La thèse contribue à la compréhension de la nature, du rôle et des mécanismes de la polarisation dans les langages de programmation, en théorie de la preuve et dans les modèles catégoriels. La polarisation correspond à l'idée que la condition d'associativité de la composition peut être relâchée, comme on le montre à travers un résultat qui relie les duploïdes, notre modèle direct de la polarisation, aux adjonctions. En conséquence, la polarisation sous-tend de nombreux modèles du calcul, ce que l'on souligne encore en montrant comment les modèles par passage de continuation pour des opérateurs de contrôle délimité se décomposent en trois étapes fondamentales. Elle explique également des phénomènes de constructivité en théorie de la démonstration, ce que l'on illustre en donnant une interprétation selon le principe de la formule comme type à la polarisation en général et à une négation involutive en particulier. Notre approche est basée sur une représentation interactive des démonstrations et des programmes à base de termes (calcul L), qui met en évidence la structure des polarités. Celle-ci est basée sur la correspondance entre les machines abstraites et les calculs de séquents, et vise à synthétiser diverses directions : la modélisation du contrôle, de l'ordre d'évaluation et des effets dans les langages de programmation, la quête d'un lien entre la dualité catégorielle et les continuations, et l'approche interactive de la constructivité en théorie de la preuve. On introduit notre technique en supposant uniquement une connaissance élémentaire du λ-calcul simplement typé et de la réécriture.

Ce mémoire vise à recenser les avantages et les inconvénients de l'utilisation du langage de programmation fonctionnel dynamique Scheme pour le développement de jeux vidéo. Pour ce faire, la méthode utilisée est d'abord basée sur une approche plus théorique. En effet, une étude des besoins au niveau de la programmation exprimés par ce type de développement, ainsi qu'une description détaillant les fonctionnalités du langage Scheme pertinentes au développement de jeux vidéo sont données afin de bien mettre en contexte le sujet. Par la suite, une approche pratique est utilisée en effectuant le développement de deux jeux vidéo de complexités croissantes: Space Invaders et Lode Runner. Le développement de ces jeux vidéo a mené à l'extension du langage Scheme par plusieurs langages spécifiques au domaine et bibliothèques, dont notamment un système de programmation orienté objets et un système de coroutines. L'expérience acquise par le développement de ces jeux est finalement comparée à celle d'autres développeurs de jeux vidéo de l'industrie qui ont utilisé Scheme pour la création de titres commerciaux. En résumé, l'utilisation de ce langage a permis d'atteindre un haut niveau d'abstraction favorisant la modularité des jeux développés sans affecter les performances de ces derniers. / This master's thesis aims at pinpointing the pros and cons of using the dynamic functionnal language Scheme for developing video games. The method used is first based on a theoretical approach. Indeed, the specific requirements for video game programming and a detailed description of relevant Scheme features are presented. Then, a practical approach is taken by presenting two video games developed using the Scheme language: Space Invaders and Lode Runner. Their development resulted in the creation of various domain-specific languages and libraries, such as an objec- oriented system and a coroutine system. Each of these are presented separately in their respective chapter. Finally, the experience achieved in this process is compared to the experience acquired by some video game companies that also used Scheme for the developpement of their titles. The use of Scheme allowed us to perform various high-level abstractions that improved the modularity of the video games developed, without affecting their performance.

Ce mémoire présente une implantation de la création paresseuse de tâches desti- née à des systèmes multiprocesseurs à mémoire distribuée. Elle offre un sous-ensemble des fonctionnalités du Message-Passing Interface et permet de paralléliser certains problèmes qui se partitionnent difficilement de manière statique grâce à un système de partitionnement dynamique et de balancement de charge. Pour ce faire, il se base sur le langage Multilisp, un dialecte de Scheme orienté vers le traitement parallèle, et implante sur ce dernier une interface semblable à MPI permettant le calcul distribué multipro- cessus. Ce système offre un langage beaucoup plus riche et expressif que le C et réduit considérablement le travail nécessaire au programmeur pour pouvoir développer des programmes équivalents à ceux en MPI. Enfin, le partitionnement dynamique permet de concevoir des programmes qui seraient très complexes à réaliser sur MPI. Des tests ont été effectués sur un système local à 16 processeurs et une grappe à 16 processeurs et il offre de bonnes accélérations en comparaison à des programmes séquentiels équiva- lents ainsi que des performances acceptables par rapport à MPI. Ce mémoire démontre que l’usage des futures comme technique de partitionnement dynamique est faisable sur des multiprocesseurs à mémoire distribuée. / This master’s thesis presents an implementation of lazy task creation for distributed memory multiprocessors. It offers a subset of Message-Passing Interface’s functionality and allows parallelization of some problems that are hard to statically partition thanks to its dynamic partitionning and load balancing system. It is based on Multilisp, a Scheme dialect for parallel computing, and implements an MPI like interface on top of it. It offers a richer and more expressive language than C and simplify the work needed to developp programs similar to those in MPI. Finally, dynamic partitioning allows some programs that would be very hard to develop in MPI. Tests were made on a 16 cpus computer and on a 16 cpus cluster. The system gets good accelerations when compared to equivalent sequential programs and acceptable performances when compared to MPI. It shows that it is possible to use futures as a dynamic partitioning method on distributed memory multiprocessors.

