Flix – Bahasa pemrograman berorientasi efek yang kuat

• Flix adalah bahasa berorientasi efek yang dikembangkan oleh Aarhus University dan komunitas open source, menggabungkan pemrograman fungsional, imperatif, dan logika dalam satu bahasa
• Intinya adalah sistem efek yang menangani efek samping di tingkat tipe, meningkatkan modularitas dan kemudahan penalaran melalui pelacakan kemurnian, efek buatan pengguna, handler, dan multi-shot resumptions
• Permukaan bahasanya sangat luas, mencakup algebraic data types, pattern matching, record yang dapat diperluas, trait, higher-kinded types, associated types dan effects, konkurensi terstruktur, interoperabilitas Java, hingga Datalog bawaan
• Pustaka standarnya menyediakan lebih dari 3.100 fungsi, dan juga dapat mengakses ekosistem Java melalui Maven, sehingga ditujukan untuk penggunaan yang lebih luas, bukan sekadar bahasa riset
• Kompilernya menargetkan bytecode JVM serta memiliki arsitektur paralel dan inkremental, dengan klaim peningkatan kecepatan 5x–7x pada mesin 24-core dan throughput 60.159 lines/sec pada Apple M2 Pro/OpenJDK 21

---

Arah bahasa Flix

• Flix adalah bahasa berorientasi efek berbasis prinsip, yang menggabungkan pemrograman fungsional, imperatif, dan logika
• Pengembang utamanya adalah Aarhus University dan komunitas kontributor open source
• Sistem efek memodelkan efek samping secara eksplisit dan menjadi poros utama bahasa bertipe statis untuk membantu modularitas dan penalaran program
• Melalui efek buatan pengguna dan handler, programmer dapat mengimplementasikan sendiri struktur kontrol
• Flix menonjolkan implementasi yang matang di antara bahasa berorientasi efek, pustaka standar yang luas, dokumentasi terperinci, dan dukungan alat yang kuat

Tipe, kemurnian, dan sistem efek

• Flix mendukung algebraic data types dan pattern matching, elemen dasar pemrograman fungsional
• Tuple dan record didukung secara bawaan, dengan record menggunakan structural typing dan dapat diperluas
• Kompiler melacak kemurnian semua ekspresi dalam program secara presisi
  • Jika sebuah ekspresi murni, ada jaminan bahwa ia tidak memiliki efek samping dan bersifat referentially transparent
• Bahkan pada fungsi tingkat tinggi, kemurnian tetap dilacak melalui polimorfisme efek
  • Misalnya, kemurnian List.map bergantung pada kemurnian fungsi f yang diterima sebagai argumen
• Efek aljabar memungkinkan efek buatan pengguna dan handler
  • Flix secara khusus mendukung multi-shot resumptions
  • Effect handler digunakan untuk meningkatkan penalaran program, modularitas, dan kemudahan pengujian

Mutasi lokal berbasis region dan refleksi kemurnian

• Flix mendukung mutasi lokal berbasis region, sehingga status yang dapat diubah dan operasi destruktif bisa digunakan secara internal namun tetap terlihat sebagai fungsi murni dari luar
• Ini cocok untuk fungsi yang lebih alami ditulis dengan data mutable, atau ketika struktur data mutable lebih efisien, seperti pada algoritme pengurutan
• Refleksi kemurnian adalah konstruksi metaprogramming di mana fungsi tingkat tinggi memeriksa kemurnian argumen fungsi dan mengubah perilakunya berdasarkan informasi tersebut
  • DelayList.map mengubah perilaku antara evaluasi langsung dan evaluasi tertunda tergantung pada kemurnian fungsi argumennya
  • Bahkan jika pustaka secara internal memilih evaluasi tertunda atau paralel, makna dari sudut pandang klien dapat tetap tidak berubah

