Designing Functional Implementations of Graph Algorithms

Danilenko, Nikita

Classic graph algorithms are usually presented and analysed in imperative programming languages. Imperative programming languages are well-suited for the description of a program flow, in which the order in which the operations are performed is important. One common example of such a description is the successive, typically destructive modification of objects. This kind of iteration often occurs in the context of graph algorithms that deal with a certain kind of optimisation. In functional programming, the order of execution is abstracted and problem solutions are described as compositions of intermediate solutions. Additionally, functional programming languages are referentially transparent and thus destructive updates of objects are discouraged. The development of purely functional graph algorithms begins with the decomposition of a given problem into simpler problems. In many cases the solutions of these partial problems can be used to solve different problems as well. What is more, this compositionality allows exchanging functions for more efficient or more comprehensible versions with little effort. An algebraic approach with a focus on relation algebra as defined by Tarski is used as an intermediate step in this dissertation. One advantage of this approach is the formality of the resulting specifications. Despite their formality, the resulting expressions are still readable, because the algebraic operations have intuitive interpretations. Another advantage is that the specification is executable, once the necessary operations are implemented. This dissertation presents the basics of the algebraic approach in the functional programming language Haskell. Using this foundation, some exemplary graph-theoretic problems are solved in the presented framework. Finally, optimisations of the presented implementations are discussed and pointers are provided to further problems that can be solved using the above methods.

Klassische Graphalgorithmen werden üblicherweise in imperativen Programmiersprachen beschrieben und analysiert. Imperative Programmiersprachen eignen sich gut, um Programmabläufe zu beschreiben, in welchen die Reihenfolge der Operationen wichtig ist. Dies betrifft insbesondere die schrittweise, in der Regel destruktive Veränderung von Objekten, wie sie häufig im Falle von Optimierungsproblemen auf Graphen vorkommt. In der funktionalen Programmierung abstrahiert man von einer festen Berechnungsreihenfolge und beschreibt Problemlösungen als Kompositionen von Teillösungen. Ferner sind funktionale Programmiersprachen referentiell transparent, sodass destruktive Veränderungen nur bedingt möglich sind. Die Entwicklung rein funktionaler Graphalgorithmen setzt bei der Zerlegung der bestehenden Probleme in einfachere Probleme an. Oftmals können Lösungen dieser Teilprobleme auch in anderen Situationen eingesetzt werden. Darüber hinaus erlaubt es diese Kompositionalität, einzelne Funktionen mit wenig Aufwand durch effizientere oder verständlichere Fassungen auszutauschen. Als Zwischenschritt in der Entwicklung wird in dieser Dissertation ein algebraischer Ansatz basierend auf der Relationenalgebra im Sinne von Tarski verwendet. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist die Formalität der entstehenden Spezifikationen. Trotz ihrer Formalität bleiben die entstehenden Ausdrücke oft leserlich, weil die algebraischen Operationen anschauliche Interpretationen zulassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Spezifikationen ausführbar werden, sobald bestimmte Basisoperationen implementiert sind. In dieser Dissertation werden Grundlagen einer Implementierung des algebraischen Ansatzes in der funktionalen Programmiersprache Haskell behandelt. Ausgehend hiervon werden exemplarisch einige Probleme der Graphentheorie gelöst. Schließlich werden Optimierungen der vorgestellten Implementierungen und weitere Probleme, welche mit den obigen Methoden lösbar sind, diskutiert.

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Danilenko, Nikita: Designing Functional Implementations of Graph Algorithms.

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