Návrh a experimentální analýza programovacího jazyka se zaměřením na funkční paralelismus a JIT kompilaci

Max Müller

Bachelor's thesis

Design and experimental analysis of a programming language focused on concurency and JIT compilation

Anotácia:

Cílem této bakalářské práce je návrh a experimentální ověření nového programovacího jazyka (Poppy) a jeho vlastního běhového prostředí (VM), které optimalizuje paralelní výpočty spojením funkčního paralelismu a Just-In-Time (JIT) kompilace. Navržené řešení nativně implementuje model aktérů využívající tzv. „stackless“ (bez-zásobníkovou) architekturu a striktní izolaci stavu (Shared-Nothing) s lokální alokací paměti. Pro efektivní mapování uživatelských vláken na jádra procesoru byl vytvořen M:N plánovač s algoritmem Work-Stealing, zatímco pro dosažení výkonu blízkého staticky kompilovaným jazykům slouží dynamický překlad bajtkódu pomocí knihovny Cranelift. Experimentální analýza prokázala, že systém dosahuje vysokého výkonu a extrémně nízké paměťové režie. V zátěžovém testu Skynet dokázal spravovat přes milion souběžných aktérů se spotřebou pouhých 1,7 GB paměti, čímž výrazně překonal etablované systémy jako Go nebo Erlang. Práce tak potvrzuje, že spojení funkčního paradigmatu, bez-zásobníkových aktérů a JIT kompilace je vysoce efektivní cestou pro vývoj masivně paralelních architektur.

Abstract:

The aim of this bachelor thesis is the design and experimental verification of a novel programming language (Poppy) and it’s runtime environment (VM), which optimizes parallel computing by combining functional parallelism with Just-In-Time (JIT) compilation. The proposed solution natively implements the Actor model using a stackless architecture and strict state isolation (Shared-Nothing) with per-actor memory allocation. To efficiently map user threads to processor cores, an M:N scheduler utilizing the Work-Stealing algorithm was developed, while dynamic bytecode translation via the Cranelift library is used to achieve performance comparable to statically compiled languages. Experimental analysis demonstrated that the system achieves high computational throughput and extremely low memory overhead. In the Skynet stress benchmark, the system successfully managed over one million concurrent actors consuming only 1.7 GB of memory, significantly outperforming established systems such as Go and Erlang. The thesis confirms that combining the functional paradigm, stackless actors, and JIT compilation is a highly efficient approach for developing massively parallel architectures.

Kľúčové slová

programovací jazyk, virtuální stroj, model aktérů, funkční paralelismus, JIT kompilace, Cranelift, souběžnost, správa paměti, stackless architektura, plánovač vláken

Keywords

virtual machine, actor model, functional parallelism, JIT compilation, Cranelift, concurrency, memory management, stackless architecture, thread scheduler, programming language

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 17. 3. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 21. 5. 2026
• Vedúci: Ing. Jan Pavlík, Ph.D.
• Oponent: Alexander Galba, RNDr.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Economics and Management

Bachelor programme:
Informatics