L’objectif principal de cette thèse est l’étude et la formalisation de nouvelles constructions permettant d’augmenter l’expressivité du filtrage et des langages à base de règles en général. Ceci est motivé par le développement de Tom, un système qui enrichit les langages impératifs comme Java et C avec des constructions de haut niveau comme le filtrage et les stratégies. Une première extension que l’on propose est la notion d’anti-patterns, i.e. des motifs qui peuvent contenir des symboles de complément. Nous définissons de manière formelle la sémantique des anti-patterns dans le cas syntaxique et modulo une théorie équationnelle arbitraire. Puis nous étendons la notion classique de filtrage entre les motifs et les termes clos au filtrage entre les anti-patterns et les termes clos (anti-filtrage). Ensuite, nous proposons plusieurs extensions aux constructions de filtrage fournies par Tom. La condition pour l’application d’une règle devient une conjonction ou disjonction de contraintes de filtrage et d’anti-filtrage ainsi que d’autres types de conditions. Les techniques classiques de compilation du filtrage ne sont pas bien adaptées à ces conditions complexes. On propose donc une nouvelle méthode de compilation basée sur des systèmes de réécriture contrôlés par des stratégies. Nous avons complètement réécrit le compilateur de Tom en utilisant cette technique. Tous ces éléments rassemblés constituent un environnement pour décrire et implémenter des transformations de manière élégante et concise. Pour promouvoir son utilisation dans des projets à grand échelle, on développe une technique pour extraire automatiquement des informations structurelles à partir d’une hiérarchie de classes Java. Cela permet l’intégration du filtrage offert par Tom dans n’importe quelle application Java / The main objective of this thesis is the study of new constructs and formalisms that increase the expressivity of pattern matching and rule based languages in general. This is motivated by the development of Tom, a system that adds high level constructs such as pattern matching and strategies to languages like Java and C. A first extension that we propose is the notion of anti-patterns, i.e. patterns that may contain complement symbols. We define formally the semantics of anti-patterns both in the syntactic case and modulo an arbitrary equational theory. We then extend the classical notion of matching between patterns and ground terms to matching between anti-patterns and ground terms. We further propose several extensions to the matching constructs provided by Tom. Consequently, the condition for the application of a rule becomes a combination of matching and anti-matching constraints together with other types of conditions. Classical compilation techniques for pattern matching are not very well suited for these complex conditions. Therefore we propose a new compilation method based on rewrite systems controlled by strategies, which provides a high level of modularity. Tom’s compiler has been rewritten from scratch using this technique. All this constitutes a software environment for expressing transformations in a clear and concise way. To promote its use in large scale applications, we propose an approach for extracting automatically structural information from arbitrary Java hierarchies. This allows a seamless integration of Tom’s pattern matching facilities in any application

