Integrando Haskell à Plataforma .NET

Integrando Haskell à Integrando Haskell à Plataforma .NETPlataforma .NET

Dissertação de MestradoDissertação de MestradoMonique Louise de Barros MonteiroMonique Louise de Barros Monteiro

Orientador: Orientador: André Luís de Medeiros SantosAndré Luís de Medeiros Santos

Integrando Haskell à Plataforma .NET

MotivaçãoMotivação

Linguagens FuncionaisLinguagens Funcionais• Altamente produtivasAltamente produtivas• Base formalBase formal

Linguagens OOLinguagens OO• Largamente utilizadasLargamente utilizadas• Rico conjunto de APIsRico conjunto de APIs• Plataformas de desenvolvimento / execuçãoPlataformas de desenvolvimento / execução


AgendaAgenda

Plataforma .NETPlataforma .NET Integrando Linguagens Funcionais a .NETIntegrando Linguagens Funcionais a .NET O Compilador Haskell.NETO Compilador Haskell.NET Análise de DesempenhoAnálise de Desempenho Conclusões e Trabalhos FuturosConclusões e Trabalhos Futuros

Plataforma .NETPlataforma .NET


Visão GeralVisão Geral

ASP .NET

Common Language Runtime

Web Services Web Forms

Biblioteca de Classes Básicas

ADO .NET – Dados e XML

Windows Forms

““Plataforma multilinguagem de Plataforma multilinguagem de desenvolvimento e execução que permite desenvolvimento e execução que permite que diferentes linguagens e bibliotecas que diferentes linguagens e bibliotecas

trabalhem juntas, de forma transparente, trabalhem juntas, de forma transparente, fácil de construir, gerenciar e integrar com fácil de construir, gerenciar e integrar com

outros sistemas de rede.”outros sistemas de rede.”


CLRCLR

• Common Language RuntimeCommon Language Runtime

• Ambiente de execução da Plataforma .NETAmbiente de execução da Plataforma .NET

• Algumas características:Algumas características:– Compilação Compilação just-in-timejust-in-time– Suporte nativo a delegates e GenericsSuporte nativo a delegates e Generics– Garbage collector Garbage collector geracionalgeracional

• Implementação da CLIImplementação da CLI


CLICLI

• Common Language InfrastructureCommon Language Infrastructure

• Padrão submetido à ECMA InternationalPadrão submetido à ECMA International

• Especificação para código executável e para Especificação para código executável e para o ambiente onde o código será executadoo ambiente onde o código será executado

• Componentes:Componentes:– MetadadosMetadados– Virtual Execution SystemVirtual Execution System– Common Type SystemCommon Type System– Common Language SpecificationCommon Language Specification


JVM x CLRJVM x CLR

Foco em linguagens OOFoco em linguagens OO

Interoperabilidade entre Interoperabilidade entre linguagenslinguagens

Suporte a Suporte a tail callstail calls

Suporte a ponteiros para funçãoSuporte a ponteiros para função

JVMJVM

●●○○○○○○

CLRCLR

○○●●●●●●

Integrando Integrando Linguagens Linguagens

Funcionais a .NETFuncionais a .NET


Integração – AlternativasIntegração – Alternativas

• BridgeBridge– Componente intermediador de chamadas entre Componente intermediador de chamadas entre

dois ambientes de execuçãodois ambientes de execução– Marshalling / UnmarshallingMarshalling / Unmarshalling– Ex.: Hugs.NETEx.: Hugs.NET

• CompilaçãoCompilação– Maiores possibilidades de interoperabilidadeMaiores possibilidades de interoperabilidade– Compartilhamento do ambiente de execuçãoCompartilhamento do ambiente de execução


Trabalhos RelacionadosTrabalhos Relacionados• Linguagens não estritasLinguagens não estritas

– Hugs .NETHugs .NET– MondrianMondrian– Haskell Haskell → → ILXILX– Haskell.NETHaskell.NET

• Linguagens estritasLinguagens estritas– F#F#– NemerleNemerle– SchemeScheme– SML .NETSML .NET

• Implementações para a JVMImplementações para a JVM– Haskell, SML, SchemeHaskell, SML, Scheme

