Heptagon: 一项Scade工具的学术版原型

We develop the langage Heptagon, a first order functional synchronous son of Lustre. The compiler is an academic prototype of the industrial tool Scade.
—— Léonard Gérard, <Programming parallelism with futures in Heptagon a synchronous functional language, and, study of Kahn networks aiming synchronous compilation>

2013年，Léonard Gérard在其博士论文中介绍了HeptagonHeptagon。这里将复述Leonard对相关工作的介绍，详细内容，可参考[Leonard13]。

同步语言诞生于20世纪80年代，旨在对高可靠性实时反应系统进行建模、设计与实现。随着被控系统的复杂度不断提升，执行速度已成为一项关键指标。与此同时，处理器性能的提升更多体现在核心数量增加上，而非运算速度的提高。因此，我们亟需一种兼具高效性与安全性的并行执行方案。

同步语言在设计之初便融入了 “并行” 理念，以增强建模的表达能力。但其编译过程主要面向电路设计或生成串行代码。所有同步语言均具备形式化语义—— 这一特性为代码的正确分布式部署提供了可能，然而，对语义的严格保留可能会成为制约生成代码效率的瓶颈，尤其当需要维持系统 “全局瞬时性” 概念时，这一矛盾更为突出。

卡恩网络与语义模型

我们关注的语义模型，是基于函数式数据流的卡恩网络（Kahn Networks）。这类网络用于对分布式计算单元进行建模，计算单元之间通过无界队列实现通信。在该模型框架下，分布式部署无需依赖任何同步机制或模型外部信息。通过对通信队列的运行过程进行分析，卡恩语义能够屏蔽实际执行过程的细节，同时确保计算结果的函数确定性（即输入确定时输出唯一）。

在三种原始同步语言中，仅有Esterel属于命令式语言，且不基于数据流模型；Signal以建模为核心，采用关系型设计；而Lustre是首个基于函数式数据流的同步语言。其早期的指称语义（Denotational Semantics）已呈现出卡恩语义的特征，而Caspi与Pouzet在 “同步卡恩网络” 方面的研究，通过将原语 “current” 替换为 “merge”，最终确立了Lustre与卡恩语义的关联，并催生出高阶函数式同步语言Lucid Synchrone。

Heptagon 语言的起源与特性

Heptagon 语言正是源于这一技术脉络：其最初版本名为MiniLustre(LCTES’08)，开发初衷是实现自动机的源到源编译，采用极简主义设计理念。Heptagon属于一阶函数式语言，其编译器为一款学术原型工具，与工业级工具Scade类似 —— 后者被广泛应用于高可靠性嵌入式系统的设计行业。

得益于卡恩语义的支撑，Heptagon程序可直接等同于一个卡恩网络：通常而言，Heptagon中的每个函数调用都可视为一个独立进程，通过队列与程序的其他部分进行通信。在通用模型中，队列的长度无法被限定；但同步语言通过 “时钟” 机制（在逻辑瞬时标记数据流的存在），确保了所有生成的值能在同一瞬时被消费。因此，Heptagon程序具备 “同步卡恩语义”，可保证网络中的队列在两个瞬时之间处于空状态。在此前提下，即便网络处于异步状态，也能通过 “单元素队列” 实现有效执行。这意味着，一旦完成程序的模块拆分，分布式部署本身不再存在技术障碍，真正的挑战在于如何提升部署的效率。

并行执行的效率瓶颈与优化方向

确保执行效率涉及两个相互关联的核心维度：

• 计算解耦度：需在计算任务的依赖关系中保留一定延迟，为并行执行提供空间；
• 计算粒度：需提高 “计算时间与通信频率的比值”，即减少通信开销对计算效率的影响。

然而，Heptagon程序的同步语义与时钟机制却呈现出相反的特性：它们允许开发者仅依赖 “瞬时解耦”（即仅在单个瞬时内实现解耦），且每个瞬时最多仅计算一个值；此外，为保证系统的快速响应，瞬时的时间跨度通常极短。这两大特性直接制约了并行执行的效率。
为突破性能瓶颈，工具Ocrep采用数据流静态分析技术，对生成代码的控制逻辑与通信过程进行优化。在该工具的框架下，开发者需指定计算任务的部署位置，但计算单元间的解耦与同步过程会自动完成。对于部分Signal语言程序，可通过通用工具SynDEx或Polychrony实现分布式部署。

基于上述研究，我们得出两项关键结论：

• 结论一：开发者主导的并行控制

我们主张由开发者在源代码中直接控制并行逻辑，使其能够自主决定通信与同步发生的瞬时。为此，我们提出在Heptagon中引入future机制：该机制既能赋予开发者控制权，又属于 “可移除注解”—— 删除后不会改变程序的指称语义。

• 结论二：计算粒度的深层优化

计算粒度问题本质上涉及数据依赖、时钟选择与模块化编译三大核心议题。与同类语言类似，Heptagon对可编写的卡恩网络施加了限制，导致这三大议题被割裂处理。为厘清三者间的关联，我们回归卡恩网络本身，最终提出了 “有序反应网络”（ordered reactive networks）这一子类的定义：这是唯一可通过时钟实现 “模块化行为描述” 的网络类型，且无需限制调用上下文。此类网络具备 “标准形式时钟签名”，能最大限度提升计算粒度。为实现这一概念，我们引入 “整数时钟”（integer clocks）—— 可在单个瞬时内完成多个值的通信。

基于上述成果，我们重新审视了Heptagon、Signal以及Lucid Synchrone的调度策略，同时为Lucy-n（与卡恩网络兼容性最高的同步语言）设计了全模块化分析方案。

[Leonard13]: Léonard Gérard, Programmer le parallélisme avec des futures en Heptagon un langage synchrone flot de données et étude des réseaux de Kahn en vue d’une compilation synchrone