A seamless, client-centric programming model for type safe web applications

We propose a new programming model for web applications which is (1) seamless; one program and one language is used to produce code for both client and server, (2) client-centric; the programmer takes the viewpoint of the client that runs code on the server rather than the other way around, (3) functional and type-safe, and (4) portable; everything is implemented as a Haskell library that implicitly takes care of all networking code. Our aim is to improve the painful and error-prone experience of today's standard development methods, in which clients and servers are coded in different languages and communicate with each other using ad-hoc protocols. We present the design of our library called Haste.App, an example web application that uses it, and discuss the implementation and the compiler technology on which it depends

Programming Language Techniques for Natural Language Applications

It is easy to imagine machines that can communicate in natural language. Constructing such machines is more difficult. The aim of this thesis is to demonstrate how declarative grammar formalisms that distinguish between abstract and concrete syntax make it easier to develop natural language applications. We describe how the type-theorectical grammar formalism Grammatical Framework (GF) can be used as a high-level language for natural language applications. By taking advantage of techniques from the field of programming language implementation, we can use GF grammars to perform portable and efficient parsing and linearization, generate speech recognition language models, implement multimodal fusion and fission, generate support code for abstract syntax transformations, generate dialogue managers, and implement speech translators and web-based syntax-aware editors. By generating application components from a declarative grammar, we can reduce duplicated work, ensure consistency, make it easier to build multilingual systems, improve linguistic quality, enable re-use across system domains, and make systems more portable

Deforestation for higher-order functional programs

Functional programming languages are an ideal medium for program optimisations based on source-to-source transformation techniques. Referential transparency affords opportunities for a wide range of correctness-preserving transformations leading to potent optimisation strategies. This thesis builds on deforestation, a program transformation technique due to Wadler that removes intermediate data structures from first-order functional programs. Our contribution is to reformulate deforestation for higher-order functional programming languages, and to show that the resulting algorithm terminates given certain syntactic and typing constraints on the input. These constraints are entirely reasonable, indeed it is possible to translate any typed program into the required syntactic form. We show how this translation can be performed automatically and optimally. The higher-order deforestation algorithm is transparent. That is, it is possible to determine by examination of the source program where the optimisation will be applicable. We also investigate the relationship of deforestation to cut-elimination, the normalisation property for the logic of sequent calculus. By combining a cut-elimination algorithm and first-order deforestation, we derive an improved higher-order deforestation algorithm. The higher-order deforestation algorithm has been implemented in the Glasgow Haskell Compiler. We describe how deforestation fits into the framework of Haskell, and design a model for the implementation that allows automatic list removal, with additional deforestation being performed on the basis of programmer supplied annotations. Results from applying the deforestation implementation to several example Haskell programs are given

A parallel functional language compiler for message-passing multicomputers

The research presented in this thesis is about the design and implementation of Naira, a parallel, parallelising compiler for a rich, purely functional programming language. The source language of the compiler is a subset of Haskell 1.2. The front end of Naira is written entirely in the Haskell subset being compiled. Naira has been successfully parallelised and it is the largest successfully parallelised Haskell program having achieved good absolute speedups on a network of SUN workstations. Having the same basic structure as other production compilers of functional languages, Naira's parallelisation technology should carry forward to other functional language compilers. The back end of Naira is written in C and generates parallel code in the C language which is envisioned to be run on distributed-memory machines. The code generator is based on a novel compilation scheme specified using a restricted form of Milner's 7r-calculus which achieves asynchronous communication. We present the first working implementation of this scheme on distributed-memory message-passing multicomputers with split-phase transactions. Simulated assessment of the generated parallel code indicates good parallel behaviour. Parallelism is introduced using explicit, advisory user annotations in the source' program and there are two major aspects of the use of annotations in the compiler. First, the front end of the compiler is parallelised so as to improve its efficiency at compilation time when it is compiling input programs. Secondly, the input programs to the compiler can themselves contain annotations based on which the compiler generates the multi-threaded parallel code. These, therefore, make Naira, unusually and uniquely, both a parallel and a parallelising compiler. We adopt a medium-grained approach to granularity where function applications form the unit of parallelism and load distribution. We have experimented with two different task distribution strategies, deterministic and random, and have also experimented with thread-based and quantum- based scheduling policies. Our experiments show that there is little efficiency difference for regular programs but the quantum-based scheduler is the best in programs with irregular parallelism. The compiler has been successfully built, parallelised and assessed using both idealised and realistic measurement tools: we obtained significant compilation speed-ups on a variety of simulated parallel architectures. The simulated results are supported by the best results obtained on real hardware for such a large program: we measured an absolute speedup of 2.5 on a network of 5 SUN workstations. The compiler has also been shown to have good parallelising potential, based on popular test programs. Results of assessing Naira's generated unoptimised parallel code are comparable to those produced by other successful parallel implementation projects