Paralelisme, konkurensi, dan abstraksi

• Flix memudahkan evaluasi kode murni secara paralel, dan implementasi paralel List.map dapat ditulis dengan konstruksi par
• Konstruksi par secara internal menggunakan VirtualThread yang ringan
• Flix mendukung konkurensi terstruktur, sehingga thread yang dibuat di dalam region tertentu tidak dapat bertahan melampaui siklus hidup region tersebut
  • Dalam contoh, dua thread dibuat di dalam region baru bernama rc
  • Alur kontrol tidak akan keluar dari region sebelum kedua thread selesai
• Abstraksi tipe untuk operasi umum menggunakan trait
  • Trait Eq merepresentasikan konsep kesetaraan dan digunakan di seluruh pustaka standar
• Higher-kinded types memungkinkan abstraksi atas type constructor
  • Option dan List sama-sama mengimplementasikan Foldable
  • Pustaka standar mencakup trait umum seperti Monoid, Functor, dan Foldable

Associated types, associated effects, dan for-yield

• Flix mendukung associated types, yang memungkinkan tipe pada signature instance bergantung pada tipe instance
  • Contoh trait Coll menunjukkan bahwa associated type Elm memungkinkan setiap instance koleksi mendefinisikan tipe elemennya sendiri
• Associated effects membuat efek dari anggota trait bergantung pada tipe instance
  • Ini memudahkan abstraksi bersama untuk operasi murni dan operasi berefek, serta struktur data mutable dan immutable
  • Jika associated effect Aef ditambahkan ke trait Coll, instance koleksi mutable dapat ditambahkan
• forM-yield adalah konstruksi monadik yang mirip dengan for-comprehension di Scala dan notasi do di Haskell
  • Ini adalah gula sintaks untuk menggunakan point dan flatMap yang disediakan trait Monad
• forA adalah ekspresi aplikatif berbasis trait Applicative
  • Ini membantu menulis kode penanganan error dengan mudah menggunakan tipe data Validation[e, t]

Interoperabilitas Java dan Datalog

• Flix mendukung interoperabilitas Java sehingga dapat menggunakan kembali Java Standard Library dan kode dalam ekosistem Java
  • Termasuk akses ke ekosistem melalui Maven
  • Mendukung pembuatan objek, pemanggilan metode, exception, serta ekstensi class dan interface
• Dukungan Datalog bawaan adalah salah satu fitur khas Flix
  • Datalog dapat mengekspresikan secara ringkas berbagai persoalan fixpoint, termasuk masalah keterjangkauan graf
• Constraint Datalog adalah nilai kelas satu
  • Dapat diteruskan ke fungsi atau dikembalikan dari fungsi
  • Dapat disimpan dalam struktur data
  • Dapat dikomposisikan dengan constraint Datalog lain dan diselesaikan
  • Hal ini memungkinkan ekspresi keluarga program Datalog
• Flix juga mendukung constraint Datalog dengan semantik lattice yang lebih kaya
  • Ada contoh perhitungan tanggal pengiriman untuk komponen dan subkomponen
  • Mobil bergantung pada chassis dan engine, dan hanya bisa dirakit setelah menunggu perakitan tiap komponen
  • Subkomponen juga bisa bergantung pada subkomponen lain, sehingga masalahnya bersifat rekursif
• Constraint Datalog dengan semantik lattice adalah salah satu fitur lanjutan Flix dan membutuhkan pengetahuan latar tentang teori lattice dan fixpoint

Pustaka standar dan daftar fitur

• Flix menyertakan pustaka standar dengan lebih dari 3.100 fungsi
  • Modul List menyediakan lebih dari 100 fungsi
  • Trait Foldable menyediakan lebih dari 47 fungsi
  • Seluruh pustaka dapat dijelajahi di api.flix.dev
• Daftar fitur mencakup hal-hal berikut
  • Algebraic data types, pattern matching, fungsi kelas satu
  • Record yang dapat diperluas, polimorfisme parametrik
  • Trait, higher-kinded types, associated types dan effects
  • Polimorfisme efek dan sub-efek, refleksi kemurnian
  • Konkurensi gaya CSP, channel berbuffer dan tanpa buffer
  • Constraint Datalog kelas satu, interoperabilitas Java
  • Primitive type unboxed, sintaks berbasis kata kunci
  • forM, forA, expression hole
  • Kompilasi ke bytecode JVM, penghilangan tail call penuh
  • Arsitektur kompiler yang tangguh dan paralel, error yang mudah dibaca manusia