O Compilador O Compilador Haskell.NETHaskell.NET


ArquiteturaArquitetura

• Extensão do Glasgow Haskell Compiler (GHC)Extensão do Glasgow Haskell Compiler (GHC)– Uso do Uso do front end front end e das otimizações aplicadas pelo e das otimizações aplicadas pelo

GHCGHC

• Tradução de STG (Shared Term Graph Tradução de STG (Shared Term Graph Language) para CIL (Common Intermediate Language) para CIL (Common Intermediate Language, ou “IL”),Language, ou “IL”), assemblyassembly da CLR da CLR– Linguagem funcional simplificadaLinguagem funcional simplificada

• Ambiente de Execução (“Ambiente de Execução (“runtime systemruntime system”)”)

• Geração de código verificávelGeração de código verificável


GHC – Arquitetura GHC – Arquitetura


Estratégia de CompilaçãoEstratégia de Compilação

• Uniões DiscriminadasUniões Discriminadas

• ClosuresClosures

• Ambiente de execuçãoAmbiente de execução– Versão 1Versão 1– Versão 2Versão 2

• Aplicação de FunçõesAplicação de Funções

• Controle da Pilha de ChamadasControle da Pilha de Chamadas


• Construtores – Alternativas de Representação:Construtores – Alternativas de Representação:– Uma classe por construtor (Ex.: F#, Mondrian)Uma classe por construtor (Ex.: F#, Mondrian)– Compartilhamento de classes Compartilhamento de classes

• Casamento de padrão – Alternativas de Representação:Casamento de padrão – Alternativas de Representação:– Uso de instrução Uso de instrução switchswitch– Uso de instruções para identificação da classe (Ex.: F#, Uso de instruções para identificação da classe (Ex.: F#,

Mondrian)Mondrian)

• Alternativa adotada: compartilhamento de classes + Alternativa adotada: compartilhamento de classes + switchswitch

Uniões DiscriminadasUniões Discriminadas

data List t = Nil | Cons t (List t)

•List é uma união discriminada.

•Nil e Cons são construtores.


• Casamento de padrão:Casamento de padrão:

Uniões DiscriminadasUniões Discriminadas

switch (scrutinee.tag) { case 1: ... case 2: Pack 2<Closure,Closure> k = (Pack 2<Closure,Closure>) scrutinee; Closure arg_1 = k.arg1; Closure arg_2 = k.arg2; ...}

new Pack(1);

new Pack_2<Closure, Closure>(2, x, xs);

• Aplicação de construtores:Aplicação de construtores:


ClosuresClosures • Objetos alocados dinamicamente que Objetos alocados dinamicamente que

encapsulam um código a ser executado e um encapsulam um código a ser executado e um ambiente que pode ser acessado pelo código.ambiente que pode ser acessado pelo código.

• Em linguagens Em linguagens lazy, lazy, argumentos e variáveis argumentos e variáveis livres são closures.livres são closures.

f :: Int -> u -> (Int -> Int)

f x y = let g w = x + w in g

•g é uma closure que encapsula um código que espera receber um argumento e acessa um argumento recebido por f.

•x é uma variável livre em g.

•f é uma closure sem variáveis livres.


ClosuresClosures• Alternativas de Representação:Alternativas de Representação:

– Uma classe por closureUma classe por closure• Grande número de classesGrande número de classes• Ex.: F#, Mondrian, implementações para JVMEx.: F#, Mondrian, implementações para JVM

– Classes genéricas para vários tipos de closureClasses genéricas para vários tipos de closure• Uso de ponteiro para método – náo verificável Uso de ponteiro para método – náo verificável • Uso de delegatesUso de delegates

• Alternativa adotada: classes genéricas com Alternativa adotada: classes genéricas com uso de delegatesuso de delegates


DelegateDelegate

• Objeto que encapsula:Objeto que encapsula:– um ponteiro para um método a ser invocadoum ponteiro para um método a ser invocado– uma referência para o objeto alvo no qual o uma referência para o objeto alvo no qual o

método deverá ser chamado (método deverá ser chamado (nullnull para método para método estáticos)estáticos)

• Instância de uma classe que herda de Instância de uma classe que herda de MulticastDelegateMulticastDelegate MulticastDelegate

MeuDelegate

Invoke()BeingInvoke()EndInvoke()

