Dynamically typed languages

Dynamically typed languages such as Python and Ruby have experienced a rapid grown in popularity in recent times. However, there is much confusion as to what makes these languages interesting relative to statically typed languages, and little knowledge of their rich history. In this chapter I explore the general topic of dynamically typed languages, how they differ from statically typed languages, their history, and their defining features

An Extensible Theorem Proving Frontend

Interaktive Theorembeweiser sind Softwarewerkzeuge zum computergestützten Beweisen, d.h. sie können entsprechend kodierte Beweise von logischen Aussagen sowohl verifizieren als auch beim Erstellen dieser unterstützen. In den letzten Jahren wurden weitreichende Formalisierungsprojekte über Mathematik sowie Programmverifikation mit solchen Theorembeweisern bewältigt. Der Theorembeweiser Lean insbesondere wurde nicht nur erfolgreich zum Verifizieren lange bekannter mathematischer Theoreme verwendet, sondern auch zur Unterstützung von aktueller mathematischer Forschung. Das Ziel des Lean-Projekts ist nichts weniger als die Arbeitsweise von Mathematikern grundlegend zu verändern, indem mit dem Computer formalisierte Beweise eine praktible Alternative zu solchen mit Stift und Papier werden sollen. Aufwändige manuelle Gutachten zur Korrektheit von Beweisen wären damit hinfällig und gleichzeitig wäre garantiert, dass alle nötigen Beweisschritte exakt erfasst sind, statt der Interpretation und dem Hintergrundwissen des Lesers überlassen zu sein. Um dieses Ziel zu erreichen, sind jedoch noch weitere Fortschritte hinsichtlich Effizienz und Nutzbarkeit von Theorembeweisern nötig. Als Schritt in Richtung dieses Ziels beschreibt diese Dissertation eine neue, vollständig erweiterbare Theorembeweiser-Benutzerschnittstelle ("frontend") im Rahmen von Lean 4, der nächsten Version von Lean. Aufgabe dieser Benutzerschnittstelle ist die textuelle Beschreibung und Entgegennahme der Beweiseingabe in einer Syntax, die mehrere teils widersprüchliche Ziele optimieren sollte: Kompaktheit, Lesbarkeit für menschliche Benutzer und Eindeutigkeit in der Interpretation durch den Theorembeweiser. Da in der geschriebenen Mathematik eine umfangreiche Menge an verschiedenen Notationen existiert, die von Jahr zu Jahr weiter wächst und sich gleichzeitig zwischen verschiedenen Feldern, Autoren oder sogar einzelnen Arbeiten unterscheiden kann, muss solch eine Schnittstelle es Benutzern erlauben, sie jederzeit mit neuen, ausdrucksfähigen Notationen zu erweitern und ihnen mit flexiblen Regeln Bedeutung zuzuschreiben. Dieser Wunsch nach Flexibilität der Eingabesprache lässt sich weiterhin auch auf der Ebene der einzelnen Beweisschritte ("Taktiken") sowie höheren Ebenen der Beweis- und Programmorganisation wiederfinden. Den Kernteil dieser gewünschten Erweiterbarkeit habe ich mit einem ausdrucksstarken Makrosystem für Lean realisiert, mit dem sich sowohl einfach Syntaxtransformationen ("syntaktischer Zucker") also auch komplexe, typgesteuerte Übersetzung in die Kernsprache des Beweisers ausdrücken lassen. Das Makrosystem basiert auf einem neuartigen Algorithmus für Makrohygiene, basierend auf dem der Lisp-Sprache Racket und von mir an die spezifischen Anforderungen von Theorembeweisern angepasst, dessen Aufgabe es ist zu gewährleisten, dass lexikalische Geltungsbereiche von Bezeichnern selbst für komplexe Makros wie intuitiv erwartet funktionieren. Besonders habe ich beim Entwurf des Makrosystems darauf geachtet, das System einfach zugänglich zu gestalten, indem mehrere Abstraktionsebenen bereitgestellt werden, die sich in ihrer Ausdrucksstärke unterscheiden, aber auf den gleichen fundamentalen Prinzipien wie der erwähnten Makrohygiene beruhen. Als ein Anwendungsbeispiel des Makrosystems beschreibe ich eine Erweiterung der aus Haskell bekannten "do"-Notation um weitere imperative Sprachfeatures. Die erweiterte Syntax ist in Lean 4 eingeflossen und hat grundsätzlich die Art und Weise verändert, wie sowohl Entwickler als auch Benutzer monadischen, aber auch puren Code schreiben. Das Makrosystem stellt das "Herz" des erweiterbaren Frontends dar, ist gleichzeitig aber auch eng mit anderen Softwarekomponenten innerhalb der Benutzerschnittstelle verknüpft oder von ihnen abhängig. Ich stelle das gesamte Frontend und das umgebende Lean-System vor mit Fokus auf Teilen, an denen ich maßgeblich mitgewirkt habe. Schließlich beschreibe ich noch ein effizientes Referenzzählungsschema für funktionale Programmierung, welches eine Neuimplementierung von Lean in Lean selbst und damit das erweiterbare Frontend erst ermöglicht hat. Spezifische Optimierungen darin zur Wiederverwendung von Allokationen vereinen, ähnlich wie die erweiterte do-Notation, die Vorteile von imperativer und pur funktionaler Programmierung in einem neuen Paradigma, das ich "pure imperative Programmierung" nenne

