Flix: un potente lenguaje de programación orientado a efectos

• Flix es un lenguaje orientado a efectos desarrollado por Aarhus University y la comunidad de código abierto, que combina programación funcional, imperativa y lógica en un solo lenguaje
• Su núcleo es un sistema de efectos que trata los efectos secundarios a nivel de tipos, y aumenta la modularidad y la capacidad de razonamiento mediante seguimiento de pureza, efectos definidos por el usuario, handlers y reanudaciones múltiples
• La superficie del lenguaje es amplia: tipos de datos algebraicos, pattern matching, registros extensibles, traits, tipos de kind de orden superior, tipos y efectos asociados, concurrencia estructurada, interoperabilidad con Java y Datalog integrado
• La biblioteca estándar ofrece más de 3,100 funciones y, mediante Maven, también permite acceder al ecosistema Java, por lo que apunta a un alcance de uso que no se limita a un lenguaje de investigación
• El compilador apunta a bytecode de JVM y tiene una arquitectura paralela e incremental; destaca mejoras de velocidad de 5x–7x en una máquina de 24 núcleos y un rendimiento de 60,159 líneas/segundo con Apple M2 Pro/OpenJDK 21

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La dirección del lenguaje Flix

• Flix es un lenguaje orientado a efectos basado en principios que combina programación funcional, imperativa y lógica
• Lo desarrollan Aarhus University y una comunidad de contribuidores de código abierto
• El sistema de efectos es un eje central de este lenguaje de tipos estáticos: modela explícitamente los efectos secundarios y ayuda a la modularidad y al razonamiento sobre programas
• Mediante efectos definidos por el usuario y handlers, los programadores pueden implementar sus propias estructuras de control
• Flix destaca, entre los lenguajes orientados a efectos, por una implementación madura, una biblioteca estándar amplia, documentación detallada y soporte de herramientas

Tipos, pureza y sistema de efectos

• Flix soporta tipos de datos algebraicos, un elemento básico de la programación funcional, y pattern matching
• Incluye soporte integrado para tuplas y registros; los registros usan tipado estructural y son extensibles
• El compilador rastrea con precisión la pureza de todas las expresiones dentro del programa
  • Si una expresión es pura, ofrece la garantía de que no tiene efectos secundarios y es referencialmente transparente
• También rastrea la pureza en funciones de orden superior mediante polimorfismo de efectos
  • Por ejemplo, la pureza de List.map depende de la pureza de la función f que recibe como argumento
• Los efectos algebraicos habilitan efectos definidos por el usuario y handlers
  • Flix soporta especialmente multi-shot resumptions
  • Los handlers de efectos se usan para mejorar el razonamiento sobre programas, la modularidad y la capacidad de prueba

Cambios basados en regiones y reflexión de pureza

• Flix soporta cambios locales basados en regiones, lo que permite usar internamente estado mutable y operaciones destructivas mientras hacia afuera se muestra como una función pura
• Es adecuado para funciones que se escriben de forma más natural con datos mutables, o para casos en los que las estructuras de datos mutables son más eficientes, como los algoritmos de ordenamiento
• La reflexión de pureza es una estructura de metaprogramación en la que una función de orden superior inspecciona la pureza de sus argumentos funcionales y cambia su comportamiento según esa información
  • DelayList.map cambia entre evaluación inmediata y evaluación diferida según la pureza de la función argumento
  • Aunque una biblioteca use internamente evaluación diferida o evaluación paralela de forma selectiva, el significado desde la perspectiva del cliente puede no cambiar