Implementação da CLI


Ambiente de Execução 1Ambiente de Execução 1

MulticastDelegate

Updatable

value : IClosure

Invoke()

Updatable_1_FV<T1>

value : IClosurefv1 : T1

Invoke()

Updatable_2_FV<T1,T2>

value : IClosurefv1 : T1fv2 : T2

Invoke()

IClosure

Enter()

NonUpdatable_2_FV<T1,T2>

arity : intfv1 : T1fv2 : T2pap : IPAP

Invoke()

NonUpdatable

arity : int

Invoke()

IClosure

Enter()

NonUpdatable_1_FV<T1>

arity : intfv1 : T1pap : IPAP

Invoke()

MulticastDelegate

Updatable

value : IClosure

Invoke()

Updatable_1_FV<T1>

value : IClosurefv1 : T1

Invoke()


value : IClosurefv1 : T1fv2 : T2

Invoke()

IClosure

Enter()


arity : intfv1 : T1fv2 : T2pap : IPAP

Invoke()

NonUpdatable

arity : int

Invoke()

IClosure

Enter()


arity : intfv1 : T1pap : IPAP

Invoke()

IClosure

Enter()

Pack

tag : int

Pack_1<T1>

arg1 : T1

Pack_2<T1,T2>

arg1 : T1arg2 : T2

IClosure

Enter()

Pack

tag : int

Pack_1<T1>

arg1 : T1

Pack_2<T1,T2>

arg1 : T1arg2 : T2

IPAP

PAP_1<T1>

arg1 : T1

PAP_2<T1,T2>

arg1 : T1arg2 : T2

IPAP

PAP_1<T1>

arg1 : T1

PAP_2<T1,T2>

arg1 : T1arg2 : T2


Ambiente de Execução 2Ambiente de Execução 2

Closure

Enter()

Updatable

value : Closurefunction : UpdCloFunction_1_FV<T1>

Updatable_1_FV<T1>

fv1 : T1value : Closurefunction : UpdCloFunction_1_FV<T1>


fv1 : T1fv2 : T2value : Closurefunction : UpdCloFunction_2_FV<T1,T2>


arity : Integerpap : IPAPfv1 : T1fv2 : T2function : NonUpdCloFunction_2_FV<T1,T2>


arity : Integerpap : IPAPfv1 : T1function : NonUpdCloFunction_1_FV<T1>

NonUpdatable

arity : Integerpap : IPAPfunction : NonUpdCloFunction

Closure

Enter()

Updatable

value : Closurefunction : UpdCloFunction_1_FV<T1>

Updatable_1_FV<T1>

fv1 : T1value : Closurefunction : UpdCloFunction_1_FV<T1>


fv1 : T1fv2 : T2value : Closurefunction : UpdCloFunction_2_FV<T1,T2>


arity : Integerpap : IPAPfv1 : T1fv2 : T2function : NonUpdCloFunction_2_FV<T1,T2>


arity : Integerpap : IPAPfv1 : T1function : NonUpdCloFunction_1_FV<T1>

NonUpdatable

arity : Integerpap : IPAPfunction : NonUpdCloFunction


Aplicação de FunçõesAplicação de Funções

• Aplicação de funções desconhecidas Aplicação de funções desconhecidas estaticamente ou aplicações parciaisestaticamente ou aplicações parciais

• Modelo push/enter (Ex.: Mondrian)Modelo push/enter (Ex.: Mondrian)– Código da função chamada a aplica ao número correto Código da função chamada a aplica ao número correto

de argumentosde argumentos– Fast entry pointFast entry point– Slow entry pointSlow entry point

• Modelo eval/apply (Ex.: F#, Bigloo for Scheme)Modelo eval/apply (Ex.: F#, Bigloo for Scheme)– Função chamadora aplica a função chamada ao Função chamadora aplica a função chamada ao

número correto de argumentosnúmero correto de argumentos

• Alternativa adotada: modelo push/enterAlternativa adotada: modelo push/enter– Maior facilidade de implementaçãoMaior facilidade de implementação


Pilha de ChamadasPilha de Chamadas

• Pilha de chamadas tende a um crescimento Pilha de chamadas tende a um crescimento muito rápidomuito rápido

