A Taxonomy of Metamodel Hierarchies

In the context of software engineering and model-driven development in particular, metamodeling gains more and more importance. So far, no classifying study of theoretical metamodeling concepts and hierarchy design options has been conducted in order to establish a comprehensive set of interrelated design variables, i.e. a coherent design space. A well-designed metamodeling hierarchy is essential to avoid problems not easily noticeable, like ambiguous classification and the replication of concepts. This study aims at exploring the theoretical foundation and providing a taxonomy or a design space for constructing tailor-made metamodel hierarchies for specific problems areas and domains

Parallelism in declarative languages

Imperative programming languages were initially built for uniprocessor systems that evolved out of the Von Neumann machine model. This model of storage oriented computation blocks parallelism and increases the cost of parallel program development and porting. Declarative languages based on mathematical models of computation, seem more suitable for the development of parallel programs. In the first part of this thesis we examine different language families under the declarative paradigm: functional, logic, and constraint languages. Functional languages are based on the abstract model of functions and (lamda)-calculus. They were initially developed for symbolic computation, but today they are commonly used in numerical analysis and many other application areas. Pure lisp is a widely known member of this class. Logic languages are based on first order predicate calculus. Although they were initially developed for theorem proving, fifth generation operating systems are written in them. Most logic languages are descendants or distant relatives of Prolog. Constraint languages are related to logic languages. In a constraint language you define a program object by placing constraints on its structure and its behavior. They were initially used in graphics applications, but today researchers work on using them in parallel computation. Here we will compare and contrast the language classes above, locate advantages and deficiencies, and explain different choices made by language implementors. In the second part of thesis we describe a front end for the CONSUL, a prototype constraint language for programming multiprocessors. The most important features of the front end are compact representation of constraints, type definitions, functional use of relations, and the ability to split programs into multiple files

Free Theorems in Languages with Real-World Programming Features

Free theorems, type-based assertions about functions, have become a prominent reasoning tool in functional programming languages. But their correct application requires a lot of care. Restrictions arise due to features present in implemented such languages, but not in the language free theorems were originally investigated in. This thesis advances the formal theory behind free theorems w.r.t. the application of such theorems in non-strict functional languages such as Haskell. In particular, the impact of general recursion and forced strict evaluation is investigated. As formal ground, we employ different lambda calculi equipped with a denotational semantics. For a language with general recursion, we develop and implement a counterexample generator that tells if and why restrictions on a certain free theorem arise due to general recursion. If a restriction is necessary, the generator provides a counterexample to the unrestricted free theorem. If not, the generator terminates without returning a counterexample. Thus, we may on the one hand enhance the understanding of restrictions and on the other hand point to cases where restrictions are superfluous. For a language with a strictness primitive, we develop a refined type system that allows to localize the impact of forced strict evaluation. Refined typing results in stronger free theorems and therefore increases the value of the theorems. Moreover, we provide a generator for such stronger theorems. Lastly, we broaden the view on the kind of assertions free theorems provide. For a very simple, strict evaluated, calculus, we enrich free theorems by (runtime) efficiency assertions. We apply the theory to several toy examples. Finally, we investigate the performance gain of the foldr/build program transformation. The latter investigation exemplifies the main application of our theory: Free theorems may not only ensure semantic correctness of program transformations, they may also ensure that a program transformation speeds up a program.Freie Theoreme sind typbasierte Aussagen über Funktionen. Sie dienen als beliebtes Hilfsmittel für gleichungsbasiertes Schließen in funktionalen Sprachen. Jedoch erfordert ihre korrekte Verwendung viel Sorgfalt. Bestimmte Sprachkonstrukte in praxisorientierten Programmiersprachen beschränken freie Theoreme. Anfängliche theoretische Arbeiten diskutieren diese Einschränkungen nicht oder nur teilweise, da sie nur einen reduzierten Sprachumfang betrachten. In dieser Arbeit wird die Theorie freier Theoreme weiterentwickelt. Im Vordergrund steht die Verbesserung der Anwendbarkeit solcher Theoreme in praxisorientierten, „nicht-strikt” auswertenden, funktionalen Programmiersprachen, wie Haskell. Dazu ist eine Erweiterung des formalen Fundaments notwendig. Insbesondere werden die Auswirkungen von allgemeiner Rekursion und selektiv strikter Auswertung untersucht. Als Ausgangspunkt für die Untersuchungen dient jeweils ein mit einer denotationellen Semantik ausgestattetes Lambda-Kalkül. Im Falle allgemeiner Rekursion wird ein Gegenbeispielgenerator entwickelt und implementiert. Ziel ist es zu zeigen ob und warum allgemeine Rekursion bestimmte Einschränkungen verursacht. Wird die Notwendigkeit einer Einschränkung festgestellt, liefert der Generator ein Gegenbeispiel zum unbeschränkten Theorem. Sonst terminiert er ohne ein Beispiel zu liefern. Auf der einen Seite erhöht der Generator somit das Verständnis für Beschränkungen. Auf der anderen Seite deutet er an, dass Beschränkungen teils überflüssig sind. Bezüglich selektiv strikter Auswertung wird in dieser Arbeit ein verfeinertes Typsystem entwickelt, das den Einfluss solcher vom Programmierer erzwungener Auswertung auf freie Theoreme lokal begrenzt. Verfeinerte Typen ermöglichen stärkere, und somit für die Anwendung wertvollere, freie Theoreme. Durch einen online verfügbaren Generator stehen die Theoreme faktisch aufwandsfrei zur Verfügung. Abschließend wird der Blick auf die Art von Aussagen, die freie Theoreme liefern können, erweitert. Für ein sehr einfaches, strikt auswertendes, Kalkül werden freie Theoreme mit Aussagen über Programmeffizienz bzgl. der Laufzeit angereichert. Die Anwendbarkeit der Theorie wird an einigen sehr einfachen Beispielen verifiziert. Danach wird die Auswirkung der foldr/build- Programmtransformation auf die Programmlaufzeit betrachtet. Diese Betrachtung steckt das Anwendungsziel ab: Freie Theoreme sollen nicht nur die semantische Korrektheit von Programmtransformationen verifizieren, sie sollen außerdem zeigen, wann Transformationen die Performanz eines Programms erhöhen