Sharing, Superposition and Epansion : Geometrical Studies on the semantics and Implementation of lambda-calculi and proof-nets

Elegant semantics and efficient implementations of functional programming languages can both be described by the very same mathematical structures, most prominently with in the Curry-Howard correspondence, where programs, types and execution respectively coincide with proofs, formulæ and normalisation. Such a flexibility is sharpened by the deconstructive and geometrical approach pioneered by linear logic (LL) and proof-nets, and by Lévy-optimal reduction and sharing graphs (SG).Adapting Girard’s geometry of interaction, this thesis introduces the geometry of resource interaction (GoRI), a dynamic and denotational semantics, which describes, algebra-ically by their paths, terms of the resource calculus (RC), a linear and non-deterministic variation of the ordinary lambda calculus. Infinite series of RC-terms are also the domain of the Taylor-Ehrhard-Regnier expansion, a linearisation of LC. The thesis explains the relation between the former and the reduction by proving that they commute, and provides an expanded version of the execution formula to compute paths for the typed LC. SG are an abstract implementation of LC and proof-nets whose steps are local and asynchronous, and sharing involves both terms and contexts. Whilst experimental tests on SG show outstanding speedups, up to exponential, with respect to traditional implementations, sharing comes at price. The thesis proves that, in the restricted case of elementary proof-nets, where only the core of SG is needed, such a price is at most quadratic, hence harmless.Des sémantiques élégantes et des implémentations efficaces des langages de programmation fonctionnels peuvent être décrits par les mêmes structures mathématiques, notamment dans la correspondance Curry-Howard, où le programmes, les types et l’exécution, coïncident aux preuves, formules et normalisation. Une telle flexibilité est aiguisé par l’approche déconstructive et géométrique de la logique linéaire (LL) et les réseaux de preuve, et de la réduction optimale et les graphes de partage (SG).En adaptent la géométrie de l’interaction de Girard, cette thèse propose une géométrie de l’interaction des ressources (GoRI), une sémantique dynamique et dénotationnelle, qui décrit algébriquement par leurs chemins, les termes du calcul des ressources (RC), une variation linéaire et non-déterministe du lambda calcul (LC). Les séries infinis dans RC sont aussi le domaine du développement de Taylor-Ehrhard-Regnier, une linéarisation du LC. La thèse explique la relation entre ce dernier et la réduction démontrant qu’ils commutent, et présente une version développé de la formule d’exécution pour calculer les chemins du LC typé.Les SG sont un modèle d’implémentation du LC, dont les pas sont locales et asynchrones, et le partage implique et les termes et les contextes. Bien que les tests ont montré des accélérations exceptionnelles, jusqu à exponentielles, par rapport aux implémentations traditionnelles, les SG n’ont pas que des avantages. La thèse montre que, dans le cas restreint des réseaux élémentaires, où seule le cœur des SG est requis, les désavantages sont au plus quadratique, donc inoffensifs.Semantiche eleganti ed implementazioni efficienti di linguaggi di programmazione funzionale possono entrambe essere descritte dalle stesse strutture matematiche, più notevolmente nella corrispondenza Curry-Howard, dove i programmi, i tipi e l’esecuzione coincidono, nell’ordine, con le dimostrazioni, le formule e la normalizzazione. Tale flsesibilità è acuita dall’approccio decostruttivo e geometrico della logica lineare (LL) e le reti di dimostrazione, e della riduzione ottimale e i grafi di condivisione (SG).Adattando la geometria dell’interazione di Girard, questa tesi introduce la geometria dell’interazione delle risorse (GoRI), una semantica dinamica e denotazionale che descrive, algebricamente tramite i loro per-corsi, i termini del calcolo delle risorse (RC), una variante lineare e non-deterministica del lambda calcolo ordinario. Le serie infinite di termini del RC sono inoltre il dominio dell’espansione di Taylor-Ehrhard-Regnier, una linearizzazione del LC. La tesi spiega la relazione tra quest’ultima e la riduzione dimostrando che esse commutano, e fornisce una versione espansa della for-mula di esecuzione per calcolare i percorsi del LC tipato. I SG sono un modello d’implementazione del LC, i cui passi sono loc-ali e asincroni, e la cui condivisione riguarda sia termini che contesti. Sebbene le prove sperimentali sui SG mostrino accellerazioni eccezionali, persino esponenziali, rispetto alle implementazioni tradizionali, la condivisione ha un costo. La tesi dimostra che, nel caso ristretto delle reti elementari, dove è necessario solo il cuore dei SG, tale costo è al più quad-ratico, e quindi innocuo