Dynamic Compilation for Functional Programs

Diese Arbeit behandelt die dynamische, zur Laufzeit stattfindende Übersetzung und Optimierung funktionaler Programme. Ziel der Optimierung ist die erhöhte Laufzeiteffizient der Programme, die durch die compilergesteuerte Eliminierung von Abstraktionen der Programmiersprache erreicht wird. Bei der Implementierung objekt-orientierter Programmiersprachen werden bereits seit mehreren Jahrzehnten Compiler-Techniken zur Laufzeit eingesetzt, um objekt-orientierte Programme effizient ausführen zu können. Spätestens seit der Einführung der Programmiersprache Java und ihres auf einer abstrakten Maschine basierenden Ausführungsmodells hat sich die Praktikabilität dieser Implementierungstechnik gezeigt. Viele Eigenschaften moderner Programmiersprachen konnten erst durch den Einsatz dynamischer Transformationstechniken effizient realisiert werden, wie zum Beispiel das dynamische Nachladen von Programmteilen (auch über Netzwerke), Reflection sowie verschiedene Sicherheitslösungen (z.B. Sandboxing). Ziel dieser Arbeit ist zu zeigen, dass rein funktionale Programmiersprachen auf ähnliche Weise effizient implementiert werden können, und sogar Vorteile gegenüber den allgemein eingesetzten objekt-orientierten Sprachen bieten, was die Effizienz, Sicherheit und Korrektheit von Programmen angeht. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in dieser Arbeit Implementierungstechniken entworfen bzw. aus bestehenden Lösungen weiterentwickelt, welche die dynamische Kompilierung und Optimierung funktionaler Programme erlauben: zum einen präsentieren wir eine Programmzwischendarstellung (getypte dynamische Continuation-Passing-Style-Darstellung), welche sich zur dynamischen Kompilierung und Optimierung eignet. Basierend auf dieser Darstellung haben wir eine Erweiterung zur verzögerten und selektiven Codeerzeugung von Programmteilen entwickelt. Der wichtigste Beitrag dieser Arbeit ist die dynamische Spezialisierung zur Eliminierung polymorpher Funktionen und Datenstrukturen, welche die Effizienz funktionaler Programme deutlich steigern kann. Die präsentierten Ergebnisse experimenteller Messungen eines prototypischen Ausführungssystems belegen, dass funktionale Programme effizient dynamisch kompiliert werden können.This thesis is about dynamic translation and optimization of functional programs. The goal of the optimization is increased run-time efficiency, which is obtained by compiler-directed elimination of programming language abstractions. Object-oriented programming languages have been implemented for several decades using run-time compilation techniques. With the introduction of the Java programming language and its virtual machine-based execution model, the practicability of this implementation method for real-world applications has been proved. Many aspects of modern programming languages, such as dynamic loading and linking of code (even across networks), reflection and security solutions (e.g., sandboxing) can be realized efficiently only by using dynamic transformation techniques. The goal of this work is to show that functional programming languages can be efficiently implemented in a similar way, and that these languages even offer advantages when compared to more common object-oriented languages. Efficiency, security and correctness of programs is easier to ensure in the functional setting. Towards this goal, we design and develop implementation techniques to enable dynamic compilation and optimization of functional programming languages: we describe an intermediate representation for functional programs (typed dynamic continuation-passing style), which is well suited for dynamic compilation. Based on this representation, we have developed an extension for incremental and selective code generation. The main contribution of this work shows how dynamic specialization of polymorphic functions and data structures can increase the run-time efficiency of functional programs considerably. We present the results of experimental measurements for a prototypical implementation, which prove that functional programs can efficiently be dynamically compiled

Wissenskonstruktion mit Computeralgebrasystemen in der Linearen Algebra/Geometrie der Sekundarstufe II

In vorliegender Untersuchung wird der Einfluss eines computer-intensiven und epistemologisch orientierten Kurses in gymnasialer Linearer Algebra u.a. auf die Beliefsysteme von Lernenden studiert. Die sozialkonstruktivistische APOS-Lerntheorie (Dubinsky) dient dem Design und de Analyse der innerhalb des Computeralgebrasystems (CAS) MuPAD realisierten Lernarrangements, die unter Beachtung von acht Prinzipien (z.B. der virtuellen Erfahrungsverankerung) die Wissenskonstruktion gestalten. Dabei werden – in kritischer Betrachtung von Reformbemühungen in Frankreich und den USA – verständnisrelevante Barrieren speziell der Linearen Algebra identifiziert, diagnostiziert und einer CAS-Behandlung zugeführt. Die matrixorientierte CAS-intensive Kursstrategie orientiert sich an der Modellvorstellung von epistemologischen Wissens-Wachstumsringen längs des sich entfaltenden Problems des Lösens von linearen (insbesondere: überbestimmten) Gleichungssystemen. Ein fachdidaktischer Schwerpunkt ist dabei die facettenreiche Analyse, Rekonstruktion und Elementarisierung des Begriffs der [Moore-Penrose-]Pseudoinversen und deren geometrischer Deutung als Orthogonalprojektion. Die empirischen Untersuchungen und Befunde umfassen neben ausgewählten Unterrichtsepisoden insbesondere Längs-und Querschnittserhebungen zu den epistemologischen Überzeugungsstrukturen (Beliefs, Mathematikweltbilder) sowie Vorüberlegungen zu einem CAS-Weltbild der Schülerinnen und Schüler

Robust Verteilte Software Transaktionen für Haskell

This thesis motivates and develops a robust distributed Software Transactional Memory (STM) library for Haskell. Many real-life applications are distributed by nature. They either control geographically wide spread hardware resources or utilize redundant hardware components to minimize system failure. STM is an abstraction for synchronizing shared resources in concurrent applications. It helps to prevent deadlocks and thus facilitates composing program code. We extend the STM abstraction to distributed systems and present an implementation efficient enough to be used in soft real-time applications. Further, the implemented library is robust in itself, offering the application developer a high abstraction level to realize robustness, hence, significantly simplifying this, in general, complex task.Die vorliegende Arbeit motiviert und entwickelt eine robuste, verteilte Software Transactional Memory (STM) Bibliothek für Haskell. Viele reale Anwendungen sind von Natur aus verteilt. Sie steuern entweder geografisch weit verteilte Ressourcen oder nutzen redundante Hardware-Komponenten, um Systemfehler zu verringern. STM ist eine Abstraktion, um gemeinsame Ressourcen in nebenläufigen Anwendungen zu synchronisieren. Sie hilft Verklemmungen zu verhindern und vereinfacht dadurch die Komposition des Programmcodes. Wir erweitern die STM-Abstraktion auf verteilte Systeme und präsentieren eine Implementierung, die effizient genug ist, um in weichen Echtzeit-Anwendungen genutzt zu werden. Weiterhin ist die implementierte Bibliothek selbst robust und bietet damit dem Anwendungsprogrammierer ein hohes Maß an Abstraktion, um Robustheit zu verwirklichen, was ihm diese, im Allgemeinen, komplexe Aufgabe deutlich erleichtert