Relational and Allegorical Semantics for Constraint Logic Programming

El cálculo de relaciones binarias fue creado por De Morgan en 1860 para ser posteriormente desarrollado en gran medida por Peirce y Schröder. Tarski, Givant, Freyd y Scedrov demostraron que las álgebras relacionales son capaces de formalizar la lógica de primer orden, la lógica de orden superior así como la teoría de conjuntos. A partir de los resultados matemáticos de Tarski y Freyd, esta tesis desarrolla semánticas denotacionales y operacionales para la programación lógica con restricciones usando el álgebra relacional como base. La idea principal es la utilización del concepto de semántica ejecutable, semánticas cuya característica principal es el que la ejecución es posible utilizando el razonamiento estándar del universo semántico, este caso, razonamiento ecuacional. En el caso de este trabajo, se muestra que las álgebras relacionales distributivas con un operador de punto fijo capturan toda la teoría y metateoría estándar de la programación lógica con restricciones incluyendo los árboles utilizados en la búsqueda de demostraciones. La mayor parte de técnicas de optimización de programas, evaluación parcial e interpretación abstracta pueden ser llevadas a cabo utilizando las semánticas aquí presentadas. La demostración de la corrección de la implementación resulta extremadamente sencilla. En la primera parte de la tesis, un programa lógico con restricciones es traducido a un conjunto de términos relacionales. La interpretación estándar en la teoría de conjuntos de dichas relaciones coincide con la semántica estándar para CLP. Las consultas contra el programa traducido son llevadas a cabo mediante la reescritura de relaciones. Para concluir la primera parte, se demuestra la corrección y equivalencia operacional de esta nueva semántica, así como se define un algoritmo de unificación mediante la reescritura de relaciones. La segunda parte de la tesis desarrolla una semántica para la programación lógica con restricciones usando la teoría de alegorías—versión categórica del álgebra de relaciones—de Freyd. Para ello, se definen dos nuevos conceptos de Categoría Regular de Lawvere y _-Alegoría, en las cuales es posible interpretar un programa lógico. La ventaja fundamental que el enfoque categórico aporta es la definición de una máquina categórica que mejora e sistema de reescritura presentado en la primera parte. Gracias al uso de relaciones tabulares, la máquina modela la ejecución eficiente sin salir de un marco estrictamente formal. Utilizando la reescritura de diagramas, se define un algoritmo para el cálculo de pullbacks en Categorías Regulares de Lawvere. Los dominios de las tabulaciones aportan información sobre la utilización de memoria y variable libres, mientras que el estado compartido queda capturado por los diagramas. La especificación de la máquina induce la derivación formal de un juego de instrucciones eficiente. El marco categórico aporta otras importantes ventajas, como la posibilidad de incorporar tipos de datos algebraicos, funciones y otras extensiones a Prolog, a la vez que se conserva el carácter 100% declarativo de nuestra semántica. ABSTRACT The calculus of binary relations was introduced by De Morgan in 1860, to be greatly developed by Peirce and Schröder, as well as many others in the twentieth century. Using different formulations of relational structures, Tarski, Givant, Freyd, and Scedrov have shown how relation algebras can provide a variable-free way of formalizing first order logic, higher order logic and set theory, among other formal systems. Building on those mathematical results, we develop denotational and operational semantics for Constraint Logic Programming using relation algebra. The idea of executable semantics plays a fundamental role in this work, both as a philosophical and technical foundation. We call a semantics executable when program execution can be carried out using the regular theory and tools that define the semantic universe. Throughout this work, the use of pure algebraic reasoning is the basis of denotational and operational results, eliminating all the classical non-equational meta-theory associated to traditional semantics for Logic Programming. All algebraic reasoning, including execution, is performed in an algebraic way, to the point we could state that the denotational semantics of a CLP program is directly executable. Techniques like optimization, partial evaluation and abstract interpretation find a natural place in our algebraic models. Other properties, like correctness of the implementation or program transformation are easy to check, as they are carried out using instances of the general equational theory. In the first part of the work, we translate Constraint Logic Programs to binary relations in a modified version of the distributive relation algebras used by Tarski. Execution is carried out by a rewriting system. We prove adequacy and operational equivalence of the semantics. In the second part of the work, the relation algebraic approach is improved by using allegory theory, a categorical version of the algebra of relations developed by Freyd and Scedrov. The use of allegories lifts the semantics to typed relations, which capture the number of logical variables used by a predicate or program state in a declarative way. A logic program is interpreted in a _-allegory, which is in turn generated from a new notion of Regular Lawvere Category. As in the untyped case, program translation coincides with program interpretation. Thus, we develop a categorical machine directly from the semantics. The machine is based on relation composition, with a pullback calculation algorithm at its core. The algorithm is defined with the help of a notion of diagram rewriting. In this operational interpretation, types represent information about memory allocation and the execution mechanism is more efficient, thanks to the faithful representation of shared state by categorical projections. We finish the work by illustrating how the categorical semantics allows the incorporation into Prolog of constructs typical of Functional Programming, like abstract data types, and strict and lazy functions.

