Reusable semantics for implementation of Python optimizing compilers

Abstract

Le langage de programmation Python est aujourd'hui parmi les plus populaires au monde grâce à son accessibilité ainsi que l'existence d'un grand nombre de librairies standards. Paradoxalement, Python est également reconnu pour ses performances médiocres lors de l'exécution de nombreuses tâches. Ainsi, l'écriture d’implémentations efficaces du langage est nécessaire. Elle est toutefois freinée par la sémantique complexe de Python, ainsi que par l’absence de sémantique formelle officielle.

Pour régler ce problème, nous présentons une sémantique formelle pour Python axée sur l’implémentation de compilateurs optimisants. Cette sémantique est écrite de manière à pouvoir être intégrée et analysée aisément par des compilateurs déjà existants.

Nous introduisons également semPy, un évaluateur partiel de notre sémantique formelle. Celui-ci permet d'identifier et de retirer automatiquement certaines opérations redondantes dans la sémantique de Python. Ce faisant, semPy génère une sémantique naturellement plus performante lorsqu'exécutée.

Nous terminons en présentant Zipi, un compilateur optimisant pour le langage Python développé avec l'assistance de semPy. Sur certaines tâches, Zipi offre des performances compétitionnant avec celle de PyPy, un compilateur Python reconnu pour ses bonnes performances. Ces résultats ouvrent la porte à des optimisations basées sur une évaluation partielle générant une implémentation spécialisée pour les cas d'usage fréquent du langage.

Python is among the most popular programming language in the world due to its accessibility and extensive standard library. Paradoxically, Python is also known for its poor performance on many tasks. Hence, more efficient implementations of the language are required. The development of such optimized implementations is nevertheless hampered by the complex semantics of Python and the lack of an official formal semantics. We address this issue by presenting a formal semantics for Python focussed on the development of optimizing compilers. This semantics is written as to be easily reusable by existing compilers. We also introduce semPy, a partial evaluator of our formal semantics. This tool allows to automatically target and remove redundant operations from the semantics of Python. As such, semPy generates a semantics which naturally executes more efficiently. Finally, we present Zipi, a Python optimizing compiler developped with the aid of semPy. On some tasks, Zipi displays performance competing with those of PyPy, a Python compiler known for its good performance. These results open the door to optimizations based on a partial evaluation technique which generates specialized implementations for frequent use cases.