COMPILING SCALA FOR THE JAVA VIRTUAL MACHINE

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1 COMPILING SCALA FOR THE JAVA VIRTUAL MACHINE THÈSE N O 3302 (2005) PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ INFORMATIQUE ET COMMUNICATIONS Institut d'informatique fondamentale SECTION D'INFORMATIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Michel SCHINZ ingénieur informaticien diplômé EPF de nationalité suisse et originaire de Neuchâtel (NE) acceptée sur proposition du jury: Prof. M. Odersky, directeur de thèse Prof. P. Ienne, rapporteur Prof. S. Krishnamurthi, rapporteur Prof. M. Viroli, rapporteur Lausanne, EPFL 2005

2 Contents 1 Introduction Scope Background The Scala programming language The Java virtual machine The Scala compiler Inheritance graph notation Mixins Introduction Single inheritance Multiple inheritance Mixin inheritance Trait inheritance Mixin inheritance in Scala Mixin example Encoding mixins on the JVM Typing aspect Code sharing aspect Encoding used by scalac Interfaces for types The AddInterfaces phase Unmixable classes Subclasses of Java classes Private members Inlining mixin code The ExpandMixins phase Mixin type parameters Mixin constructors Private members Overridden members... 31

3 II CONTENTS Nested classes Example translation Cost of code copying Run Time Types Introduction Pattern matching Reflection Type-safe serialisation Run time types in Scala The language of types Run time types of values Operations on run time types Pattern matching Implementation restrictions Representing Run Time Types Introduction Mapping source types to JVM types Full erasure Isomorphic mapping Partial erasure Erasure of terms Mapping examples The Scala mapping Type representations A note about concurrency Class types Java class types Scala class types Array types Singleton types Compound types Value types Special types Compiling Run Time Types Introduction Compiling type expressions Polymorphic methods and classes Instantiation methods and type constructors... 68

4 CONTENTS III 5.5 Type accessor methods Type reflection method Membership tests Type casts Default values Array creation Possible improvements Performance impact of run time types Micro benchmark Large benchmarks Benchmark programs Execution statistics Execution time Code size Memory consumption Related Work Mixins Jam MIXEDJAVA MIXGEN Animorphic Smalltalk Run time types Heterogeneous translations Homogeneous translations Conclusion and Future Work 101 A Scala s type language 103 A.1 Singleton types A.2 Class types A.3 Compound types...105

5 Version abrégée Scala est un nouveau langage de programmation, développé à l EPFL, combinant les principales caractéristiques des langages orientés-objets et fonctionnels. Scala a été conçu pour interagir aisément aussi bien avec Java qu avec.net. Pour ce faire, son compilateur peut produire des programmes s exécutant sur la machine virtuelle de chacune de ces deux plateformes. Cette thèse se focalise sur la compilation de deux concepts importants de Scala : l héritage par mixins et les types à l exécution. Les techniques de compilation sont présentées dans le cadre de la machine virtuelle Java, mais pourraient être adaptées sans difficulté à d autres environnements similaires. L héritage par mixins est une forme d héritage relativement récente, plus puissante que l héritage simple, mais évitant la complexité de l héritage multiple. Nous proposons deux techniques de compilation de cet héritage : par copie de code, et par délégation. La mise en œuvre actuelle, basée sur la copie de code, est ensuite présentée puis justifiée. Par types à l exécution on entend la possibilité qu a un programme d examiner, lors de son exécution, le type de ses valeurs. Cette possibilité est d une part intéressante en soit, puisqu elle offre de nouveaux moyens au programmeur. D autre part, elle est requise pour la mise en œuvre d autres concepts de haut niveau, comme le filtrage de motifs, la sérialisation sûre, ou la réflection. Nous proposons une technique de compilation basée sur la représentation des types sous forme de valeurs, et montrons comment il est possible d utiliser les types à l exécution de la machine virtuelle sous-jacente comme base pour les types à l exécution de Scala. Les techniques présentées dans cette thèse ont été mises en œuvre dans le cadre de notre compilateur Scala, nommé scalac. Cela nous a permis d évaluer la qualité des techniques proposées, en particulier leur impact sur les performances des programmes. Cette évaluation s est faite sur des programmes réels, de taille importante.

6 Abstract Scala is a new programming language developed at EPFL and incorporating the most important concepts of object-oriented and functional languages. It aims at integrating well with the Java and.net platforms: their respective libraries are accessible without glue code, and the compiler can produce programs for both virtual machines. This thesis focuses on the compilation of two important concepts of Scala : mixin inheritance and run time types. The compilation techniques are presented in the context of the Java virtual machine, but could be adapted easily to other similar environments. Mixin inheritance is a relatively recent form of inheritance, offering new capabilities compared to single inheritance, without the complexity of multiple inheritance. We propose two implementation techniques for mixin inheritance: code copying and delegation. The implementation used in the Scala compiler is then presented and justified. Run time types make it possible for a program to examine the type of its values during execution. This possibility is interesting in itself, offering new capabilities to the programmer. Furthermore, run time types are also required to implement other high level concepts, like pattern matching, type-safe serialisation and reflection. We propose an implementation technique based on the representation of types as values, and show how to use the run time types of the underlying virtual machine to implement those of Scala. The techniques presented in this thesis have been implemented in our Scala compiler, scalac. This enabled us to evaluate these techniques, in particular their impact on the performances of programs. This evaluation was performed on several real, non-trivial programs.

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