Lazy Evaluation and Delimited Control

The call-by-need lambda calculus provides an equational framework for reasoning syntactically about lazy evaluation. This paper examines its operational characteristics. By a series of reasoning steps, we systematically unpack the standard-order reduction relation of the calculus and discover a novel abstract machine definition which, like the calculus, goes "under lambdas." We prove that machine evaluation is equivalent to standard-order evaluation. Unlike traditional abstract machines, delimited control plays a significant role in the machine's behavior. In particular, the machine replaces the manipulation of a heap using store-based effects with disciplined management of the evaluation stack using control-based effects. In short, state is replaced with control. To further articulate this observation, we present a simulation of call-by-need in a call-by-value language using delimited control operations

On the Static and Dynamic Extents of Delimited Continuations

We show that breadth-first traversal exploits the difference between the static delimited-control operator shift (alias S) and the dynamic delimited-control operator control (alias F). For the last 15 years, this difference has been repeatedly mentioned in the literature but it has only been illustrated with one-line toy examples. Breadth-first traversal fills this vacuum. We also point out where static delimited continuations naturally give rise to the notion of control stack whereas dynamic delimited continuations can be made to account for a notion of `control queue.'

An Analytical Approach to Programs as Data Objects

This essay accompanies a selection of 32 articles (referred to in bold face in the text and marginally marked in the bibliographic references) submitted to Aarhus University towards a Doctor Scientiarum degree in Computer Science.The author's previous academic degree, beyond a doctoral degree in June 1986, is an "Habilitation à diriger les recherches" from the Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) in France; the corresponding material was submitted in September 1992 and the degree was obtained in January 1993.The present 32 articles have all been written since 1993 and while at DAIMI.Except for one other PhD student, all co-authors are or have been the author's students here in Aarhus

Classical logic, continuation semantics and abstract machines

One of the goals of this paper is to demonstrate that denotational semantics is useful for operational issues like implementation of functional languages by abstract machines. This is exemplified in a tutorial way by studying the case of extensional untyped call-by-name λ-calculus with Felleisen's control operator 𝒞. We derive the transition rules for an abstract machine from a continuation semantics which appears as a generalization of the ¬¬-translation known from logic. The resulting abstract machine appears as an extension of Krivine's machine implementing head reduction. Though the result, namely Krivine's machine, is well known our method of deriving it from continuation semantics is new and applicable to other languages (as e.g. call-by-value variants). Further new results are that Scott's D∞-models are all instances of continuation models. Moreover, we extend our continuation semantics to Parigot's λμ-calculus from which we derive an extension of Krivine's machine for λμ-calculus. The relation between continuation semantics and the abstract machines is made precise by proving computational adequacy results employing an elegant method introduced by Pitts

Model transformations in Converge

Model transformations are currently the focus of much interest and research due to the OMG’s QVT initiative. Current proposals for model transformation languages can be divided into two main camps: those taking a ‘declarative’ approach, and those opting for an ‘imperative’ approach. In this paper we detail an imperative, meta-circular, object orientated, pattern matching programming language Converge which is enriched with features pioneered by the Icon programming language, amongst them: success/failure, generators and goal-directed evaluation. By presenting these features in a language suitable for representing models, we show that we are able to gain some of the advantages of declarative approaches in an imperative setting

Towards Compatible and Interderivable Semantic Specifications for the Scheme Programming Language, Part I: Denotational Semantics, Natural Semantics, and Abstract Machines

We derive two big-step abstract machines, a natural semantics, and the valuation function of a denotational semantics based on the small-step abstract machine for Core Scheme presented by Clinger at PLDI'98. Starting from a functional implementation of this small-step abstract machine, (1) we fuse its transition function with its driver loop, obtaining the functional implementation of a big-step abstract machine; (2) we adjust this big-step abstract machine so that it is in defunctionalized form, obtaining the functional implementation of a second big-step abstract machine; (3) we refunctionalize this adjusted abstract machine, obtaining the functional implementation of a natural semantics in continuation style; and (4) we closure-unconvert this natural semantics, obtaining a compositional continuation-passing evaluation function which we identify as the functional implementation of a denotational semantics in continuation style. We then compare this valuation function with that of Clinger's original denotational semantics of Scheme

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

Stackless Multi-Threading for Embedded Systems

Programming support for multi-threaded applications on embedded microcontroller platforms has attracted a considerable amount of research attention in the recent years. This paper is focused on this problem, and presents UnStacked C, a source-to-source transformation that can translate multithreaded programs written in C into stackless continuations. The transformation can support legacy code by not requiring any changes to application code; only the underlying threading library needs modifications. We describe the details of UnStacked C in the context of the TinyOS operating system for wireless sensor network applications. We present a modified implementation of the TOSThreads library for TinyOS, and show how existing applications programmed using TOSThreads can be automatically transformed to use stackless threads with only modifications in the build process. By eliminating the need to allocate individual thread stacks and by supporting lazy thread preemption, UnStacked C enables a considerable saving of memory used and power consumed, respectively