagrammit ja materiaaliin upotetut vuorovaikutteiset esitykset on laatinut Juha Sorva.

O1Library-ohjelmakirjaston ovat kehittäneet Aleksi Lukkarinen ja Juha Sorva. Useat sen keskeisistä osista tukeutuvat Aleksin SMCL-kirjastoon.

Opetustapa, jossa käytämme O1Libraryn työkaluja (kuten Pic) yksinkertaiseen graafiseen ohjelmointiin on saanut vaikutteita tekijöiden Flatt, Felleisen, Findler ja Krishnamurthi oppikirjasta How to Design Programs sekä Stephen Blochin oppikirjasta Picturing Programs.

Oppimisalusta A+ on luotu Aallon LeTech-tutkimusryhmässä pitkälti opiskelijavoimin. Pääkehittäjänä toimii tällä hetkellä Jaakko Kantojärvi, jonka lisäksi järjestelmää kehittävät useat tietotekniikan ja informaatioverkostojen opiskelijat.

Kurssin tämänhetkinen henkilökunta on kerrottu luvussa 1.1.

Lisäkiitokset tähän lukuun

Luvussa tehdään vääryyttä Neal Heftin, Mike Oldfieldin ja Dave Stewartin säveltämälle musiikille. Kiitos ja anteeksi.

Palautusta lähetetään...

×

Identtinen palautus

Tämä palautus on identtinen aikaisemman palautuksen kanssa. Oletko varma, että haluat lähettää palautuksen?

Peruuta Lähetä