A Máquina geométrica : modelo computacional para concorrência e não-determinismo usando como estrutura espaços coerentes

Abstract

O trabalho constitui-se numa investigação teórica da estrutura ordenada e intuitiva dos espaços coerentes, introduzidos por Girard [GIR 86], na definição do modelo de máquina geométrica para construção e interpretação de estados e processos computacionais rotulados por posições de um espaço geométrico. Esta interpretação poderá ser aplicada às construções determinísticas, incluindo dois tipos especiais de paralelismo - o espacial, com memória e processos infinitos definidos por estruturas matriciais, que operam sobre dimensões independentes, de forma sincronizada; e o temporal, na versão genérica do modelo, com memória global transfinita e processos distribuídos num conjunto enumerável de máquinas geométricas, sincronizadas no tempo. O modelo contempla interpretação para computações não-determinísticas e prevê a aplicação de operadores exponenciais na interpretação do espaço funcional. A noção mais intuitiva deste trabalho está na definição da relação de coerência, que define o grafo sobre o qual se constrói este domínio semántico. Sobre o conjunto de pontos compatíveis de tais grafos, a coerência estrita interpreta a condição implícita para modelar o paralelismo - a concorrência entre posições de memória. Na construção dual, justificada pela presença da negação involutiva no grafo complementar, a incoerência interpreta a condição para o não-determinismo - o conflito de acesso à memória. Para os demais construtores, o produto sequencial e a soma determinística, consideram-se os endofunctores produto e soma direta da categoria CospLin dos espaços coerentes e funções lineares. A estrutura ordenada deste modelo é formalizada pelo espaço coerente D∞ de todos os processos, construído em níveis a partir do espaço coerente D∞ dos processos elementares, seguindo a metodologia proposta por Scott [SCO 76]. Neste sentido, cada nível da construção está identificado por um subespaço Dn que reconstrói todos os objetos do nível anterior, preservando suas propriedades e relações, além de construir os novos objetos. Compatível com a abordagem algébrica, o relacionamento entre os níveis é expresso por funções lineares denominadas imersões e projeções, interpretanto os construtores de processos e seus destrutores, respectivamente. Pelo procedimento de completação, assegura-se a existência do menor ponto fixo para equações recursivas definidas pela composição infinita destes morfismos. Além disso, as interpretações para processos infinitos, construídos por prefixação, apresentadas em D→∞ comprovam que este modelo é compatível com a diversidade dos construtores. O espa¸co coerente D∞2 dos processos transfinitos generaliza a construção e define a estrutura ordenada do modelo de máquina geométrica distribuída. Seus objetos são subconjuntos coerentes de tokens rotulados por posições do espaço geométrico e indexados por subconjuntos isomorfos aos ordinais transfinitos. O espaço coerente S S dos traços lineares de funções definidas sobre o espaço coerente S dos estados computacionais constitui-se no modelo semântico para análise do comportamento associado a cada processo interpretado em D∞. A definição da função de representação introduz um domínio de expressões que formaliza uma linguagem capaz de expressar, de forma mais operacional, as interpretações obtidas neste modelo de m´aquina. Cada uma das expressões válidas na linguagem é compatível com uma expressão gráfica.

This work presents a theoretical investigation of the constructive, intuitive and ordered structure of the coherence spaces, introduced by Girard, in order to define the geometric machine model for interpretation of computational states and processes labelled by positions of a geometric space. This interpretation can be applied to deterministic process constructions, including two special types of parallelism - the temporal parallelism, with infinite memory and infinite processes defined over array structures, that operate over independent dimensions in a synchronized way; and the spatial parallelism, in a generic version of the model, with a transfinite global memory shared by transfinite processes distributed in a enumerable set of geometric machines, synchronized in the time. The work also provides interpretation to the non-deterministic computations and applies the exponential operators in the interpretation of the functional space. The most basic notion of this work is the definition of the coherence relation as the admissibility of parallelism between basic operations (elementary processes). That relation defines the web over which the coherence space of the whole set of deterministic and non-deterministic processes is step-wise and systematically build. Over the set of the compatible points of such graph, the strict coherence interprets the implicity condition to model parallelism - the true concurrence. In the dual construction, justified by the presence of involutive negation in the complementary graph, the incoherence interprets the condition that models non-determinism - the conflict of memory accesses. The other constructors, the sequential product and the deterministic sum, are defined by the endofunctors in the CospLin category of the coherence spaces and linear functions. The ordered structure of this model is formalized by the coherence space D∞ of all processes, constructed by levels from the coherence space D0 of the elementary processes, following the Scott’s methodology [SCO 76]. In this sense, each level is identified by a subspace Dn, which reconstructs all the objects from the level before, preserving their properties and relations, and drives the construction of the new objects. Compatible with the algebraic-theoretic approach to computational processes, the relationship between the levels is expressed by linear functions called embedding and projection-functions, which interpret constructors and destructors of processes, respectively. The completion procedure guarantees the existence of the least fixed point to the recursive equations, defined by infinite composition of these morphisms. In addition, the interpretation for infinite processes constructed by prefix is presented in D→∞ , confirms that the ordered structure of these model is compatible with the diversity of constructors. The coherence space D∞2 of transfinite processes generalizes the construction and defines the ordered structure of the distributed geometric machine model. Its objects are coherent subsets of tokens labelled by the positions of a geometric space and indexed by isomorphic subsets related to the transfinite ordinal numbers. In order to analyze the behavior related to the interpretations in D∞, the coherence space S S of the linear traces of functions, defined over the coherence space S of the computational states, is introduced. The definition of the representation-function induces the construction of the domain Ω of valid expressions and formalizes a (graphic) language which is able to express, in an more operational way, the interpretations obtained in the geometric machine model.