Any analysis of higher-order languages must grapple with the tri-facetted nature of lambda. In one construct, the fundamental control, environment and data structures of a language meet and intertwine. With the control facet tamed nearly two decades ago, this work brings the environment facet to heel, defining the environment problem and developing its solution: environment analysis. Environment analysis allows a compiler to reason about the equivalence of environments, i.e., name-to-value mappings, that arise during a program's execution. In this dissertation, two different techniques-abstract counting and abstract frame strings-make this possible. A third technique, abstract garbage collection, makes both of these techniques more precise and, counter to intuition, often faster as well. An array of optimizations and even deeper analyses which depend upon environment analysis provide motivation for this work. In an abstract interpretation, a single abstract entity represents a set of concrete entities. When the entities under scrutiny are bindings-single name-to-value mappings, the atoms of environment-then determining when the equality of two abstract bindings infers the equality of their concrete counterparts is the crux of environment analysis. Abstract counting does this by tracking the size of represented sets, looking for singletons, in order to apply the following principle: If {x} = {y}, then x = y. Abstract frame strings enable environmental reasoning by statically tracking the possible stack change between the births of two environments; when this change is effectively empty, the environments are equivalent. Abstract garbage collection improves precision by intermittently removing unreachable environment structure during abstract interpretation.

The interrelations of a set of software objects are usually manifold and complex. Common object-oriented programming languages provide constructs for structuring objects according to shared properties and behavior, but fail to provide abstraction mechanisms for the interactions of objects. Roles seem to be a promising approach to solve this problem as they focus on the behavior of an object in a certain context. Combining multiple roles yields collaborations, an interesting abstraction and reuse unit. However, existing approaches towards roles in programming languages require vast extensions of the underlying language or even propose new languages. We propose a programming technique that enables role-based programming with commonly available language constructs. Thus, programmers can express roles and collaborations by simply using a library, and hence, without the need to change the language, its compiler, and its tools. We explain our proposal on a language-independent level. Moreover, we provide an implementation in form of a library for the Scala programming language. Finally, we apply our ideas to design patterns and analyze to which extent these can be expressed and reused with roles. / Die Zusammenhänge zwischen Softwareobjekten sind vielfältig und komplex. In den meisten objektorientierten Programmiersprachen werden Objekte an Hand von gemeinsamen Eigenschaften und Verhalten klassifiziert. Konstrukte zum Strukturieren bezüglich ihrer Interaktionen fehlen jedoch. Ein vielversprechender Lösungsansatz sind Rollen, welche das Verhalten von Objekten in einem bestimmten Kontext beschreiben. Zusammenhängende Rollen können zu Kollaborationen abstrahiert werden. Diese sind insbesondere als wiederverwendbare Bausteine interessant. Allerdings verändern bisherige Ansätze zu rollenbasiertem Programmieren die zu Grunde liegende Sprache erheblich oder schlagen gar neue Sprachen vor. Im Gegensatz dazu zeigen wir eine Programmiermethode, die rollenbasiertes Programmieren mit üblichen Sprachkonstrukten ermöglicht. Somit können Rollen und Kollaborationen als Bibliothek bereitgestellt werden, also ohne Sprache, Compiler und Werkzeuge anpassen zu müssen. Wir erläutern unseren Ansatz zunächst sprachunabhängig. Desweiteren wird eine Implementierung als Bibliothek für die Scala Programmiersprache präsentiert. Als praktische Anwendung stellen wir Entwurfsmustern dar und überprüfen, inwiefern sich diese mit Rollen ausdrücken und wiederverwenden lassen.

Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Computer Science. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Le paradigme de la programmation par objets (PPO) est devenu le paradigme de programmation le plus utilisé. La programmation événementielle (PE) et la programmation par aspects (PPA) complètent la PPO en comblant certaines de ses lacunes lors de la construction de logiciels complexes. Les applications actuelles combinent ainsi les trois paradigmes. Toutefois, la POO, la PE et la POA ne sont pas encore bien intégrées. Leurs concepts sous-jacents sont en général fournis sous la forme de constructions syntaxiques spécifiques malgré leurs points communs. Ce manque d'intégration et d'orthogonalité complique les logiciels car il réduit leur compréhensibilité et leur composabilité, et augmente le code d'infrastructure. Cette thèse propose une intégration de la PPO, de la PE et de la PPA conduisant à un modèle de programmation simple et régulier. Ce modèle intègre les notions de classe et d'aspect, les notions d'événement et de point de jonction, et les notions d'action, de méthode et de gestionnaire d'événements. Il réduit le nombre de constructions tout en gardant l'expressivité initiale et en offrant même des options de programmation supplémentaires. Nous avons conçu et mis en œuvre deux langages de programmation basés sur ce modèle : EJava et ECaesarJ. EJava est une extension de Java implémentant le modèle. Nous avons validé l'expressivité de ce langage par la mise en œuvre d'un éditeur graphique bien connu, JHotDraw, en réduisant le code d'infrastructure nécessaire et en améliorant sa conception. ECaesarJ est une extension de CaesarJ qui combine notre modèle avec de la composition de mixins et un support linguistique des machines à états. Cette combinaison a grandement facilité la mise en œuvre d'une application de maison intelligente, une étude de cas d'origine industrielle dans le domaine de la domotique.

L'intérêt de l'utilisation de différents langages d'aspects pour faire face à une variété de préoccupations transverses dans le développement de systèmes logiciels complexes est reconnu. Il faudrait être capable d'utiliser plusieurs de ces langages dans un seul logiciel donné. Cependant, d'une part la phase de développement d'un nouveau langage dédié capturant tous les patrons de programmation du domaine prend beaucoup de temps et, d'autre part, le concepteur doit gérer les interactions avec les autres langages quand ils sont utilisés simultanément. <br/> Dans cette thèse, nous introduisons un support pour le prototypage rapide et la composition des langages d'aspects, basé sur des interpréteurs. Nous partons d'un interpréteur d'un sous-ensemble de Java en étudiant et en définissant son extension modulaire afin de supporter la programmation par aspects en se basant sur une sémantique d'aspects partagée. Dans l'interpréteur d'aspects, nous avons implémenté des mécanismes communs aux langages d'aspects en laissant des trous à définir pour implémenter des langages d'aspects concrets. La puissance de cette approche est de permettre d'implémenter directement les langages à partir de leur sémantique. L'approche est validée par l'implémentation d'une version légère d'AspectJ. <br/> Pour appliquer la même approche et la même architecture à Java sans modifier son interpréteur (JVM), nous réutilisons AspectJ pour effectuer une première étape de tissage statique, qui est complétée par une deuxième étape de tissage dynamique, implémentée par une mince couche d'interprétation. C'est un exemple montrant l'intérêt qu'il peut y avoir à concilier interprétation et compilation. Des prototypes pour AspectJ, EAOP, COOL et des langages dédiés simples, valident notre approche. Nous montrons le caractère ouvert de notre implémentation d'AspectJ en décrivant deux extensions: la première permet l'ordonnancement dynamique des aspects, la deuxième propose des sémantiques alternatives pour les points de coupe. Les langages d'aspects implémentés avec notre approche peuvent être facilement composés. En outre, cette composition peut être personnalisée.

In order to take the performance advantages of the current multicore and heterogeneous architectures the compilers are required to perform more and more complex program transformations. The search space of the possible program optimizations is huge and unstructured. Selecting the best transformation and predicting the potential performance benefits of that transformation is the major problem in today's optimizing compilers. The promising approach to handling the program optimizations is to focus on the automatic loop optimizations expressed in the polyhedral model. The current approaches for optimizing programs in the polyhedral model broadly fall into two classes. The first class of the methods is based on the linear optimization of the analytical cost function. The second class is based on the exhaustive iterative search. While the first approach is fast, it can easily miss the optimal solution. The iterative approach is more precise, but its running time might be prohibitively expensive. In this thesis we present a novel search-based approach to program transformations in the polyhedral model. The new method combines the benefits - effectiveness and precision - of the current approaches, while it tries to minimize their drawbacks. Our approach is based on enumerating the evaluations of the precise, nonlinear performance predicting cost-function. The current practice is to use the polyhedral model in the context of source-to-source compilers. We have implemented our techniques in a GCC framework that is based on the low level three address code representation. We show that the chosen level of abstraction for the intermediate representation poses scalability challenges, and we show the ways to overcome those problems. On the other hand, it is shown that the low level IR abstraction opens new degrees of freedom that are beneficial for the search-based transformation strategies and for the polyhedral compilation in general.