• Possíveis soluções:Possíveis soluções:– Tail-calls (prefixo suportado pela IL - Tail-calls (prefixo suportado pela IL - .tail.tail))– TrampolimTrampolim

– Instrução Instrução jmp (njmp (não verificável)ão verificável)

while (f != null) f = f.Invoke();


• Função Função mapmap

ExemploExemplo


1 public static IClosure map(IClosure f, IClosure l) {2 Pack scrutinee = (Pack) l.Enter();3 switch (scrutinee.tag) {4 case 1: return new Pack(1);5 case 2:6 Pack 2<Closure,Closure>k = 7 (Pack 2<Closure,Closure>) scrutinee;7 Closure arg 1 = k.arg1; Closure arg 2 = k.arg2;9 Updatable_2_FV<Closure,Closure>fx_closure =10 new Updatable_2_FV<Closure,IClosure>(11 new UpdCloFunction<Closure,IClosure>(fx));11 fx closure.fv1 = arg 1; fx closure.fv2 = f;12 Updatable_2_FV<Closure,Closure>fxs closure =13 new Updatable_2_FV<Closure,Closure>(14 new UpdCloFunction<Closure,IClosure>((fxs));14 fxs closure.fv1 = f; fxs closure.fv2 = arg 2;15 return new Pack 2<IClosure,IClosure>(2,fx closure,fxs closure);16 }17 }19 public static Closure fx(Updatable_2_FV<Closure,Closure> closure){20 RuntimeSystem.Push(closure.fv1);21 return <tail> closure.fv2.Enter();22 }23 public static Closure fxs(Updatable_2_FV<Closure,Closure> closure){24 return <tail>map(closure.fv1, closure.fv2);25 }

1 public static IClosure map(IClosure f, IClosure l) {2 Pack scrutinee = (Pack) l.Enter();3 switch (scrutinee.tag) {4 case 1: return new Pack(1);5 case 2:6 Pack 2<Closure,Closure>k = 7 (Pack 2<Closure,Closure>) scrutinee;7 Closure arg 1 = k.arg1; Closure arg 2 = k.arg2;9 Updatable_2_FV<Closure,Closure>fx_closure =10 new Updatable_2_FV<Closure,IClosure>(11 new UpdCloFunction<Closure,IClosure>(fx));11 fx closure.fv1 = arg 1; fx closure.fv2 = f;12 Updatable_2_FV<Closure,Closure>fxs closure =13 new Updatable_2_FV<Closure,Closure>(14 new UpdCloFunction<Closure,IClosure>((fxs));14 fxs closure.fv1 = f; fxs closure.fv2 = arg 2;15 return new Pack 2<IClosure,IClosure>(2,fx closure,fxs closure);16 }17 }19 public static Closure fx(Updatable_2_FV<Closure,Closure> closure){20 RuntimeSystem.Push(closure.fv1);21 return <tail> closure.fv2.Enter();22 }23 public static Closure fxs(Updatable_2_FV<Closure,Closure> closure){24 return <tail>map(closure.fv1, closure.fv2);25 }

ExemploExemplo

Alocação e inicialização de

closures

Chamada ao slow entry

point

Chamada ao fast entry

point

Análise de Análise de Desempenho e Desempenho e

OtimizaçõesOtimizações


MetodologiaMetodologia

• Subconjunto do grupo Imaginário do Subconjunto do grupo Imaginário do benchmark benchmark NofibNofib

• Execuções consecutivas (6) dos programasExecuções consecutivas (6) dos programas– Tempo de execução em segundos (comando Tempo de execução em segundos (comando timetime))– Média aritméticaMédia aritmética

• Valores de comparação sumarizados por Valores de comparação sumarizados por média geométricamédia geométrica


EntradasEntradas

• Dificuldade para Dificuldade para escolha de entradasescolha de entradas– Nofib sugere saídasNofib sugere saídas– Dados desatualizadosDados desatualizados

• Escolha baseada em Escolha baseada em tempos de execução tempos de execução razoáveis (testes razoáveis (testes críticos)críticos)

ProgramaPrograma EntradaEntrada

Digits_e1Digits_e1 20002000

Digits_e2Digits_e2 30003000

Exp3Exp3 99

PrimesPrimes 45004500

QueensQueens 1313

TakTak (12,1,25)(12,1,25)