Arsitektur kompiler dan performa

• Kompiler Flix memiliki arsitektur tangguh, inkremental, dan paralel
• Semua tahap kompiler berjalan paralel dan dapat memanfaatkan peningkatan kecepatan tiap tahap pada mesin 24-core
• Pada mesin multicore, peningkatan kecepatan 5x–7x dimungkinkan
• Saat mengompilasi ulang kode yang sudah pernah dikompilasi dalam instance kompiler yang sama, kompilasi inkremental dapat memberikan peningkatan kecepatan yang signifikan
• Angka performa berbasis Apple M2 Pro CPU 10-core dan OpenJDK 21 adalah sebagai berikut
  • Throughput kompiler keseluruhan: 60.159 lines/sec
  • Throughput frontend saja: 140.382 lines/sec
  • Perintah reproduksi adalah java -jar flix.jar Xperf --n 21 dan java -jar flix.jar Xperf --frontend --n 21
• Performa ini dicapai sambil tetap mendukung fitur bahasa yang mahal secara komputasional seperti inferensi tipe dan efek, monomorphization, dan optimisasi seluruh program
• Performa kompiler terutama ditentukan oleh performa CPU dan bandwidth memori

Dukungan Visual Studio Code dan integrasi alat

• Kompiler Flix terintegrasi dengan Visual Studio Code untuk menyediakan lingkungan pengembangan
• Ekstensi VSCode menggunakan kompiler Flix yang sebenarnya, sehingga ada korespondensi 1:1 antara ekstensi dan kompiler
  • Jika VSCode tidak melaporkan error, maka memang tidak ada error
  • Jika tidak ada error, VSCode juga tidak akan melaporkan error palsu
• Ekstensi VSCode mendukung fitur berikut
  • Penyorotan sintaks berbasis semantik
  • Diagnostik error kompiler inline
  • Autocomplete saat mengetik, autocomplete sadar konteks, autocomplete instance trait, penyelesaian hole berbasis tipe
  • Snippet dan inlay hints
  • Hover yang menampilkan tipe dan efek ekspresi
  • Navigasi ke fungsi, variabel lokal, dan definisi enum
  • Pencarian referensi fungsi, variabel lokal, enum, dan implementasi trait
  • Daftar simbol dokumen dan workspace
  • Penggantian nama variabel lokal dan nama fungsi
  • Menjalankan main dan test dari editor
• Flix menanamkan banyak alat langsung ke dalam kompiler
  • OCaml menggunakan ocaml-lsp untuk LSP, utop untuk REPL, dune sebagai build tool, dan opam sebagai package manager
  • Haskell menggunakan HLS untuk LSP, ghci untuk REPL, cabal dan stack sebagai build tool serta package manager, dan Hackage sebagai package repository
  • Flix menyediakan kompiler, LSP, REPL, build tool, dan package manager semuanya lewat flix, dengan GitHub sebagai package repository

Status pengembangan, target JVM, dan skala proyek

• Flix dikembangkan dan dipelihara oleh para peneliti bahasa pemrograman di Aarhus University, Denmark
• Institusi mitranya adalah University of Waterloo, University of Tubingen, Jerman, dan Copenhagen University, Denmark
• Partisipasi pengembangan dari komunitas kontributor open source di seluruh dunia terus meningkat, dan kontribusi terbuka untuk siapa pun
• Statistik proyek adalah sebagai berikut
  • Pull request yang telah di-merge: lebih dari 4.900
  • Issue yang telah diselesaikan: lebih dari 3.100
  • Kontributor: lebih dari 70 orang
  • Codebase kompiler: lebih dari 272.000 baris
• Flix menargetkan JVM
  • JVM memiliki implementasi open source dan komersial yang telah terbukti seperti OpenJDK, J9, Azul, dan Graal
  • Dapat digunakan di Mac, Linux, dan Windows
  • JVM modern menyediakan berbagai garbage collector modern
  • Dukungan konkurensi dan paralelismenya baik, termasuk lightweight thread di Java 21
  • Tersedia dukungan alat seperti debugger dan profiler
  • Integrasi Maven memberi akses ke ekosistem paket Java platform yang kaya
• Total pendanaan mencapai 1,1 juta euro, membantu menjamin keberlanjutan dan independensi proyek