Adaptive architecture-transparent policy control in a distributed graph reducer

The end of the frequency scaling era occured around 2005 as the clock frequency has stalled for commodity architectures. Thus performance improvements that could in the past be expected with each new hardware generation needed to originate elsewhere. Almost all computer architectures exhibit substantial and growing levels of parallelism, exploiting which became one of the key sources of performance and scalability improvements. Alas, parallel programming proved much more difficult than sequential, due to the need to specify coordination and parallelism management aspects. Whilst low-level languages place the burden on the programmers reducing productivity and portability, semi-implicit approaches delegate the responsibility to sophisticated compilers and run-time systems. This thesis presents a study of adaptive load distribution based on work stealing using history and ancestry information in a distributed graph reducer for a nonstrict functional language. The results contribute to the exploration of more flexible run-time-system-level parallelism control implementing a semi-explicit model of parallelism, which offers productivity and high level of abstraction by delegating the responsibility of coordination to the run-time system. After characterising a set of parallel functional applications, we study the use of historical information to adapt the choice of the victim to steal from in a work stealing scheduler. We observe substantially lower numbers of messages for data-parallel and nested applications. However, this heuristic fails in cases where past application behaviour is not resembling future behaviour, for instance for Divide-&-Conquer applications with a large number of very fine-grained threads and generators of parallelism that move dynamically across processing elements. This mechanism is not specific to the language and the run-time system, and applies to other work stealing schedulers. Next, we focus on the other key work stealing decision of which sparks that represent potential parallelism to donate, investigating the effect of Spark Colocation on the performance of five Divide-&-Conquer programs run on a cluster of up to 256 PEs. When using Spark Colocation, the distributed graph reducer shares related work resulting in a higher degree of both potential and actual parallelism, and more fine-grained and less variable thread size. We validate this behaviour by observing a reduction in average fetch times, but increased amounts of FETCH messages and of inter-PE pointers for colocation, which nevertheless results in improved load balance for three of the five benchmark programs. The results show high speedups and speedup improvements for Spark Colocation for the three more regular and nested applications and performance degradation for two programs: one that is excessively fine-grained and one exhibiting limited scalability. Overall, Spark Colocation appears most beneficial for higher numbers of PEs, where improved load balance and higher degree of parallelism have more opportunities to pay off. In more general terms, we show that a run-time system can beneficially use historical information on past stealing successes that is gathered dynamically and used within the same run and the ancestry information dynamically reconstructed at run time using annotations. Moreover, the results support the view that different heuristics are beneficial for applications using different parallelism patterns, underlining the advantages of a flexible architecture-transparent approach.The Scottish Informatics and Computer Science Alliance (SICSA