Dependent type theories are a kind of mathematical foundations investigated both for the formalisation of mathematics and for reasoning about programs. They are implemented as the kernel of many proof assistants and programming languages with proofs (Coq, Agda, Idris, Dedukti, Matita, etc). Dependent types allow to encode elegantly and constructively the universal and existential quantifications of higher-order logics and are therefore adapted for writing logical propositions and proofs. However, their usage is not limited to the area of pure logic. Indeed, some recent work has shown that they can also be powerful for driving the construction of programs. Using more precise types not only helps to gain confidence about the program built, but it can also help its construction, giving rise to a new style of programming called Type-Driven Development. However, one difficulty with reasoning and programming with dependent types is that proof obligations arise naturally once programs become even moderately sized. For example, implementing an adder for binary numbers indexed over their natural number equivalents naturally leads to proof obligations for equalities of expressions over natural numbers. The need for these equality proofs comes, in intensional type theories (like CIC and ML) from the fact that in a non-empty context, the propositional equality allows us to prove as equal (with the induction principles) terms that are not judgementally equal, which implies that the typechecker can't always obtain equality proofs by reduction. As far as possible, we would like to solve such proof obligations automatically, and we absolutely need it if we want dependent types to be use more broadly, and perhaps one day to become the standard in functional programming. In this thesis, we show one way to automate these proofs by reflection in the dependently typed programming language Idris. However, the method that we follow is independent from the language being used, and this work could be reproduced in any dependently-typed language. We present an original type-safe reflection mechanism, where reflected terms are indexed by the original Idris expression that they represent, and show how it allows us to easily construct and manipulate proofs. We build a hierarchy of correct-by-construction tactics for proving equivalences in semi-groups, monoids, commutative monoids, groups, commutative groups, semi-rings and rings. We also show how each tactic reuses those from simpler structures, thus avoiding duplication of code and proofs. Finally, and as a conclusion, we discuss the trust we can have in such machine-checked proofs.

Ce manuscrit synthétise plus d'une décade de notre recherche académique sur le sujet d'optimisation de codes bas niveau, dont le but est une intégration dans un compilateur optimisant ou dans un outil d'optimisation semi-automatique. Dans les programmes bas niveau, les caractéristiques du processeur sont connues et peuvent être utilisées pour générer des codes plus en harmonie avec le matériel. Nous commençons notre document par une vue générale sur le problème d'ordonnancement des phases de compilation. Actuellement, des centaines d'étapes de compilation et d'optimisation de codes existent; un problème fondamental et ouvert reste de savoir comment les combiner et les ordonner efficacement. Pour pallier rapidement cette difficulté, une stratégie du moindre effort consiste à appliquer une compilation itérative en exécutant successivement le programme avant de décider de la technique d'optimisation de code à employer et avec quels paramètres. Nous prouvons que l'approche de compilation itérative ne simpli fie pas fondamentalement le problème, et l'utilisation de modèles statiques de performances reste un choix raisonnable. Un problème classique de con it entre deux étapes de compilation est celui qui lie l'allocation de registres et l'ordonnancement d'instructions. Nous montrons comment gérer efficacement cet antagonisme en séparant les contraintes de registres des contraintes d'ordonnancement d'instructions. Cela est possible grâce à la notion de saturation en registres (RS), qui est le besoin maximal en registres pour tous les ordonnancements possibles d'un graphe. Nous apportons une contribution formelle et une heuristique efficace, qui permettent la détection de contraintes de registres toujours véri fiées; ils peuvent par conséquent être négligées. Nous introduisons la plate-forme SIRA, qui permet de garantir l'absence de code de vidage avant l'ordonnancement d'instructions. SIRA est un modèle basé sur la théorie des graphes permettant de borner le besoin maximal en registres pour tout pipeline logiciel, sans altérer, si possible, le parallélisme d'instructions. SIRA modélise les contraintes cycliques des registres dans différentes architectures possibles : avec plusieurs types de registres, avec tampons ou les d'attente, et avec des bancs de registres rotatifs. Nous apportons une heuristique efficace qui montre des résultats satisfaisants, que ce soit comme outil indépendant, ou comme passe intégrée dans un vrai compilateur. Dans le contexte des processeurs exhibant des retards d'accès aux registres (VLIW, EPIC, DSP), nous attirons l'attention sur le problème qui peut survenir lorsque les contraintes de registres sont traitées avant l'ordonnancement d'instructions. Ce problème est la création de circuits négatifs ou nuls dans le graphe de dépendances de données. Nous montrons comment éliminer ces circuits indésirables dans le contexte de SIRA. SIRA définit une relation formelle entre le nombre de registres alloués, le parallélisme d'instructions et le facteur de déroulage d'une boucle. Nous nous basons sur cette relation pour écrire un algorithme optimal qui minimise le facteur de déroulage tout en sauvegardant le parallélisme d'instructions et en garantissant l'absence de code de vidage. D'après nos connaissances, ceci est le premier résultat qui démontre que le compactage de la taille de code n'est pas un objectif antagoniste à l'optimisation des performances de code. L'interaction entre la hiérarchie mémoire et le parallélisme d'instructions est un point central si l'on souhaite réduire le coût des latences d'opérations de chargement. Premièrement, notre étude pratique avec des micro-benchmarks montre que les processeurs superscalaires ayant une exécution dans le désordre ont un bug de performances dans leur mécanisme de désambiguation mémoire. Nous montrons ensuite qu'une vectorisation des opérations mémoire résoud ce problème pour des codes réguliers. Deuxièmement, nous étudions l'optimisation de préchargement de données pour des codes VLIW embarqués irréguliers. Finalement, avec l'arrivée des processeurs multicoeurs, nous observons que les temps d'exécution des programmes deviennent très variables. A fin d'améliorer la reproductibilité des résultats expérimentaux, nous avons conçu le Speedup-Test, un protocole statistique rigoureux. Nous nous basons sur des tests statistiques connus (tests de Shapiro-Wilk, F de Fisher, de Student, de Kolmogorov-Smirnov, de Wilcoxon- Mann-Whitney) a n d'évaluer si une accélération observée du temps d'exécution médian ou moyen est signi cative.

