Dynamic Compilation for Functional Programs

Diese Arbeit behandelt die dynamische, zur Laufzeit stattfindende Übersetzung und Optimierung funktionaler Programme. Ziel der Optimierung ist die erhöhte Laufzeiteffizient der Programme, die durch die compilergesteuerte Eliminierung von Abstraktionen der Programmiersprache erreicht wird. Bei der Implementierung objekt-orientierter Programmiersprachen werden bereits seit mehreren Jahrzehnten Compiler-Techniken zur Laufzeit eingesetzt, um objekt-orientierte Programme effizient ausführen zu können. Spätestens seit der Einführung der Programmiersprache Java und ihres auf einer abstrakten Maschine basierenden Ausführungsmodells hat sich die Praktikabilität dieser Implementierungstechnik gezeigt. Viele Eigenschaften moderner Programmiersprachen konnten erst durch den Einsatz dynamischer Transformationstechniken effizient realisiert werden, wie zum Beispiel das dynamische Nachladen von Programmteilen (auch über Netzwerke), Reflection sowie verschiedene Sicherheitslösungen (z.B. Sandboxing). Ziel dieser Arbeit ist zu zeigen, dass rein funktionale Programmiersprachen auf ähnliche Weise effizient implementiert werden können, und sogar Vorteile gegenüber den allgemein eingesetzten objekt-orientierten Sprachen bieten, was die Effizienz, Sicherheit und Korrektheit von Programmen angeht. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in dieser Arbeit Implementierungstechniken entworfen bzw. aus bestehenden Lösungen weiterentwickelt, welche die dynamische Kompilierung und Optimierung funktionaler Programme erlauben: zum einen präsentieren wir eine Programmzwischendarstellung (getypte dynamische Continuation-Passing-Style-Darstellung), welche sich zur dynamischen Kompilierung und Optimierung eignet. Basierend auf dieser Darstellung haben wir eine Erweiterung zur verzögerten und selektiven Codeerzeugung von Programmteilen entwickelt. Der wichtigste Beitrag dieser Arbeit ist die dynamische Spezialisierung zur Eliminierung polymorpher Funktionen und Datenstrukturen, welche die Effizienz funktionaler Programme deutlich steigern kann. Die präsentierten Ergebnisse experimenteller Messungen eines prototypischen Ausführungssystems belegen, dass funktionale Programme effizient dynamisch kompiliert werden können.This thesis is about dynamic translation and optimization of functional programs. The goal of the optimization is increased run-time efficiency, which is obtained by compiler-directed elimination of programming language abstractions. Object-oriented programming languages have been implemented for several decades using run-time compilation techniques. With the introduction of the Java programming language and its virtual machine-based execution model, the practicability of this implementation method for real-world applications has been proved. Many aspects of modern programming languages, such as dynamic loading and linking of code (even across networks), reflection and security solutions (e.g., sandboxing) can be realized efficiently only by using dynamic transformation techniques. The goal of this work is to show that functional programming languages can be efficiently implemented in a similar way, and that these languages even offer advantages when compared to more common object-oriented languages. Efficiency, security and correctness of programs is easier to ensure in the functional setting. Towards this goal, we design and develop implementation techniques to enable dynamic compilation and optimization of functional programming languages: we describe an intermediate representation for functional programs (typed dynamic continuation-passing style), which is well suited for dynamic compilation. Based on this representation, we have developed an extension for incremental and selective code generation. The main contribution of this work shows how dynamic specialization of polymorphic functions and data structures can increase the run-time efficiency of functional programs considerably. We present the results of experimental measurements for a prototypical implementation, which prove that functional programs can efficiently be dynamically compiled

Vom Schuss zur Spur : Molekulargenetische Analysen von Rückschleuderspuren nach Schüssen auf biologische Ziele