A syntactic approach to combining functional notation, lazy evaluation, and higher-order in LP systems

Nondeterminism and partially instantiated data structures give logic programming expressive power beyond that of functional programming. However, functional programming often provides convenient syntactic features, such as having a designated implicit output argument, which allow function cali nesting and sometimes results in more compact code. Functional programming also sometimes allows a more direct encoding of lazy evaluation, with its ability to deal with infinite data structures. We present a syntactic functional extensión, used in the Ciao system, which can be implemented in ISO-standard Prolog systems and covers function application, predefined evaluable functors, functional definitions, quoting, and lazy evaluation. The extensión is also composable with higher-order features and can be combined with other extensions to ISO-Prolog such as constraints. We also highlight the features of the Ciao system which help implementation and present some data on the overhead of using lazy evaluation with respect to eager evaluation.

Functional notation and lazy evaluation in Ciao

Certain aspects of functional programming provide syntactic convenience, such as having a designated implicit output argument, which allows function cali nesting and sometimes results in more compact code. Functional programming also sometimes allows a more direct encoding of lazy evaluation, with its ability to deal with infinite data structures. We present a syntactic functional extensión of Prolog covering function application, predefined evaluable functors, functional definitions, quoting, and lazy evaluation. The extensión is also composable with higher-order features. We also highlight the Ciao features which help implementation and present some data on the overhead of using lazy evaluation with respect to eager evaluation.

Operational Aspects of Full Reduction in Lambda Calculi

Esta tesis estudia la reducción plena (‘full reduction’ en inglés) en distintos cálculos lambda. 1 En esencia, la reducción plena consiste en evaluar los cuerpos de las funciones en los lenguajes de programación funcional con ligaduras. Se toma el cálculo lambda clásico (i.e., puro y sin tipos) como el sistema formal que modela el paradigma de programación funcional. La reducción plena es una técnica fundamental cuando se considera a los programas como datos, por ejemplo para la optimización de programas mediante evaluación parcial, o cuando algún atributo del programa se representa a su vez por un programa, como el tipo en los demostradores automáticos de teoremas actuales. Muchas semánticas operacionales que realizan reducción plena tienen naturaleza híbrida. Se introduce formalmente la noción de naturaleza híbrida, que constituye el hilo conductor de todo el trabajo. En el cálculo lambda la naturaleza híbrida se manifiesta como una ‘distinción de fase’ en el tratamiento de las abstracciones, ya sean consideradas desde fuera o desde dentro de si mismas. Esta distinción de fase conlleva una estructura en capas en la que una semántica híbrida depende de una o más semánticas subsidiarias. Desde el punto de vista de los lenguajes de programación, la tesis muestra como derivar, mediante técnicas de transformación de programas, implementaciones de semánticas operacionales que reducen plenamente a partir de sus especificaciones. Las técnicas de transformación de programas consisten en transformaciones sintácticas que preservan la equivalencia semántica de los programas. Se ajustan las técnicas de transformación de programas existentes para trabajar con implementaciones de semánticas híbridas. Además, se muestra el impacto que tiene la reducción plena en las implementaciones que utilizan entornos. Los entornos son un ingrediente fundamental en las implementaciones realistas de una máquina abstracta. Desde el punto de vista de los sistemas formales, la tesis desvela una teoría novedosa para el cálculo lambda con paso por valor (‘call-by-value lambda calculus’ en inglés) que es consistente con la reducción plena. Dicha teoría induce una noción de equivalencia observacional que distingue más puntos que las teorías existentes para dicho cálculo. Esta contribución ayuda a establecer una ‘teoría estándar’ en el cálculo lambda con paso por valor que es análoga a la ‘teoría estándar’ del cálculo lambda clásico propugnada por Barendregt. Se presentan resultados de teoría de la demostración, y se sugiere como abordar el estudio de teoría de modelos. ABSTRACT This thesis studies full reduction in lambda calculi. In a nutshell, full reduction consists in evaluating the body of the functions in a functional programming language with binders. The classical (i.e., pure untyped) lambda calculus is set as the formal system that models the functional paradigm. Full reduction is a prominent technique when programs are treated as data objects, for instance when performing optimisations by partial evaluation, or when some attribute of the program is represented by a program itself, like the type in modern proof assistants. A notable feature of many full-reducing operational semantics is its hybrid nature, which is introduced and which constitutes the guiding theme of the thesis. In the lambda calculus, the hybrid nature amounts to a ‘phase distinction’ in the treatment of abstractions when considered either from outside or from inside themselves. This distinction entails a layered structure in which a hybrid semantics depends on one or more subsidiary semantics. From a programming languages standpoint, the thesis shows how to derive implementations of full-reducing operational semantics from their specifications, by using program transformations techniques. The program transformation techniques are syntactical transformations which preserve the semantic equivalence of programs. The existing program transformation techniques are adjusted to work with implementations of hybrid semantics. The thesis also shows how full reduction impacts the implementations that use the environment technique. The environment technique is a key ingredient of real-world implementations of abstract machines which helps to circumvent the issue with binders. From a formal systems standpoint, the thesis discloses a novel consistent theory for the call-by-value variant of the lambda calculus which accounts for full reduction. This novel theory entails a notion of observational equivalence which distinguishes more points than other existing theories for the call-by-value lambda calculus. This contribution helps to establish a ‘standard theory’ in that calculus which constitutes the analogous of the ‘standard theory’ advocated by Barendregt in the classical lambda calculus. Some prooftheoretical results are presented, and insights on the model-theoretical study are given.

