Deklarative Programmierung: Was statt Wie

Bei der imperativen Programmierung besteht ein Programm aus einer Folge von Anweisungen. Sie geben vor, in welcher Reihenfolge der Computer was tun soll. Der Entwickler steuert die Ausführung mit Kontrollstrukturen, zum Beispiel mit einer Sequenz, einer Schleife oder einer bedingten Verzweigung. Rezepte und Checklisten ähneln diesem Stil: Jeder Schritt ist eine Anweisung. Bekannte imperative Sprachen sind C, C++ und Java. Sie sind weiter verbreitet als die deklarativen Sprachen.

Bei der deklarativen Programmierung beschreibst du dagegen das Problem. Du fragst nach dem Was, das berechnet werden soll. Der Lösungsweg wird dann automatisch ermittelt.

Achtung: Dass der Prozessor am Ende Maschinencode Befehl für Befehl ausführt, macht ein Programm nicht imperativ. Das ist bei jedem Paradigma so. Entscheidend ist, ob ein Entwickler Code schreibt, der die Schritte detailliert beschreibt. Außerdem sind die Paradigmen, bezogen auf einzelne Programme, keine Gegner. Viele Programmiersprachen können mehrere Paradigmen gleichzeitig unterstützen.

Quicksort ist ein Sortierverfahren. Es gibt ihn in Pascal (imperativ) und in Haskell (deklarativ).

In Pascal beschreibt der Programmierer, wie der Algorithmus ablaufen muss. Der Lösungsweg ist vorgegeben: Welche einzelnen Schritte nacheinander ablaufen und wie Variablen zu verändern sind, bis das Ergebnis da ist. Im Code siehst du Zuweisungen mit :=, Schleifen mit repeat und das Vertauschen von zwei Werten über die Hilfsvariable tmp.

In Haskell steht nur, was mit der Eingabe geschieht. Der Berechnungsablauf ist nicht von Interesse. Die Zeile quicksort [] = [] sagt: Eine leere Liste ergibt eine leere Liste. Die zweite Zeile sagt: Nimm das erste Element x, der Rest heißt xs. Das Ergebnis ist die sortierte Liste der Elemente aus xs, die kleiner als x sind, dann x, dann die sortierte Liste der Elemente, die mindestens so groß wie x sind. Die Berechnungen erfolgen durch Wertemanipulation. Die Hauptkontrollstruktur ist die Rekursion: quicksort kommt in seiner eigenen Beschreibung wieder vor.

Deklarative Sprachen gibt es in mehreren Arten. Drei sind für dich wichtig.

Abfragesprachen sind Datenbanksprachen zur Suche nach Informationen. Das Ergebnis einer Abfrage ist eine Teilmenge der Daten, man spricht deshalb von einer Filterung. SQL enthält eine Abfragesprache für Datenbanksysteme. Bei SQL-Aufrufen legt der Entwickler nur das Was fest. Das Datenbanksystem macht daraus Maschinencode. SQL zählt im weiteren Sinne zu den deklarativen Sprachen.

Funktionale Sprachen wie Haskell verstehen Programme als Funktionen, die für eine Eingabe eine Ausgabe liefern, die nur von dieser abhängt. Funktionen sind ineinander verschachtelte Funktionsaufrufe, keine Abfolge von Anweisungen. Man kommt ohne Schleifen und Zuweisungen aus, braucht aber Rekursion.

Logische Sprachen wie Prolog bestehen aus Fakten und Regeln. Eine Regel ist eine Wenn-Dann-Aussage. Du stellst eine Frage, indem du ein Ziel vorgibst. Der Interpreter leitet die Lösung allein aus den Fakten und Regeln her. In Prolog nutzt er dafür Tiefensuche mit Unifikation und Backtracking.

Weitere Arten sind zum Beispiel Datenflusssprachen (z. B. Val oder Linda) und Transformationssprachen (z. B. XSLT).

Deklarative Programme haben einige Vorzüge. Sie sind oft kürzer als vergleichbare imperative Programme. Beim Quicksort siehst du das: Der Haskell-Text ist viel kürzer als die Pascal-Prozedur. Es gibt keine Nebenwirkungen, weil die Programme referentiell transparent sind. Deshalb sind sie partiell auswertbar. So lassen sich zum Beispiel unendliche Datenstrukturen behandeln. Beweise über Programmeigenschaften, etwa ein Korrektheitsbeweis, sind dank der einfacheren mathematischen Basis (unter anderem Lambda-Kalkül) leichter durchführbar, falls überhaupt möglich. Dazu kommt die Architekturunabhängigkeit. Ein Nachteil: Die Akzeptanz ist teilweise gering. Man nennt solche Sprachen gern Akademikersprachen.

Der Haskell-Quicksort ist trotzdem kein echter Quicksort mehr. Quicksort ist ein in-Place-Verfahren: Es verändert die bestehende Liste. Der Haskell-Code erzeugt dagegen eine neue Liste. Er ist nur ein ähnlicher Algorithmus.