Pro Jahr werden in Deutschland mehrere Tausend Straftaten mit Schusswaffengebrauch registriert. Die Aufklärung des meist komplexen Szenarios durch eine objektive und allumfassende Rekonstruktion des entsprechenden Tathergangs ist von großem forensischem, wie auch juristischem Interesse. Die Analyse des Spurenbildes nach einem Schuss auf ein biologisches Ziel muss daher neben morphologischen und wundballistischen Befunden auch die Untersuchung von Rückschleuderspuren einschließen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Tatrekonstruktion sind entsprechende Analysen, die sowohl Schütze und Opfer als auch die verwendete Feuerwaffe einbeziehen können. Rückschleuderspuren, die bei einem Schuss auf ein biologisches Ziel durch wundballistische Effekte aus der Eintrittswunde retrograd zur Schussrichtung hin zur Feuerwaffe zurückgeschleudert werden, können in und an der Schusswaffe sowie am Schützen und in dessen Umgebung nachgewiesen werden. Jedoch bestimmt eine Vielzahl von verschiedenen Parametern die Entstehung und das Auftreten der Rückschleuderspuren am biologischen Ziel. Um die Variablen zur Entstehung und Verteilung der Rückschleuderspur nachvollziehen zu können, erfordert es aufwendige wissenschaftliche Studien, da nicht die Möglichkeit gegeben ist die Entstehung der Rückschleuderspur in einem einzigen Schussvorgang allumfassend zu untersuchen. Die in dieser Dissertationsschrift zusammengefassten Studien repräsentieren eine forensischinterdisziplinäre Analyse, die wesentliche Einzelprozesse eines (Nah-)Schussgeschehens von der Entstehung bis zur Konsolidierung einer biologischen Spur umfasst. Diese komplexe Analyse beinhaltet die Untersuchung eines geeigneten RNA-Isolationsverfahrens, die Gewinnung und Prüfung der Haltbar- und Beständigkeit verschiedener Nukleinsäuren aus dem Feuerwaffenlauf, die Untersuchung der Abhängigkeit des Spurenaufkommens von der Schussentfernung, die Analyse verschiedener Spurensicherungsmethoden von Schussrückständen auf Händen tatbeteiligter Personen, sowie der Korrelation des RNA-Abbaus mit der vergangenen Zeit seit Spurenlegung

Meson spectroscopy with COMPASS

The COMPASS fixed-target experiment at CERN SPS is dedicated to the study of hadron structure and dynamics. In the physics programme using hadron beams, the focus is on the detection of new states, in particular the search for $J^{PC}$ exotic states and glueballs. After a short pilot run in 2004 (190 GeV/c negative pion beam, lead target), we started our hadron spectroscopy programme in 2008 by collecting an unprecedented statistics with a negative hadron beam (190 GeV/c) on a liquid hydrogen target. A similar amount of data with positive hadron beam (190 GeV/c) has been taken in 2009, as well as some additional data with negative beam on nuclear targets. The spectrometer features a large angular acceptance and high momentum resolution and also good coverage by electromagnetic calorimetry, crucial for the detection of final states involving $\pi^0$ or $\eta$. A first important result is the observation of a significant $J^{PC}$ spin exotic signal consistent with the disputed $\pi_1(1600)$ in the pilot run data. This result was recently published. We present an overview of the status of various ongoing analyses on the 2008/09 data.Comment: 6 pages, 6 figures, to appear in the proceedings of the International Nuclear Physics Conference 2010, Vancouver, Canada, 04-09 Jul 201

Hadron Spectroscopy with COMPASS at CERN

The aim of the COMPASS hadron programme is to study the light-quark hadron spectrum, and in particular, to search for evidence of hybrids and glueballs. COMPASS is a fixed-target experiment at the CERN SPS and features a two-stage spectrometer with high momentum resolution, large acceptance, particle identification and calorimetry. A short pilot run in 2004 resulted in the observation of a spin-exotic state with $J^{PC} = 1^{-+}$ consistent with the debated $\pi1(1600)$. In addition, Coulomb production at low momentum transfer data provide a test of Chiral Perturbation Theory. During 2008 and 2009, a world leading data set was collected with hadron beam which is currently being analysed. The large statistics allows for a thorough decomposition of the data into partial waves. The COMPASS hadron data span over a broad range of channels and shed light on several different aspects of QCD.Comment: 4 pages, 5 figure

First Measurement of Chiral Dynamics in \pi^- \gamma -> \pi^- \pi^- \pi^+

The COMPASS collaboration at CERN has investigated the \pi^- \gamma -> \pi^- \pi^- \pi^+ reaction at center-of-momentum energy below five pion masses, sqrt(s) < 5 m(\pi), embedded in the Primakoff reaction of 190 GeV pions impinging on a lead target. Exchange of quasi-real photons is selected by isolating the sharp Coulomb peak observed at smallest momentum transfers, t' < 0.001 (GeV/c)^2. Using partial-wave analysis techniques, the scattering intensity of Coulomb production described in terms of chiral dynamics and its dependence on the 3\pi-invariant mass m(3\pi) = sqrt(s) were extracted. The absolute cross section was determined in seven bins of $\sqrt{s}$ with an overall precision of 20%. At leading order, the result is found to be in good agreement with the prediction of chiral perturbation theory over the whole energy range investigated.Comment: 10 pages, 5 figure

