[论文解读] Efficient Gradual Typing

Andre Kuhlenschmidt, Deyaaeldeen Almahallawi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2018

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 37被引用 6

一句话总结

本文提出 Grift，一种渐进类型系统的提前编译器，通过使用空间高效的强制转换和单调引用实现高性能。它在静态类型代码上的性能与 OCaml 相当，在部分类型化基准测试中优于 Racket（性能比为 0.42× 至 2.36×），并消除了灾难性性能下降，同时保持了较低的开销，证明了通过精心设计的底层实现，高效渐进类型是可行的。

ABSTRACT

Gradual typing combines static and dynamic typing in the same program. One would hope that the performance in a gradually typed language would range between that of a dynamically typed language and a statically typed language. Existing implementations of gradually typed languages have not achieved this goal due to overheads associated with runtime casts. Takikawa et al. (2016) report up to 100$ imes$ slowdowns for partially typed programs. In this paper we present a compiler, named Grift, for evaluating implementation techniques for gradual typing. We take a straightforward but surprisingly unexplored implementation approach for gradual typing, that is, ahead-of-time compilation to native assembly code with carefully chosen runtime representations and space-efficient coercions. Our experiments show that this approach achieves performance on par with OCaml on statically typed programs and performance between that of Gambit and Racket on untyped programs. On partially typed code, the geometric mean ranges from 0.42$ imes$ to 2.36$ imes$ that of (untyped) Racket across the benchmarks. We implement casts using the coercions of Siek, Thiemann, and Wadler (2015). This technique eliminates all catastrophic slowdowns without introducing significant overhead. Across the benchmarks, coercions range from 15% slower (fft) to almost 2$ imes$ faster (matmult) than regular casts. We also implement the monotonic references of Siek et al. (2015). Monotonic references eliminate all overhead in statically typed code, and for partially typed code, they are faster than proxied references, sometimes up to 1.48$ imes$.

研究动机与目标

• 弥合渐进类型语言中动态类型程序与静态类型程序之间的性能差距。
• 解决先前渐进类型实现中报告的 100 倍性能下降问题。
• 实现高效的运行时机制——强制转换与单调引用——以保持类型安全性和互操作性。
• 证明通过提前编译为原生汇编代码，渐进类型语言可实现高性能。
• 评估强制转换与单调引用在静态、动态及混合类型程序的真实基准测试中的影响。

提出的方法

• 使用提前编译将渐进类型程序编译为原生汇编代码。
• 采用 Siek、Thiemann 与 Wadler（2015）提出的空间高效强制转换，以最小化运行时开销实现类型转换。
• 引入单调引用，以消除静态类型代码区域的运行时开销。
• 通过精心选择的运行时表示方式，降低内存与执行成本。
• 实现一种语义模型，以类型安全且高效的方式支持强制转换与单调引用。
• 在涵盖 Grift、OCaml、Gambit 与 Racket 的基准测试套件中评估性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 针对渐进类型的提前编译器能否实现与 OCaml 等静态类型语言相当的性能？
• RQ2 空间高效的强制转换是否能在不引入显著开销的前提下，消除部分类型化程序中的灾难性性能下降？
• RQ3 单调引用是否能在保持类型安全的前提下，消除静态类型代码区域的运行时开销？
• RQ4 采用这些技术实现的渐进类型语言的性能，与现有动态语言和静态语言运行时相比如何？
• RQ5 强制转换与单调引用在多样化基准测试中对性能的提升程度如何？

主要发现

• 在静态类型程序上，Grift 的性能与 OCaml 相当，表明渐进类型未引入可测量的性能开销。
• 在动态类型程序上，Grift 的性能介于 Gambit 与 Racket 之间，表明其与成熟的动态语言运行时具有竞争力。
• 在部分类型化基准测试中，Grift 的几何平均性能在 Racket 的 0.42× 至 2.36× 之间，展现出高效性与鲁棒性。
• 与传统转换相比，强制转换降低了性能开销：在 fft 基准测试中仅慢 15%，在 matmult 上快至 2 倍。
• 单调引用完全消除了静态类型代码区域的运行时开销，在部分类型化代码中比代理引用快至 1.48 倍。
• 强制转换与单调引用的结合消除了灾难性性能下降——此前报告的最高达 100 倍——且未引入显著性能惩罚。