Wheel-sieve1Wheel-sieve1 400000400000

Wheel-sieve2Wheel-sieve2 8000080000


Uso de DelegatesUso de DelegatesProgramaPrograma Closures como Closures como

delegatesdelegatesClosures Closures separadas de separadas de delegatesdelegates

MelhorMelhoraa

Digits_e1Digits_e1 32,0632,06 29,3029,30 8,6%8,6%

Digits_e2Digits_e2 33,6333,63 32,4232,42 3,6%3,6%

Exp3Exp3 29,1329,13 39,4439,44 -35,4%-35,4%

PrimesPrimes 20,3020,30 21,1021,10 -3,9%-3,9%

QueensQueens 18,3818,38 16,7216,72 9,0%9,0%

TakTak 14,5414,54 14,5914,59 0,0%0,0%

Wheel-sieve1Wheel-sieve1 19,8019,80 11,6211,62 41,3%41,3%

Wheel-sieve2Wheel-sieve2 291,78291,78 18,7618,76 93,6%93,6%

MédiaMédia 32,6%32,6%


Principais OtimizaçõesPrincipais Otimizações

• Remoção do Remoção do updateupdate frameframe

• Compartilhamento de booleanosCompartilhamento de booleanos

• Relacionadas a tail-callsRelacionadas a tail-calls


Remoção do Remoção do Update Frame Update Frame • Remoção da pilha de atualizaçõesRemoção da pilha de atualizações• Uso do próprio Uso do próprio stack framestack frame da CLR da CLR• 1ª. versão do ambiente de execução1ª. versão do ambiente de execução

ProgramaPrograma AnteAntess

DepoDepoisis

MelhoMelhorara

Digits_e1 (1000)Digits_e1 (1000) 12,412,433

11,9911,99 3,6%3,6%

Digits_e2 (1500)Digits_e2 (1500) 11,611,688

10,3110,31 11,8%11,8%

Exp3Exp3 3,973,97 2,772,77 30,2%30,2%

Primes (3000)Primes (3000) 13,313,333

12,7312,73 4,5%4,5%

Queens (12)Queens (12) 9,309,30 8,988,98 3,5%3,5%



Booleanos – CompartilhamentoBooleanos – Compartilhamento


DepoDepoisis

MelhoMelhorara

Digits_e1 (1500)Digits_e1 (1500) 18,718,788

16,3116,31 13,1%13,1%

Digits_e2 (2000)Digits_e2 (2000) 15,915,933

12,8112,81 19,6%19,6%

Exp3Exp3 40,040,022

40,0640,06 0.0%0.0%

Primes (3500)Primes (3500) 18,618,633

12,8412,84 31,1%31,1%

QueensQueens 38,838,800

23,1223,12 40,4%40,4%

TakTak 41,641,600

22,3222,32 46,3%46,3%

Wheel-sieve1 (200000)Wheel-sieve1 (200000) 11,911,955

8,428,42 29,6%29,6%

Wheel-sieve2 (40000)Wheel-sieve2 (40000) 9,949,94 7,117,11 28,5%28,5%



Tail-callsTail-calls• Remoção de tail-calls apenas do ambiente de Remoção de tail-calls apenas do ambiente de

execuçãoexecuçãoProgramaPrograma AntesAntes DepoDepo

isisMelhoMelhorara

Digits_e1 (1500)Digits_e1 (1500) 16,3016,30 15,9915,99 1,9%1,9%

Digits_e2 (2000)Digits_e2 (2000) 12,8412,84 12,5112,51 2,5%2,5%

Exp3Exp3 40,1140,11 39,0339,03 2,7%2,7%

Primes (3500)Primes (3500) 12,8312,83 12,4112,41 3,3%3,3%

QueensQueens 23,1423,14 22,8622,86 1,2%1,2%

TakTak 22,3422,34 22,2922,29 0,2%0,2%





Tail-callsTail-calls• Impacto da presença de tail-calls no código Impacto da presença de tail-calls no código

compiladocompiladoProgramaPrograma Com tail-Com tail-

callscallsSem tail-Sem tail-callscalls

MelhoMelhorara

Digits_e1Digits_e1 29,4429,44 33,5833,58 12,3%12,3%

Digits_e2 (2000)Digits_e2 (2000) 12,6212,62 13,3913,39 5,7%5,7%

Exp3Exp3 39,4139,41 41,5941,59 5,2%5,2%

PrimesPrimes 21,1421,14 22,5222,52 6,1%6,1%

QueensQueens 22,9222,92 36,8836,88 51,1%51,1%

TakTak 22,3722,37 17,3717,37 --28,8%28,8%

Wheel-sieve1 (200000)Wheel-sieve1 (200000) 5,695,69 Estouro da Estouro da pilhapilha