Functional programming, program transformations and compiler construction

Dit proefschrift handelt over het ontwerp van de compilergenerator Elegant. Een compiler generator is een computer programma dat vanuit een speci??catie een compiler kan genereren. Een compiler is een computer programma dat een gestructureerde invoertekst kan vertalen in een uitvoertekst. Een compiler generator is zelf een compiler welke de speci??catie vertaalt in de programmatekst van de gegenereerde compiler. Dit heeft het mogelijk gemaakt om Elegant met zichzelf te genereren. Van een compilergenerator wordt verlangd dat deze een krachtig speci??catie formalisme vertaalt in een eÆci??ent programma, een eis waar Elegant aan voldoet. Een compiler bestaat uit een aantal onderdelen, te weten een scanner, een parser, een attribuutevaluator, een optimalisator en een codegenerator. Deze onderdelen kunnen door het Elegant systeem geneneerd worden, ieder uit een aparte speci??catie, met uitzondering van de parser en attribuutevaluator, welke gezamenlijk worden beschreven in de vorm van een zogenaamde attribuutgrammatica. De scanner wordt gegenereerd met behulp van een scannergenerator en heeft tot taak de invoertekst te splitsen in een rij symbolen. Deze rij symbolen kan vervolgens ontleed worden door een parser. Daarna berekent de attribuutevaluator eigenschappen van de invoertekst in de vorm van zogenaamde attributen. De attributenwaarden vormen een datastructuur. De vorm van deze datastructuur wordt gede??nieerd met behulp van typeringsregels in de Elegant programmeertaal. De optimalisator en codegenerator voeren operaties op deze datastructuur uit welke eveneens beschreven worden in de Elegant programmeertaal. Dit proefschrift beschrijft de invloed die functionele programmeertalen hebben gehad op het ontwerp van Elegant. Functionele talen zijn programmeertalen met als belangrijkste eigenschap dat functies een centrale rol vervullen. Functies kunnen worden samengesteld tot nieuwe functies, ze kunnen worden doorgegeven aan functies en worden opgeleverd als functieresultaat. Daarnaast staan functionele talen niet toe dat de waarde van een variable wordt gewijzigd, het zogenaamde nevene??ect, in tegenstelling tot imperatieve talen die zo'n nevene??ect wel toestaan. Deze laatste beperking maakt het mogelijk om met behulp van algebra??ische regels een functioneel programma te herschrijven in een ander functioneel programma met dezelfde betekenis. Dit herschrijfproces wordt ook wel progammatransformatie genoemd. De invloed van functionele talen op Elegant omvat: ?? Het beschrijven van ontleedalgorithmen als functionele programma's. Traditioneel worden ontleedalgorithmen beschreven met behulp van de theorie van stapelautomaten. In hoofdstuk 3 wordt aangetoond dat deze theorie niet nodig is. Met behulp van programmatransformaties zijn vele uit de literauur bekende ontleedalgorithmen af te leiden en worden ook nieuwe ontleedalgorithmen gevonden. Deze aanpak maakt het bovendien mogelijk om de vele verschillende ontleedalgorithmen met elkaar te combineren. ?? De evaluatie van attributen volgens de regels van een attribuutgrammatica blijkt eveneens goed te kunnen worden beschreven met behulp van functionele talen. Traditioneel bouwt een ontleedalgorithme tijdens het ontleden een zogenaamde ontleedboom op. Deze ontleedboom beschrijft de structuur van de invoertekst. Daarna wordt deze ontleedboom geanalyseerd en worden eigenschappen ervan in de vorm van attributen berekend. In hoofdstuk 4 van het proefschrift wordt aangetoond dat het niet nodig is de ontleedboom te construeren. In plaats daarvan is het mogelijk om tijdens het ontleden functies die attributen kunnen berekenen samen te stellen tot nieuwe functies. Uiteindelijk wordt er zo ??e??en functie geconstrueerd voor een gehele invoertekst. Deze functie wordt vervolgens gebruikt om de attribuutwaarden te berekenen. Voor de uitvoering van deze functie is het noodzakelijk gebruik te maken van zogenaamde "luie evaluatie". Dit is een mechanisme dat attribuutwaarden slechts dan berekent wanneer deze werkelijk noodzakelijk zijn. Dit verklaart de naam Elegant, welke een acroniem is voor "Exploiting Lazy Evaluation for the Grammar Attributes of Non- Terminals". ?? Scanners worden traditioneel gespeci??ceerd met behulp van zogenaamde reguliere expressies. Deze reguliere expressies kunnen worden afgebeeld op een eindige automaat. Met behulp van deze automaat kan de invoertekst worden geanalyseerd en gesplitst in symbolen. In hoofdstuk 5 wordt uiteengezet hoe functionele talen het mogelijk maken om scanneralgorithmen te construeren zonder gebruik te maken van automatentheorie. Door een reguliere expressie af te beelden op een functie en de functies voor de onderdelen van samengestelde reguliere expressies samen te stellen tot nieuwe functies kan een scannerfunctie geconstrueerd worden. Door gebruik te maken van programmatransformaties kan deze scanner deterministisch worden gemaakt en minimaal worden gehouden. ?? Het typeringssysteem van Elegant wordt beschreven in hoodstuk 6 en vormt een combinatie van systemen die in functionele en imperatieve talen worden gevonden. Functionele typeringssystemen omvatten typen welke bestaan uit een aantal varianten. Elk van deze varianten bestaat uit een aantal waarden. Bij een dergelijk typeringssysteem wordt een functie gede??ni??eerd door middel van een aantal deeelfuncties. Elke deelfunctie kan met behulp van zogenaamde patronen beschrijven voor welke van de varianten hij gede??ni??eerd is. Het blijkt dat imperatieve typesystemen welke subtypering mogelijk maken een generalisatie zijn van functionele typesystemen. In deze generalisatie kan een patroon worden opgevat als een subtype en een deelfunctie als een parti??ele functie. Het Elegant typesystemen maakt deze vorm van typering en functiebeschrijving mogelijk. Bij toepassing van een functie wordt de bijbehorende deelfunctie geselecteerd door de patronen te passen met de waarden van de actuele functieargumenten. In dit proefschrift wordt een eÆci??ent algorithme voor dit patroonpassen met behulp van programmatransformaties afgeleid uit de de??nitie van patronen. Het Elegant typeringssystemen bevat ook typen voor de modellering van luie evaluatie. De aanwezigheid van nevene??ekten maakt het mogelijk om drie verschillende luie typen te onderscheiden, welke verschillen in de wijze waarop de waarde van een lui object stabiliseert. ?? In hoofdstuk 7 wordt aangetoond dat de regels uit een attribuutgrammatica ook kunnen worden gebruikt om eigenschappen van een datastructuur te berekenen in plaats van eigenschappen van een invoertekst. Elegant biedt de mogelijkheid om zulke attribuutregels te gebruiken voor dit doel. ?? In hoofdstuk 8 tenslotte worden de Elegant programmeertaal en de eÆci??entie van de Elegant vertaler en door Elegant gegenereerde vertalers ge??evalueerd. Het blijkt dat de imperatieve Elegant programmeertaal dankzij abstractie mechanismen uit functionele talen een zeer rijke en krachtige taal is. Daarnaast zijn zowel Elegant zelf als de door Elegant gegenereerde vertalers van hoge eÆci??entie en blijken geschikt voor het maken van compilers voor professionele toepassingen