Reusable Components of Semantic Specifications

Semantic specifications of programming languages typically have poor modularity. This hinders reuse of parts of the semantics of one language when specifying a different language – even when the two languages have many constructs in common – and evolution of a language may require major reformulation of its semantics. Such drawbacks have discouraged language developers from using formal semantics to document their designs. In the PLanCompS project, we have developed a component-based approach to semantics. Here, we explain its modularity aspects, and present an illustrative case study: a component-based semantics for Caml Light. We have tested the correctness of the semantics by running programs on an interpreter generated from the semantics, comparing the output with that produced on the standard implementation of the language. Our approach provides good modularity, facilitates reuse, and should support co-evolution of languages and their formal semantics. It could be particularly useful in connection with domain-specific languages and language-driven software development

Liveness-Based Garbage Collection for Lazy Languages

We consider the problem of reducing the memory required to run lazy first-order functional programs. Our approach is to analyze programs for liveness of heap-allocated data. The result of the analysis is used to preserve only live data---a subset of reachable data---during garbage collection. The result is an increase in the garbage reclaimed and a reduction in the peak memory requirement of programs. While this technique has already been shown to yield benefits for eager first-order languages, the lack of a statically determinable execution order and the presence of closures pose new challenges for lazy languages. These require changes both in the liveness analysis itself and in the design of the garbage collector. To show the effectiveness of our method, we implemented a copying collector that uses the results of the liveness analysis to preserve live objects, both evaluated (i.e., in WHNF) and closures. Our experiments confirm that for programs running with a liveness-based garbage collector, there is a significant decrease in peak memory requirements. In addition, a sizable reduction in the number of collections ensures that in spite of using a more complex garbage collector, the execution times of programs running with liveness and reachability-based collectors remain comparable

Implementing and reasoning about hash-consed data structures in Coq

We report on four different approaches to implementing hash-consing in Coq programs. The use cases include execution inside Coq, or execution of the extracted OCaml code. We explore the different trade-offs between faithful use of pristine extracted code, and code that is fine-tuned to make use of OCaml programming constructs not available in Coq. We discuss the possible consequences in terms of performances and guarantees. We use the running example of binary decision diagrams and then demonstrate the generality of our solutions by applying them to other examples of hash-consed data structures

Proceedings of the Resolve Workshop 2006

The aim of the RESOLVE Workshop 2006 was to bring together researchers and educators interested in: Refining formal approaches to software engineering, especially component-based systems, and introducing them into the classroom. The workshop served as a forum for participants to present and discuss recent advances, trends, and concerns in these areas, as well as formulate a common understanding of emerging research issues and possible solution paths