AG1: Eigenschaften von Funktionen beschreiben

Ich kann die Eigenschaften von Funktionen beschreiben (z.Bsp. pure function) und den Unterschied zu anderen Programmier-Strukturen erläutern (z.Bsp. zu Prozedur).

Lernziele

#	Lernziel	Beantwortet in
1	Ich kann erklären, was eine Pure Function ist und welche zwei Eigenschaften sie erfüllen muss.	Was ist eine Pure Function?
2	Ich kann den Unterschied zwischen einer Funktion und einer Prozedur anhand von Codebeispielen erläutern.	Funktion vs. Prozedur
3	Ich kann in gegebenem Code erkennen, ob eine Funktion pure ist, und meine Einschätzung begründen.	Seiteneffekte erkennen

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Was ist eine Pure Function?

Eine Pure Function zeichnet sich durch zwei Hauptmerkmale aus, die beide erfüllt sein müssen:

Merkmal	Erklärung	Beispiel
Kalkulierbarkeit (Determinismus)	Ein bestimmter Startwert (Input) liefert stets das identische Resultat (Output).	double(3) ist immer 6
Frei von Seiteneffekten	Die Ausführung der Funktion hat keinerlei Auswirkungen auf den äusseren Zustand.	Weder print(), noch globale Variablen werden genutzt oder Dateien verändert.

# Pure Function: gleicher Input, identischer Output, keine externen Auswirkungen
def double(x):
    return x * 2

double(3) # => 6 (immer)
double(3) # => 6 (immer)

# NICHT pure: modifiziert den externen Zustand, das Resultat ändert sich trotz gleichem Parameter
class Counter:
    def __init__(self):
        self.total = 0

    def add_to_total(self, x):
        self.total += x
        return self.total

counter = Counter()
counter.add_to_total(3) # => 3
counter.add_to_total(3) # => 6 (gleicher Aufruf, aber anderes Resultat!)

Die Methode add_to_total erfüllt keines der beiden Kriterien: Sie bewirkt einen Seiteneffekt durch die Änderung von total und liefert für die wiederholte Eingabe von 3 unterschiedliche Werte.

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Funktion vs. Prozedur

Beim Programmieren wird häufig zwischen Funktionen und Prozeduren unterschieden:

	Funktion	Prozedur
Resultat	Liefert etwas zurück	Kein Rückgabewert (gibt in Python None zurück)
Seiteneffekte	Besitzt im Idealfall keine	Wird oft explizit für Seiteneffekte genutzt
Sinn und Zweck	Einen Wert berechnen	Einen Vorgang ausführen
Beispiel	len("hello") ergibt 5	print("hello") schreibt etwas auf die Konsole

# Funktion: nimmt Parameter entgegen, errechnet Resultat
def calculate_area(width, height):
    return width * height

result = calculate_area(5, 3) # => 15

# Prozedur: macht etwas direkt, liefert nichts Nützliches zurück
def display_area(width, height):
    print(f"Die Fläche beträgt {width * height} m²")

display_area(5, 3) # Konsolenausgabe, liefert None

In Python lässt sich dieser Unterschied vor allem am Umgang mit dem Resultat feststellen: Echte Funktionen nutzen das Keyword return, bei Prozeduren entfällt es (wodurch implizit None zurückgegeben wird).

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Seiteneffekte erkennen

Als Seiteneffekt (Side Effect) bezeichnet man jede Zustandsänderung, die eine Methode ausserhalb ihres lokalen Gültigkeitsbereichs verursacht:

• Modifikation von Feldern oder globalen Werten
• Konsolen-Ausgaben wie print()
• Datenbank- oder Dateizugriffe
• Senden von Netzwerk-Requests

Beispiel: Welche Methode gilt als pure?

class Example:
    x = 0

    @staticmethod
    def a(n):
        return n + 1

    @classmethod
    def b(cls, n):
        cls.x += n
        return cls.x

    @staticmethod
    def c(n):
        print(n)
        return n

Methode	Pure?	Erklärung
a(n)	Ja	Bei gleicher Eingabe kommt das gleiche Resultat heraus, ohne Nebenwirkungen.
b(n)	Nein	Modifiziert x in der Klasse. Bei identischem Input variieren die Ausgaben (b(1) ergibt am Anfang 1, gefolgt von 2, und darauf 3 etc.).
c(n)	Nein	Der Aufruf von print() löst eine sichtbare Nebenwirkung auf der Konsole aus.

Warum versucht funktionale Programmierung Seiteneffekte zu minimieren?

Argument	Details
Verlässlichkeit	Das Verhalten von Pure Functions ist unabhängig vom restlichen Programm stets konstant.
Testfreundlichkeit	Für Unittests müssen keine globalen Zustände bereitgestellt werden.
Nebenläufigkeit	Ohne das Teilen von Zustand können Funktionen problemlos auf mehreren Cores gleichzeitig (parallel) ausgeführt werden.