Introduction to the Literature on Programming Language Design

This is an introduction to the literature on programming language design and related topics. It is intended to cite the most important work, and to provide a place for students to start a literature search

Introduction to the Literature On Programming Language Design

This is an introduction to the literature on programming language design and related topics. It is intended to cite the most important work, and to provide a place for students to start a literature search

Abstractions for Distributed Programming: Guests or Relatives?

What abstractions are useful for expressing distributed interaction? This question has constituted an active area of research in the last decades and several candidates have been proposed, including remote method invocation, tuple spaces and publish/subscribe. How should these abstractions be supported? Through a library or ``directly'' within a language? This important complementary question has sparked less enthousiasm. This paper contributes to addressing this question in the context of Java and the type-based publish/subscribe (TPS) abstraction, an object-oriented variant of the publish/subscribe paradigm. We compare our three implementations of TPS, namely in (1) an extension of Java we designed to inherently support TPS, (2) standard Java, and (3) Java augmented with genericity. Through our comparison, we identify some general purpose that features that an object-oriented language should have in order to enable a satisfactory library implementation of TPS. We (re-)insist here on the importance of providing both genericity and reflective features in the language, and point out the very fact that the way these features are currently supported might indeed enable satisfactory implementations of remote method invocations, yet is still insufficient for TPS and tuple spaces

Linguistic Support for Large-Scale Distributed Programming

We present three operators for the expression of event-based large-scale distributed programming. In short, these operators support a publish/subscribe-based interaction scheme, leading to a distributed object programming model merging the benefits of objects and events. For the integration of our operators into a strongly typed object-oriented language we identify a set of four concepts, roughly (1) serialization, (2) multiple subtyping, (3) multi-methods, and (4) closures, which provided by a language, enable its smooth integration with our model of publish/subscribe interaction. These concepts are illustrated through Java, which we augment by anonymous methods, a simple form of closures, and in which we use double dispatch to make up for the lack of multi-methods. A precompiler transforms code related to our publish/subscribe operators into calls to specifically generated typed adapters, which are similar to typed stubs/skeletons for remote method invocations

Instant Pickles: Generating Object-Oriented Pickler Combinators for Fast and Extensible Serialization

As more applications migrate to the cloud, and as “big data” edges into even more production environments, the performance and simplicity of exchanging data between compute nodes/devices is increasing in importance. An issue central to distributed programming, yet often under-considered, is serialization or pickling, i.e., persisting runtime objects by converting them into a binary or text representation. Pickler combinators are a popular approach from functional programming; their composability alleviates some of the tedium of writing pickling code by hand, but they don’t translate well to object-oriented programming due to qualities like open class hierarchies and subtyping polymorphism. Furthermore, both functional pickler combinators and popular, Java-based serialization frameworks tend to be tied to a specific pickle format, leaving programmers with no choice of how their data is persisted. In this paper, we present object-oriented pickler combinators and a framework for generating them at compile-time, called scala/pickling, designed to be the default serialization mechanism of the Scala programming language. The static generation of OO picklers enables significant performance improvements, outperforming Java and Kryo in most of our benchmarks. In addition to high performance and the need for little to no boilerplate, our framework is extensible: using the type class pattern, users can provide both (1) custom, easily interchangeable pickle formats and (2) custom picklers, to override the default behavior of the pickling framework. In benchmarks, we compare scala/pickling with other popular industrial frameworks, and present results on time, memory usage, and size when pickling/unpickling a number of data types used in real-world, large-scale distributed applications and frameworks

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

Language Support for Distributed Functional Programming

Software development has taken a fundamental turn. Software today has gone from simple, closed programs running on a single machine, to massively open programs, patching together user experiences byway of responses received via hundreds of network requests spanning multiple machines. At the same time, as data continues to stockpile, systems for big data analytics are on the rise. Yet despite this trend towards distributing computation, issues at the level of the language and runtime abound. Serialization is still a costly runtime affair, crashing running systems and confounding developers. Function closures are being added to APIs for big data processing for use by end-users without reliably being able to transmit them over the network. And much of the frameworks developed for handling multiple concurrent requests byway of asynchronous programming facilities rely on blocking threads, causing serious scalability issues. This thesis describes a number of extensions and libraries for the Scala programming language that aim to address these issues and to provide a more reliable foundation on which to build distributed systems. This thesis presents a new approach to serialization called pickling based on the idea of generating and composing functional pickler combinators statically. The approach shifts the burden of serialization to compile time as much as possible, enabling users to catch serialization errors at compile time rather than at runtime. Further, by virtue of serialization code being generated at compile time, our framework is shown to be significantly more performant than other state-of-the-art serialization frameworks. We also generalize our technique for generating serialization code to generic functions other than pickling. Second, in light of the trend of distributed data-parallel frameworks being designed around functional patterns where closures are transmitted across cluster nodes to large-scale persistent datasets, this thesis introduces a new closure-like abstraction and type system, called spores, that can guarantee closures to be serializable, thread-safe, or even have custom user-defined properties. Crucially, our system is based on the principle of encoding type information corresponding to captured variables in the type of a spore. We prove our type system sound, implement our approach for Scala, evaluate its practicality through a small empirical study, and show the power of these guarantees through a case analysis of real-world distributed and concurrent frameworks that this safe foundation for closures facilitates. Finally, we bring together the above building blocks, pickling and spores, to form the basis of a new programming model called function-passing. Function-passing is based on the idea of a distributed persistent data structure which stores in its nodes transformations to data rather than the distributed data itself, simplifying fault recovery by design. Lazy evaluation is also central to our model; by incorporating laziness into our design only at the point of initiating network communication, our model remains easy to reason about while remaining efficient in time and memory. We formalize our programming model in the form of a small-step operational semantics which includes a precise specification of the semantics of functional fault recovery, and we provide an open-source implementation of our model in and for Scala

Simplifying the Analysis of C++ Programs

Based on our experience of working with different C++ front ends, this thesis identifies numerous problems that complicate the analysis of C++ programs along the entire spectrum of analysis applications. We utilize library, language, and tool extensions to address these problems and offer solutions to many of them. In particular, we present efficient, expressive and non-intrusive means of dealing with abstract syntax trees of a program, which together render the visitor design pattern obsolete. We further extend C++ with open multi-methods to deal with the broader expression problem. Finally, we offer two techniques, one based on refining the type system of a language and the other on abstract interpretation, both of which allow developers to statically ensure or verify various run-time properties of their programs without having to deal with the full language semantics or even the abstract syntax tree of a program. Together, the solutions presented in this thesis make ensuring properties of interest about C++ programs available to average language users