XML (eXtensible Markup Language) est un format standard pour l'échange de données semi-structurées, qui est utilisé dans services web, les bases de données, et comme format de sérialisation pour échanger des données entre applications. Afin d'avoir un meilleur traitement de données XML, plusieurs langages statiquement typés pour XML ont été récemment définis, tels XDuce, CDuce, XJ, XTatic, XACT, XHaskell, OCamlDuce. Ces langages peuvent vérifier si un programme n'engendra d'erreurs de types à l'exécution. Mais la plupart de ces langages n'incluent pas le polymorphisme paramétrique ou l'incluent sous un forme très limitée. Cependant, le traitement de données XML nécessite du polymorphisme paramétrique, c'est pourquoi il a été demandé et discuté à plusieurs reprises dans diverses groupes de travail de standardisation (par example, RELAX-NG et XQuery). Nous étudions dans cette thèse les techniques pour étendre par le polymorphisme paramétrique les langages de traitement XML. Notre solution se deroule sur deux étapes: (i) nous définissons et étudions une relation de sous-typage polymorphe sémantique pour un système de type avec types récursifs, types des produits, types des flèches, et types des ensemblistes (c'est-à-dire, l'union, l'intersection et la négation); et (ii) nous concevons et étudions un langage fonctionnel d'ordre supérieur qui tire pleinement parti des nouvelles fonctionnalités du système de type. La solution que nous proposons dans cette thèse est générale. Ainsi elle a des domaines d'application autres que les langages pour le traitement de données XML.

En ajoutant au lambda-calcul des structures de données algébriques, des types dépendants et un système de modules, on obtient un langage de programmation avec peu de primitives mais une très grande expressivité. L'assistant de preuve Coq s'appuie sur un tel langage (le CIC) à la sémantique particulièrement claire. L'utilisateur n'écrit pas directement de programme en CIC car cela est ardu et fastidieux. Coq propose un environnement de programmation qui facilite la tâche en permettant d'écrire des programmes incrémentalement grâce à des constructions de haut niveau plus concises. Typiquement, les types dépendants imposent des contraintes fortes sur les données. Une analyse de cas peut n'avoir à traiter qu'un sous-ensemble des constructeurs d'un type algébrique, les autres étant impossibles par typage. Le type attendu dans chacun des cas varie en fonction du constructeur considéré. L'impossibilité de cas et les transformations de type doivent être explicitement écrites dans les termes de Coq. Pourtant, ce traitement est mécanisable et cette thèse décrit un algorithme pour réaliser cette automatisation. Par ailleurs, il est nécessaire à l'interaction avec l'utilisateur de calculer des programmes du CIC sans faire exploser la taille syntaxique de la forme réduite. Cette thèse présente une machine abstraite conçu dans ce but. Enfin, les points fixes permettent une manipulation aisée des structure de données récursives. En contrepartie, il faut s'assurer que leur exécution termine systématiquement. Cette question sensible fait l'objet du dernier chapitre de cette thèse.

Multi-stage programming is a valuable technique for improving the performance of computer programs through run-time optimization. Current implementations of multi-stage programming do not support run-time type introspection, which is a significant feature of modern object-oriented platforms such as Java and C#. This is unfortunate because many programs that use type introspection in these languages could be improved with multi-staging programming. The aim of this research is to investigate the interaction between multi-stage programming and object-oriented type introspection. This is done by the invention of a new programming language that is a multi-stage extension to C#. The language is capable of expressing traditional multi-stage programs as well as a new style of multi-stage programs that incorporate type introspection, most notably polytypic algorithms such as object serialization. A compiler for the language is implemented and freely available. The language is significant because it is the first object-oriented, multi-stage language; the first attempt to combine type introspection with multi-stage programming; and the first exploration of polytypic programming in a multi-stage context.

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