--




Tail-callsTail-calls• Substituição por instruções de desvioSubstituição por instruções de desvio


DepoDepoisis

MelhoMelhorara

Digits_e1Digits_e1 29,429,466

29,3029,30 0,5%0,5%

Digits_e2Digits_e2 32,432,477

32,4232,42 0,2%0,2%

Exp3Exp3 39,439,499

39,4439,44 0,1%0,1%

PrimesPrimes 21,121,155

21,1021,10 0,2%0,2%

QueensQueens 22,922,922

16,7216,72 22,0%22,0%

TakTak 22,322,399

14,5914,59 34,9%34,9%

Wheel-sieve1Wheel-sieve1 15,015,011

11,6211,62 22,6%22,6%

Wheel-sieve2Wheel-sieve2 18,718,777

18,7618,76 19,8%19,8%



Haskell.NET X GHC NativoHaskell.NET X GHC Nativo

ProgramaPrograma GHC GHC NativoNativo

Haskell.NHaskell.NETET

Razão.NET/Razão.NET/NativoNativo

Digits_e1Digits_e1 6,296,29 29,3029,30 4,74,7

Digits_e2Digits_e2 6,696,69 32,4232,42 4,84,8

Exp3Exp3 2,812,81 39,4439,44 14,014,0

PrimesPrimes 0,950,95 21,1021,10 22,122,1

QueensQueens 10,2110,21 16,7216,72 1,61,6

TakTak 13,2213,22 14,5914,59 1,11,1

Wheel-sieve1Wheel-sieve1 6,786,78 11,6211,62 1,71,7

Wheel-sieve2Wheel-sieve2 5,915,91 18,7618,76 3,23,2

MédiaMédia 4,04,0

Conclusões e Conclusões e Trabalhos Trabalhos

FuturosFuturos


ContribuiçõesContribuições

• Desenvolvimento de uma implementação de Desenvolvimento de uma implementação de Haskell para .NETHaskell para .NET

• Avaliação de desempenho sob vários Avaliação de desempenho sob vários aspectosaspectos

• Ambiente de estudo e prototipação de Ambiente de estudo e prototipação de técnicas alternativastécnicas alternativas

• Base para a interoperabilidade com outras Base para a interoperabilidade com outras linguagenslinguagens


ConclusõesConclusões

• Parte do prelúdio implementadaParte do prelúdio implementada– Subconjunto básico implementado em C#Subconjunto básico implementado em C#

• Desenvolvimento e avaliação de dois ambientes de Desenvolvimento e avaliação de dois ambientes de execuçãoexecução– Segunda versão: maior portabilidade e Segunda versão: maior portabilidade e

manutenibilidademanutenibilidade

• Desempenho da mesma ordem de magnitude que o Desempenho da mesma ordem de magnitude que o GHC nativo para a maioria dos programasGHC nativo para a maioria dos programas

• Gerenciamento de memória ainda é um fator críticoGerenciamento de memória ainda é um fator crítico

• Análises de desempenho fornecem uma visão Análises de desempenho fornecem uma visão realista da CLRrealista da CLR


Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros

• Suporte a mais BibliotecasSuporte a mais Bibliotecas

• Análises de DesempenhoAnálises de Desempenho– Outras representações para closuresOutras representações para closures– Avaliação do modelo eval/applyAvaliação do modelo eval/apply– Extensões à máquina virtual (via Rotor)Extensões à máquina virtual (via Rotor)

• Integração com PhoenixIntegração com Phoenix

• Suporte a interoperabilidadeSuporte a interoperabilidade– Implementação da FFI (Implementação da FFI (Foreign Function Foreign Function

InterfaceInterface))– Extensões OO à inguagemExtensões OO à inguagem– Geração de wrappersGeração de wrappers

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