Effectful Programming in Declarative Languages with an Emphasis on Non-Determinism: Applications and Formal Reasoning

Dylus, Sandra ORCID

This thesis investigates effectful declarative programming with an emphasis on non-determinism as an effect. On the one hand, we are interested in developing applications using non-determinism as underlying implementation idea. We discuss two applications using the functional logic programming language Curry. The key idea of these implementations is to exploit the interplay of non-determinism and non-strictness that Curry employs. The first application investigates sorting algorithms parametrised over a comparison function. By applying a non-deterministic predicate to these sorting functions, we gain a permutation enumeration function. We compare the implementation in Curry with an implementation in Haskell that uses a monadic interface to model non-determinism. The other application that we discuss in this work is a library for probabilistic programming. Instead of modelling distributions as list of event and probability pairs, we model distributions using Curry's built-in non-determinism. In both cases we observe that the combination of non-determinism and non-strictness has advantages over an implementation using lists to model non-determinism. On the other hand, we present an idea to apply formal reasoning on effectful declarative programming languages. In order to start with simple effects, we focus on modelling a functional subset first. That is, the effects of interest are totality and partiality. We then observe that the general scheme to model these two effects can be generalised to capture a wide range of effects. Obviously, the next step is to apply the idea to model non-determinism. More precisely, we implement a model for the non-determinism of Curry: non-strict non-determinism with call-time choice. Therefore, we finally discuss why the current representation models call-by-name rather than Curry's call-by-need semantics and give an outlook on ideas to tackle this problem.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der deklarativen Programmierung mit Effekten und legt dabei besonderen Fokus auf Nichtdeterminismus als Effekt. Einerseits möchten wir Anwendungen entwickeln, deren zugrundeliegende Implementierungsidee auf Nichtdeterminismus basiert. Wir stellen dazu zwei beispielhafte Anwendungen vor, die in der funktional logischen Programmiersprache Curry implementiert sind. Die Kernidee dieser Implementierungen ist dabei die Kombination von Nichtstriktheit und Nichtdeterminismus, die Curry unterliegen, gewinnbringend auszunutzen. Für die erste Anwendung untersuchen wir Sortierfunktionen, die über eine Vergleichsfunktion parametrisiert sind, und wenden diese Funktionen auf ein nichtdeterministisches Prädikat an. Dabei entsteht eine Funktion, die Permutationen der Eingabeliste berechnet. Wir vergleichen unsere Implementierung in Curry mit einer Implementierung in Haskell, die den Nichtdeterminismus monadisch modelliert. Als zweite Anwendung werden wir über eine Bibliothek zur probabilistischen Programmierung diskutieren. Statt der üblichen Modellierung von Wahrscheinlichkeitsverteilungen als Liste von Paaren von Ereignis- und korrespondierenden Wahrscheinlichkeitswerten modellieren wir diese Verteilungen mithilfe von Currys nativem Nichtdeterminismus. Beide Implementierungen haben durch die Kombination von Nichtdeterminismus und Nichtstriktheit Vorteile gegenüber einer Implementierung, die den Nichtdeterminismus durch Listen repräsentiert. Andererseits möchten wir eine Möglichkeit schaffen, über die Programme, die wir in effektbehafteten deklarativen Programmiersprachen entwickelt haben, in einem formalen Rahmen zu argumentieren. Dabei fangen wir mit der Teilmenge der rein funktionalen Effekte an, das heißt, wir interessieren uns zunächst für totale und partielle Programme. Die zugrundeliegende Idee zur Modellierung dieser zwei Effekte kann dann auch für weitere Effekte genutzt werden. Als natürlichen nächsten Schritt betrachten wir den Effekt, der bei der Sprache Curry zusätzlich hinzukommt: nicht-strikter Nichtdeterminismus mit call-time choice Semantik. Dabei geben wir eine Übersicht darüber, warum die aktuelle Repräsentation call-by-name modelliert, sowie erste Ideen, wie die für Curry erforderliche call-by-need Semantik modelliert werden könnte.

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Dylus, Sandra: Effectful Programming in Declarative Languages with an Emphasis on Non-Determinism: Applications and Formal Reasoning. 2020.

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