Software as a service is an emerging but important aspect of the web. WebServices play a vital role in providing it. Web Services are commonly provided in one of two architectural styles: a "REpresentational State Transfer" (REST), or using the "Simple Object Access Protocol" (SOAP.) Originally most web content was text and small images. But more recent services involve complex data structures including text, images, audio, and video. The task of optimizing data to provide delivery of these structures is a complex one, involving both theoretical and practical aspects. In this thesis work, I have considered two architectures developed in the REST architectural style and tested them on mixes of data types (plain text, image, audio) being retrieved from a file system or database. The payload which carries the actual content of a data transmission process can either be in Extensible Markup Language (XML) or JavaScript Object Notation (JSON). Both of these language notations are widely used. The two architectures used in this thesis work are titled as Scenario 1 and Scenario 2. Scenario 1 proposes two different cases for storing, retrieving and presenting the data via a REST web service. We investigate the question of what is the best way to provide different data types (image, audio) via REST Web Service. Payload size for JSON and XML are compared. Scenario 2 proposes an enhanced and optimized architecture which is derived from the pros of the first two cases in Scenario 1. The proposed architecture is best suited for retrieving and serving non-homogeneous data as a service in a homogenous environment. This thesis is composed of theoretical and practical parts. The theory part contains the design and principles of REST architecture. The practical part has a Web Service provider and consumer model developed in Java. The practical part is developed using the Spring MVC framework and Apache CXF, which provides an implementation using JAX-RS, the Java API for RESTful services. A glossary of acronyms used in this thesis appears in the appendix on page 101.

Mes activités de recherche et d'encadrement, depuis ma soutenance de thèse en octobre 2008, gravitent à la confluence de deux problématiques souvent considérées comme distinctes dont le couplage est plus qu'évident en informatique musicale : l'écoute artificielle et la programmation synchrone des signaux musicaux en temps réel. Le but est d'enrichir chaque domaine respectivement et de fournir des outils nécessaires aux artistes pour étendre leurs capacités de création musicale sur ordinateur (à celui de leurs homologues humains). Le premier aspect de tout système de musique interactive est l'acte de l'écoute ou formellement parlant, l'extraction d'informations musicaux en temps réel. J'ai concentré mes efforts sur les approches axées sur les applications telles que la détection de pitch polyphonique et les techniques d'alignement en temps réel d'une part. Puis, d'autre part, j'ai abordé des problèmes fondamentaux liés à la représentation des signaux. Pour le premier volet, nous avons proposé deux approches reconnues comme l'état de l'art et renommées par leur utilisation par la communauté artistique et leur reconnaissance au sein de la communauté MIR. Le deuxième volet théorique porte sur le problème fondamental de la quantification et la qualification du contenu de l'information arrivant progressivement dans un système en utilisant des méthodes de la géométrie de l'information. Le deuxième et plus récent aspect de mon travail se concentre sur la programmation synchrone réactive de la musique, couplée à des systèmes d'écoute (ou la formalisation de réactions dans les systèmes interactifs aux perceptions artificielles en temps réel). Notre approche est motivée par les pratiques actuelles en art numérique et les exigences d'évaluation en temps réel qu'elles demandent. L'incarnation majeure de cette approche est le système Antescofo doté d'une machine d'écoute et d'un langage dynamique et qui s'est imposé dans le monde entier dans le répertoire de la musique mixte, reconnu du public depuis 2009. L'écriture du temps, l'interaction et la tentative d'assurer leur exécution correcte en temps réel posent des problèmes difficiles pour l'informatique et les concepteurs de systèmes. Ce couplage fort fera l'objet de mon travail dans les années à venir sous la bannière des systèmes de musique Cyber-physique. Le couplage entre la machine d'écoute et des langages temps réel nécessite d'augmenter les approches actuelles avec des modèles formels de temps, dépassant les approches fonctionnelles qui dominent pour développer une formalisation des exigences de réaction et d'exécution. Il faudra en conséquence repenser nos méthodes usuelles de traitement audio multiforme et leurs modèles de calculs sous-jacents en ce qui concerne le temps.