Interplay among transversity induced asymmetries in hadron leptoproduction

In the fragmentation of a transversely polarized quark several left-right asymmetries are possible for the hadrons in the jet. When only one unpolarized hadron is selected, it exhibits an azimuthal modulation known as Collins effect. When a pair of oppositely charged hadrons is observed, three asymmetries can be considered, a di-hadron asymmetry and two single hadron asymmetries. In lepton deep inelastic scattering on transversely polarized nucleons all these asymmetries are coupled with the transversity distribution. From the high statistics COMPASS data on oppositely charged hadron-pair production we have investigated for the first time the dependence of these three asymmetries on the difference of the azimuthal angles of the two hadrons. The similarity of transversity induced single and di-hadron asymmetries is discussed. A new analysis of the data allows to establish quantitative relationships among them, providing for the first time strong experimental indication that the underlying fragmentation mechanisms are all driven by a common physical process.Comment: 6 figure

Longitudinal double spin asymmetries in single hadron quasi-real photoproduction at high pTp_T

We measured the longitudinal double spin asymmetries $A_{LL}$ for single hadron muo-production off protons and deuterons at photon virtuality $Q^2$ < 1(GeV/$\it c$)$^2$ for transverse hadron momenta $p_T$ in the range 0.7 GeV/$\it c$ to 4 GeV/$\it c$ . They were determined using COMPASS data taken with a polarised muon beam of 160 GeV/$\it c$ or 200 GeV/$\it c$ impinging on polarised $\mathrm{{}^6LiD}$ or $\mathrm{NH_3}$ targets. The experimental asymmetries are compared to next-to-leading order pQCD calculations, and are sensitive to the gluon polarisation $\Delta G$ inside the nucleon in the range of the nucleon momentum fraction carried by gluons $0.05 < x_g < 0.2$

Interplay among transversity induced asymmetries in hadron leptoproduction

In the fragmentation of a transversely polarized quark several left-right asymmetries are possible for the hadrons in the jet. When only one unpolarized hadron is selected, it exhibits an azimuthal modulation known as Collins effect. When a pair of oppositely charged hadrons is observed, three asymmetries can be considered, a di-hadron asymmetry and two single hadron asymmetries. In lepton deep inelastic scattering on transversely polarized nucleons all these asymmetries are coupled with the transversity distribution. From the high statistics COMPASS data on oppositely charged hadron-pair production we have investigated for the first time the dependence of these three asymmetries on the difference of the azimuthal angles of the two hadrons. The similarity of transversity induced single and di-hadron asymmetries is discussed. A new analysis of the data allows to establish quantitative relationships among them, providing for the first time strong experimental indication that the underlying fragmentation mechanisms are all driven by a common physical process.Comment: 6 figure

Measurement of the charged-pion polarisability

The COMPASS collaboration at CERN has investigated pion Compton scattering, $\pi^-\gamma\rightarrow \pi^-\gamma$, at centre-of-mass energy below 3.5 pion masses. The process is embedded in the reaction $\pi^-\mathrm{Ni}\rightarrow\pi^-\gamma\;\mathrm{Ni}$, which is initiated by 190\,GeV pions impinging on a nickel target. The exchange of quasi-real photons is selected by isolating the sharp Coulomb peak observed at smallest momentum transfers, $Q^2<0.0015$\,(GeV/$c$)$^2$. From a sample of 63\,000 events the pion electric polarisability is determined to be $\alpha_\pi\ =\ (\,2.0\ \pm\ 0.6_{\mbox{\scriptsize stat}}\ \pm\ 0.7_{\mbox{\scriptsize syst}}\,) \times 10^{-4}\,\mbox{fm}^3$under the assumption$\alpha_\pi=-\beta_\pi$, which relates the electric and magnetic dipole polarisabilities. It is the most precise measurement of this fundamental low-energy parameter of strong interaction, that has been addressed since long by various methods with conflicting outcomes. While this result is in tension with previous dedicated measurements, it is found in agreement with the expectation from chiral perturbation theory. An additional measurement replacing pions by muons, for which the cross-section behavior is unambigiously known, was performed for an independent estimate of the systematic uncertainty.Comment: Published version: 9 pages, 3 figures, 1 tabl