Paralelismo, concurrencia y abstracción

• Flix facilita evaluar código puro en paralelo, y permite escribir una implementación paralela de List.map con la construcción par
• La construcción par usa internamente VirtualThread ligeros
• Soporta concurrencia estructurada: los threads creados dentro de una región específica no pueden sobrevivir fuera del ciclo de vida de esa región
  • En el ejemplo, se crean dos threads dentro de una nueva región llamada rc
  • El flujo de control no sale de la región hasta que ambos threads hayan terminado
• Para abstracciones de tipos que soportan operaciones comunes, se usan traits
  • El trait Eq expresa el concepto de igualdad y se usa en toda la biblioteca estándar
• Los tipos de kind de orden superior permiten abstraer constructores de tipos
  • Tanto Option como List implementan Foldable
  • La biblioteca estándar incluye traits comunes como Monoid, Functor y Foldable

Tipos y efectos asociados, y for-yield

• Flix soporta tipos asociados, que permiten que el tipo de una firma de instancia dependa del tipo de la instancia
  • El ejemplo del trait Coll permite que cada instancia de colección defina el tipo de sus elementos mediante el tipo asociado Elm
• Los efectos asociados hacen que el efecto de un miembro de trait dependa del tipo de la instancia
  • Facilitan abstraer en conjunto operaciones puras y operaciones con efectos, así como estructuras de datos mutables e inmutables
  • Si se agrega el efecto asociado Aef al trait Coll, pueden añadirse instancias de colecciones mutables
• forM-yield es una estructura monádica similar a las for-comprehensions de Scala y a la notación do de Haskell
  • Es azúcar sintáctica para usar point y flatMap, provistos por el trait Monad
• forA es una expresión aplicativa basada en el trait Applicative
  • Es una estructura que ayuda a escribir fácilmente código de manejo de errores usando el tipo de datos Validation[e, t]

Interoperabilidad con Java y Datalog

• Flix soporta interoperabilidad con Java, lo que permite reutilizar la Java Standard Library y código del ecosistema Java
  • Incluye acceso al ecosistema mediante Maven
  • Soporta creación de objetos, llamadas a métodos, excepciones y extensión de clases e interfaces
• El soporte integrado de Datalog es una de las funciones distintivas de Flix
  • Datalog permite expresar de forma concisa varios problemas de punto fijo, incluidos los de alcanzabilidad en grafos
• Las restricciones de Datalog son valores de primera clase
  • Pueden pasarse a funciones o devolverse desde funciones
  • Pueden almacenarse en estructuras de datos
  • Pueden componerse con otras restricciones de Datalog y resolverse
  • Esto permite expresar familias de programas Datalog
• Flix también soporta restricciones de Datalog enriquecidas con semántica de retículos
  • Hay un ejemplo que calcula fechas de entrega de piezas y subcomponentes
  • Un automóvil depende del chasis y del motor, y puede ensamblarse después de esperar el ensamblaje de cada componente
  • Los subcomponentes también pueden depender de otros subcomponentes, por lo que el problema es recursivo
• Las restricciones de Datalog con semántica de retículos son una de las funciones avanzadas de Flix y requieren conocimientos de teoría de retículos y puntos fijos

Biblioteca estándar y lista de funciones

• Flix incluye una biblioteca estándar que ofrece más de 3,100 funciones
  • El módulo List ofrece más de 100 funciones
  • El trait Foldable ofrece más de 47 funciones
  • La biblioteca completa puede explorarse en api.flix.dev
• La lista de funcionalidades incluye lo siguiente
  • Tipos de datos algebraicos, pattern matching y funciones de primera clase
  • Registros extensibles y polimorfismo paramétrico
  • Traits, tipos de kind de orden superior, tipos y efectos asociados
  • Polimorfismo de efectos y subefectos, reflexión de pureza
  • Concurrencia estilo CSP, canales con buffer y sin buffer
  • Restricciones de Datalog de primera clase, interoperabilidad con Java
  • Tipos primitivos sin boxeo, sintaxis basada en palabras clave
  • forM, forA y holes de expresión
  • Compilación a bytecode de JVM, eliminación completa de llamadas de cola
  • Arquitectura de compilador resiliente y paralela, errores legibles para humanos