Derivación deductiva de programas funcionales con patrones

Una de las dificultades principales en el desarrollo de software es la ausencia de un marco conceptual adecuado para su estudio. Una propuesta la constituye el modelo transformativo, que entiende el desarrollo de software como un proceso iterativo de transformación de especificaciones: se parte de una especificación inicial que va transformándose sucesivamente hasta obtener una especificación final que se toma como programa. Este modelo básico puede llevarse a la práctica de varias maneras. En concreto, la aproximación deductiva toma una sentencia lógica como especificación inicial y su proceso transformador consiste en la demostración de la sentencia; como producto secundario de la demostración se deriva un programa que satisface la especificación inicial. La tesis desarrolla un método deductivo para la derivación de programas funcionales con patrones, escritos en un lenguaje similar a Hope. El método utiliza una lógica multigénero, cuya relación con el lenguaje de programación es estudiada. También se identifican los esquemas de demostración necesarios para la derivación de funciones con patrones, basados en la demostración independiente de varias subsentencias. Cada subsentencia proporciona una subespecificación de una ecuación del futuro programa a derivar. Nuestro método deductivo está inspirado en uno previo de Zohar Manna y Richard Waldinger, conocido como el cuadro deductivo, que deriva programas en un lenguaje similar a Lisp. El nuevo método es una modificación del cuadro de estos autores, que incorpora géneros y permite demostrar una especificación mediante varios cuadros. Cada cuadro demuestra una subespecificación y por tanto deriva una ecuación del programa. Se prevén mecanismos para que los programas derivados puedan contener definiciones locales con patrones y variables anónimas y sinónimas y para que las funciones auxiliares derivadas no usen variables de las funciones principales. La tesis se completa con varios ejemplos de aplicación, un mecanismo que independentiza el método del lenguaje de programación y un prototipo de entorno interactivo de derivación deductiva. Categorías y descriptores de materia CR D.l.l [Técnicas de programación]: Programación funcional; D.2.10 [Ingeniería de software]: Diseño - métodos; F.3.1 [Lógica y significado de los programas]: Especificación, verificación y razonamiento sobre programas - lógica de programas; F.3.3 [Lógica y significado de los programas]: Estudios de construcciones de programas - construcciones funcionales; esquemas de programa y de recursion; 1.2.2 [Inteligencia artificial]: Programación automática - síntesis de programas; 1.2.3 [Inteligencia artificial]: Deducción y demostración de teoremas]: extracción de respuesta/razón; inducción matemática. Términos generales Programación funcional, síntesis de programas, demostración de teoremas. Otras palabras claves y expresiones Funciones con patrones, cuadro deductivo, especificación parcial, inducción estructural, teorema de descomposición.---ABSTRACT---One of the main difficulties in software development is the lack of an adequate conceptual framework of study. The transformational model is one such proposal that conceives software development as an iterative process of specifications transformation: an initial specification is developed and successively transformed until a final specification is obtained and taken as a program. This basic model can be implemented in several ways. The deductive approach takes a logical sentence as the initial specification and its proof constitutes the transformational process; as a byproduct of the proof, a program which satisfies the initial specification is derived. In the thesis, a deductive method for the derivation of Hope-like functional programs with patterns is developed. The method uses a many-sorted logic, whose relation to the programming language is studied. Also the proof schemes necessary for the derivation of functional programs with patterns, based on the independent proof of several subsentences, are identified. Each subsentence provides a subspecification of one equation of the future program to be derived. Our deductive method is inspired on a previous one by Zohar Manna and Richard Waldinger, known as the deductive tableau, which derives Lisp-like programs. The new method incorporates sorts in the tableau and allows to prove a sentence with several tableaux. Each tableau proves a subspecification and therefore derives an equation of the program. Mechanisms are included to allow the derived programs to contain local definitions with patterns and anonymous and synonymous variables; also, the derived auxiliary functions cannot reference parameters of their main functions. The thesis is completed with several application examples, i mechanism to make the method independent from the programming language and an interactive environment prototype for deductive derivation. CR categories and subject descriptors D.l.l [Programming techniques]: Functional programming; D.2.10 [Software engineering]: Design - methodologies; F.3.1 [Logics and meanings of programa]: Specifying and verifying and reasoning about programs - logics of programs; F.3.3 [Logics and meanings of programs]: Studies of program constructs - functional constructs; program and recursion schemes; 1.2.2 [Artificial intelligence]: Automatic programming - program synthesis; 1.2.3 [Artificial intelligence]: Deduction and theorem proving - answer/reason extraction; mathematical induction. General tenas Functional programming, program synthesis, theorem proving. Additional key words and phrases Functions with patterns, deductive tableau, structural induction, partial specification, descomposition theorem.

