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 ist eine Funktion, die zwei Eigenschaften gleichzeitig erfüllt:

Eigenschaft	Beschreibung	Beispiel
Determinismus	Bei gleichem Input kommt immer der gleiche Output zurück.	double(3) ergibt immer 6
Keine Seiteneffekte	Die Funktion verändert keinen Zustand ausserhalb ihrer selbst.	Kein System.out.println(), keine Feldänderungen, keine Dateizugriffe

// Pure Function: gleicher Input, gleicher Output, keine Seiteneffekte
int double(int x) {
    return x * 2;
}

double(3); // => 6 (immer)
double(3); // => 6 (immer)

// NICHT pure: verändert externen Zustand und gibt bei gleichem Input unterschiedliche Ergebnisse
class Counter {
    int total = 0;

    int addToTotal(int x) {
        total += x;
        return total;
    }
}

var counter = new Counter();
counter.addToTotal(3); // => 3
counter.addToTotal(3); // => 6 (gleicher Input, anderer Output!)

addToTotal verletzt beide Eigenschaften: Sie verändert das Feld total (Seiteneffekt) und gibt bei gleichem Input (3) jedes Mal ein anderes Ergebnis zurück.

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Funktion vs. Prozedur

In der Programmierung unterscheidet man zwischen Funktionen und Prozeduren:

	Funktion	Prozedur
Rückgabewert	Gibt einen Wert zurück	Gibt keinen Wert zurück (void)
Seiteneffekte	Idealerweise keine	Hat typischerweise Seiteneffekte
Zweck	Berechnung eines Ergebnisses	Ausführung einer Aktion
Beispiel	"hello".length() ergibt 5	System.out.println("hello") gibt Text aus

// Funktion: nimmt Input, gibt Output zurück
int calculateArea(int width, int height) {
    return width * height;
}

var result = calculateArea(5, 3); // => 15

// Prozedur: führt eine Aktion aus, kein Rückgabewert (void)
void displayArea(int width, int height) {
    System.out.println("Die Fläche beträgt " + (width * height) + " m²");
}

displayArea(5, 3); // Gibt Text aus, kein Rückgabewert

In Java ist der Unterschied syntaktisch sichtbar: Funktionen haben einen Rückgabetyp (int, String, …), Prozeduren sind void. In der funktionalen Programmierung arbeitet man bevorzugt mit Funktionen (mit Rückgabewert, ohne Seiteneffekte).

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Seiteneffekte erkennen

Ein Seiteneffekt (Side Effect) ist jede Veränderung, die eine Methode ausserhalb ihres eigenen Scopes bewirkt:

• Felder oder statische Variablen verändern
• Ausgabe auf dem Bildschirm (System.out.println)
• In eine Datei oder Datenbank schreiben
• Eine Netzwerkanfrage senden

Beispiel: Welche Methode ist pure?

class Example {
    static int x = 0;

    static int a(int n) {
        return n + 1;
    }

    static int b(int n) {
        x += n;
        return x;
    }

    static int c(int n) {
        System.out.println(n);
        return n;
    }
}

Methode	Pure?	Begründung
a(n)	Ja	Gleicher Input ergibt immer gleichen Output, keine Seiteneffekte.
b(n)	Nein	Verändert das statische Feld x. Bei gleichem Input kommen unterschiedliche Ergebnisse zurück (b(1) ergibt erst 1, dann 2, dann 3…).
c(n)	Nein	System.out.println() ist ein Seiteneffekt (Konsolenausgabe).

Warum vermeidet funktionale Programmierung Seiteneffekte?

Vorteil	Erklärung
Vorhersagbarkeit	Pure Functions verhalten sich immer gleich, unabhängig vom restlichen Programmzustand.
Testbarkeit	Man muss keinen globalen Zustand aufsetzen, um eine Funktion zu testen.
Parallelisierung	Ohne gemeinsamen Zustand können Funktionen parallel ausgeführt werden, ohne Konflikte.