This study aims to design and implement a domain-specific computer programming language: the Building Environment Rule and Analysis (BERA) Language. As a result of the growing area of Building Information Modeling (BIM), there has been a need to develop highly customized domain-specific programming languages for handling issues in building models in the architecture, engineering and construction (AEC) industry. The BERA Language attempts to deal with building information models in an intuitive way in order to define and analyze rules in design stages. The application of the BERA Language aims to provide efficiency in defining, analyzing and checking rules. Specific example applications implemented in this dissertation are on the evaluation of two key aspects: building circulation and spatial programming. The objective of this study is to accomplish an effectiveness and ease of use without precise knowledge of general-purpose languages that are conventionally used in BIM software development. To achieve the goal, this study proposes an abstraction of the universe of discourse - it is the BERA Object Model (BOM). It is a human-centered abstraction of complex state of building models rather than the computation-oriented abstraction. By using BOM, users can enjoy the ease of use and portability of BIM data, rather than complex and platform-dependent data structures. This study also has reviewed and demonstrated its potential for extensibility of BOM. Not only its lateral extensions such as structural building elements, but also the vertical extensions such as additional properties for existing BOM objects are good examples. In current BERA Language Tool, many computed and derived properties/relations have been proposed and implemented, as well as some basic data directly from the given building model. Target users of the BERA Language are domain experts such as architects, designers, reviewers, owners, managers, students, etc., rather than BIM software developers. It means that the people who are interested in the building environment rule and analysis are the potential users. The BERA Language Tool comprises many libraries to alleviate common but unnecessary problems and limitations that are encountered when users attempt to analyze and evaluate building models using commercially available tools. Combined with other libraries which populate rich and domain-specific datasets for certain purposes, the BERA Language will be fairly versatile to define rules and analyze various building environmental conditions.

Ce mémoire vise à recenser les avantages et les inconvénients de l'utilisation du langage de programmation fonctionnel dynamique Scheme pour le développement de jeux vidéo. Pour ce faire, la méthode utilisée est d'abord basée sur une approche plus théorique. En effet, une étude des besoins au niveau de la programmation exprimés par ce type de développement, ainsi qu'une description détaillant les fonctionnalités du langage Scheme pertinentes au développement de jeux vidéo sont données afin de bien mettre en contexte le sujet. Par la suite, une approche pratique est utilisée en effectuant le développement de deux jeux vidéo de complexités croissantes: Space Invaders et Lode Runner. Le développement de ces jeux vidéo a mené à l'extension du langage Scheme par plusieurs langages spécifiques au domaine et bibliothèques, dont notamment un système de programmation orienté objets et un système de coroutines. L'expérience acquise par le développement de ces jeux est finalement comparée à celle d'autres développeurs de jeux vidéo de l'industrie qui ont utilisé Scheme pour la création de titres commerciaux. En résumé, l'utilisation de ce langage a permis d'atteindre un haut niveau d'abstraction favorisant la modularité des jeux développés sans affecter les performances de ces derniers. / This master's thesis aims at pinpointing the pros and cons of using the dynamic functionnal language Scheme for developing video games. The method used is first based on a theoretical approach. Indeed, the specific requirements for video game programming and a detailed description of relevant Scheme features are presented. Then, a practical approach is taken by presenting two video games developed using the Scheme language: Space Invaders and Lode Runner. Their development resulted in the creation of various domain-specific languages and libraries, such as an objec- oriented system and a coroutine system. Each of these are presented separately in their respective chapter. Finally, the experience achieved in this process is compared to the experience acquired by some video game companies that also used Scheme for the developpement of their titles. The use of Scheme allowed us to perform various high-level abstractions that improved the modularity of the video games developed, without affecting their performance.