Parallelism and implementation of logic and constraint logic programming

CIAO is an advanced programming environment supporting Logic and Constraint programming. It offers a simple concurrent kernel on top of which declarative and non-declarative extensions are added via librarles. Librarles are available for supporting the ISOProlog standard, several constraint domains, functional and higher order programming, concurrent and distributed programming, internet programming, and others. The source language allows declaring properties of predicates via assertions, including types and modes. Such properties are checked at compile-time or at run-time. The compiler and system architecture are designed to natively support modular global analysis, with the two objectives of proving properties in assertions and performing program optimizations, including transparently exploiting parallelism in programs. The purpose of this paper is to report on recent progress made in the context of the CIAO system, with special emphasis on the capabilities of the compiler, the techniques used for supporting such capabilities, and the results in the áreas of program analysis and transformation already obtained with the system.

Objective Assessment of Olfactory Function Using Functional Magnetic Resonance Imaging=Estudio objetivo del olfato mediante resonancia magnética funcional

Objective: To show the results of a device that generates automated olfactory stimuli suitable for functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments. Material and methods: Te n normal volunteers, 5 women and 5 men, were studied. The system allows the programming of several sequences, providing the capability to synchronise the onset of odour presentation with acquisition by a trigger signal of the MRI scanner. The olfactometer is a device that allows selection of the odour, the event paradigm, the time of stimuli and the odour concentration. The paradigm used during fMRI scanning consisted of 15-s blocks. The odorant event took 2 s with butanol, mint and coffee. Results: We observed olfactory activity in the olfactory bulb, entorhinal cortex (4%), amygdala (2.5%) and temporo-parietal cortex, especially in the areas related to emotional integration. Conclusions: The device has demonstrated its effectiveness in stimulating olfactory areas and its capacity to adapt to fMRI equipment.RESUMEN Objetivo: Mostrar los resultados del olfatómetro capaz de generar tareas olfativas en un equipo de resonancia magnética funcional (fMRI). Material y métodos: Estudiamos 10 sujetos normales: 5 varones y 5 mujeres. El olfatómetro está dise ̃ nado para que el estímulo que produce se sincronice con el equipo de fMRI mediante la se ̃ nal desencadenante que suministra el propio equipo. El olfatómetro es capaz de: selec- cionar el olor, secuenciar los distintos olores, programar la frecuencia y duración de los olores y controlar la intensidad del olor. El paradigma utilizado responde a un dise ̃ no de activación asociada a eventos, en el que la duración del bloque de activación y de reposo es de 15 s. La duración del estímulo olfativo (butanol, menta o café) es de 2 segundos, durante toda la serie que consta de 9 ciclos. Resultados: Se ha observado reactividad (contraste BOLD) en las diferentes áreas cerebrales involucradas en las tareas olfativas: bulbo olfatorio, córtex entorrinal (4%), amigdala (2,5%) y córtex temporoparietal. Las áreas relacionadas con integración de las emociones tienen una reactividad mayor. Conclusiones: El dispositivo propuesto nos permite controlar de forma automática y sincronizada los olores necesarios para estudiar la actividad de las áreas olfatorias cerebrales mediante fMRI.