Arquitectura y rendimiento del compilador

• El compilador de Flix tiene una arquitectura resiliente, incremental y paralela
• Todas las etapas del compilador son paralelas, y en una máquina de 24 núcleos puede aprovechar las mejoras de velocidad de cada etapa
• En máquinas multinúcleo, es posible obtener mejoras de velocidad de 5x–7x
• Al recompilar código ya compilado en la misma instancia del compilador, la compilación incremental puede ofrecer mejoras de velocidad significativas
• Las cifras de rendimiento con una CPU Apple M2 Pro de 10 núcleos y OpenJDK 21 son las siguientes
  • Rendimiento del compilador completo: 60,159 líneas/segundo
  • Rendimiento solo del frontend: 140,382 líneas/segundo
  • Los comandos de reproducción son java -jar flix.jar Xperf --n 21 y java -jar flix.jar Xperf --frontend --n 21
• Este rendimiento se logra mientras se soportan funciones del lenguaje costosas, como inferencia de tipos y efectos, monomorfización y optimización de programa completo
• El rendimiento del compilador está determinado principalmente por el rendimiento de la CPU y el ancho de banda de memoria

Soporte para Visual Studio Code e integración de herramientas

• El compilador de Flix se integra con Visual Studio Code para ofrecer un entorno de desarrollo
• La extensión de VSCode usa el compilador real de Flix, por lo que hay una correspondencia 1:1 entre la extensión y el compilador
  • Si VSCode no reporta errores, no hay errores
  • Cuando no hay errores, VSCode no reporta errores falsos
• La extensión de VSCode soporta las siguientes funciones
  • Resaltado de sintaxis basado en semántica
  • Diagnósticos de errores del compilador en línea
  • Autocompletado mientras se escribe, autocompletado sensible al contexto, autocompletado de instancias de traits y completado de holes basado en tipos
  • Snippets e inlay hints
  • Hover que muestra el tipo y el efecto de las expresiones
  • Ir a definiciones de funciones, variables locales y enum
  • Buscar referencias de funciones, variables locales y enum, y buscar implementaciones de traits
  • Lista de símbolos de documento y de workspace
  • Renombrado de variables locales y funciones
  • Ejecución de main y ejecución de tests desde el editor
• Flix integra muchas herramientas directamente en el compilador
  • OCaml usa ocaml-lsp como LSP, utop como REPL, dune como herramienta de build y opam como gestor de paquetes
  • Haskell usa HLS como LSP, ghci como REPL, cabal y stack como herramientas de build y gestores de paquetes, y Hackage como repositorio de paquetes
  • Flix ofrece compilador, LSP, REPL, herramienta de build y gestor de paquetes mediante flix, y su repositorio de paquetes es GitHub

Estado de desarrollo, objetivo JVM y escala del proyecto

• Flix es desarrollado y mantenido por investigadores de lenguajes de programación de Aarhus University, Dinamarca
• Las instituciones colaboradoras son University of Waterloo en Canadá, University of Tubingen en Alemania y Copenhagen University en Dinamarca
• La participación de una comunidad global de contribuidores de código abierto está creciendo, y se invita a contribuir
• Las estadísticas del proyecto son las siguientes
  • Pull Requests fusionados: más de 4,900
  • Issues resueltos: más de 3,100
  • Contribuidores: más de 70
  • Base de código del compilador: más de 272,000 líneas
• Flix apunta a la JVM
  • La JVM cuenta con implementaciones open source y comerciales probadas, como OpenJDK, J9, Azul y Graal
  • Puede usarse en Mac, Linux y Windows
  • Las JVM modernas ofrecen varios garbage collectors recientes
  • Tiene buen soporte para concurrencia y paralelismo, incluidos los threads ligeros de Java 21
  • Cuenta con soporte de herramientas, incluidos debuggers y profilers
  • La integración con Maven permite acceder al rico ecosistema de paquetes de la plataforma Java
• La financiación total es de 1.1 millones de euros, lo que ayuda a garantizar la continuidad e independencia del proyecto