-- A typesystem and CPS interpreter for algebraic effects and handlers -- (deep and shallow) module algebraic2 where open import Data.Nat using (ℕ; zero; suc; _+_) open import Data.Bool using (true; false; if_then_else_) renaming (Bool to 𝔹) open import Data.String using (String) open import Data.Unit using (⊤; tt) open import Data.Empty using (⊥) open import Data.Product using (_×_; _,_) open import Relation.Binary.PropositionalEquality open Relation.Binary.PropositionalEquality.≡-Reasoning -- Types data Ty : Set data Tr : Set data Mc : Set data H : Set data Ty where Nat : Ty Bool : Ty Str : Ty _⇒_⟨_,_⟩_⟨_,_⟩_ : Ty → Ty → Tr → Mc → Ty → Tr → Mc → Ty → Ty data Tr where ● : Tr _⇨⟨_,_⟩_ : Ty → Tr → Mc → Ty → Tr infix 5 _⇨⟨_,_⟩_ data Mc where [] : Mc _⇨⟨_,_⟩_×_×_::_ : Ty → Tr → Mc → Ty → Tr → H → Mc → Mc infix 7 _⇨⟨_,_⟩_×_×_::_ data H where ● : H _⇒[_⇒⟨_,_⟩_]⇒_⇒_⟨_,_⟩_⟨_,_⟩_ : Ty → Ty → Tr → Mc → Ty → Tr → Ty → Tr → Mc → Ty → Tr → Mc → Ty → H infix 6 _⇒_⟨_,_⟩_⟨_,_⟩_ -- cons and append of trail compatible : Tr → Tr → Tr → Set compatible ● μ₂ μ₃ = μ₂ ≡ μ₃ compatible (τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁') ● μ₃ = (τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁') ≡ μ₃ compatible (τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁') (τ₂ ⇨⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂') ● = ⊥ compatible (τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁') (τ₂ ⇨⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂') (τ₃ ⇨⟨ μ₃ , σ₃ ⟩ τ₃') = (τ₁ ≡ τ₃) × (compatible (τ₂ ⇨⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂') μ₃ μ₁) × (σ₁ ≡ σ₃) × (τ₁' ≡ τ₃') -- initial continuation id-cont-type : Ty → Tr → Mc → Ty → Set id-cont-type τ ● [] τ' = τ ≡ τ' id-cont-type τ ● (τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₂ × μ₂ × η :: σ₂) τ' = (τ ≡ τ₁) × (μ₁ ≡ μ₂) × (σ₁ ≡ σ₂) × (τ' ≡ τ₂) id-cont-type τ (τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁') σ τ' = (τ ≡ τ₁) × (μ₁ ≡ ●) × (σ ≡ σ₁) × (τ' ≡ τ₁') -- the following variables automatically become implicit arguments variable τ τ' τ₀ τ₀' τ₁ τ₁' τ₂ τ₂' τ₃ τ₄ τ₅ τv τvc α β γ γ' δ : Ty μ μ' μ₀ μ₀' μ₁ μ₁' μ₂ μ₂' μ₃ μ₄ μα μβ μγ μid : Tr σ σ' σ₀ σ₀' σ₁ σ₁' σ₂ σ₂' σ₃ σ₄ σα σβ σγ σid : Mc η : H ηd : ℕ → (τ' τ₀ τ₀' τ₁ τ₁' τ₂ τ₂' δ : Ty) → (μ₀ μ₀' μ₁ μ₂ μ₂' : Tr) → (σ₀ σ₀' σ₂ σ₂' : Mc) → H ηd zero τ' τ₀ τ₀' τ₁ τ₁' τ₂ τ₂' δ μ₀ μ₀' μ₁ μ₂ μ₂' σ₀ σ₀' σ₂ σ₂' = ● ηd (suc n) τ' τ₀ τ₀' τ₁ τ₁' τ₂ τ₂' δ μ₀ μ₀' μ₁ μ₂ μ₂' σ₀ σ₀' σ₂ σ₂' = τ' ⇒[ τ₁ ⇒⟨ μ₁ , τ₂ ⇨⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂' × μ₂' × ηd n τ' τ₀ τ₀' τ₁ τ₁' τ₂ τ₂' δ μ₀ μ₀' μ₁ μ₂ μ₂' σ₀ σ₀' σ₂ σ₂' :: σ₂' ⟩ τ₁' ]⇒ μ₁ ⇒ τ₀ ⟨ μ₀ , σ₀ ⟩ τ₀' ⟨ μ₀' , σ₀' ⟩ δ -- Terms -- e : Exp var τ μα σα α μβ σβ β means that e -- * has type τ -- * requires -- - a context that yields a computation of type α -- when given a trail of type μα and a metacontext of type σα -- - a trail of type μβ -- - a metacontext of type σβ -- * eventually returns a value of type β data Exp (var : Ty → Set) : Ty → Tr → Mc → Ty → Tr → Mc → Ty → Set where Var : var τ → Exp var τ μα σα α μα σα α Num : ℕ → Exp var Nat μα σα α μα σα α Bol : 𝔹 → Exp var Bool μα σα α μα σα α Lam : (var τ₂ → Exp var τ₁ μβ σβ β μγ σγ γ) → Exp var (τ₂ ⇒ τ₁ ⟨ μβ , σβ ⟩ β ⟨ μγ , σγ ⟩ γ) μα σα α μα σα α App : Exp var (τ₂ ⇒ τ₁ ⟨ μα , σα ⟩ α ⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ β) μ₁ σ₁ γ μβ σβ δ → Exp var τ₂ μ₂ σ₂ β μ₁ σ₁ γ → Exp var τ₁ μα σα α μβ σβ δ Plus : Exp var Nat μγ σγ γ μβ σβ β → Exp var Nat μα σα α μγ σγ γ → Exp var Nat μα σα α μβ σβ β TryWithD : (n : ℕ) → id-cont-type γ μid σid γ' → Exp var γ μid σid γ' ● (τ ⇨⟨ μα , σα ⟩ α × μβ × (τv ⇒[ τ₁ ⇒⟨ μ₁ , τ₂ ⇨⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂' × μ₂' × ηd n τv τ₀ τ₀' τ₁ τ₁' τ₂ τ₂' δ μ₀ μ₀' μ₁ μ₂ μ₂' σ₀ σ₀' σ₂ σ₂' :: σ₂' ⟩ τ₁' ]⇒ μ₁ ⇒ τ₀ ⟨ μ₀ , σ₀ ⟩ τ₀' ⟨ μ₀' , σ₀' ⟩ δ) :: σβ) β → (var τv → var (τ₁ ⇒ τ₂ ⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂' ⟨ μ₂' , σ₂' ⟩ τ₁') → Exp var τ₀ μ₀ σ₀ τ₀' μ₀' σ₀' δ) → Exp var τ μα σα α μβ σβ β TryWithS : id-cont-type γ μid σid γ' → compatible (τ₂ ⇨⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂') μ₂' μ₃ → compatible μ₁' μ₃ μ₁ → Exp var γ μid σid γ' ● (τ ⇨⟨ μα , σα ⟩ α × μβ × (τv ⇒[ τ₁ ⇒⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁' ]⇒ μ₁' ⇒ τ₀ ⟨ μ₀ , σ₀ ⟩ τ₀' ⟨ μ₀' , σ₀' ⟩ δ) :: σβ) β → (var τv → var (τ₁ ⇒ τ₂ ⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂' ⟨ μ₂' , σ₁ ⟩ τ₁') → Exp var τ₀ μ₀ σ₀ τ₀' μ₀' σ₀' δ) → Exp var τ μα σα α μβ σβ β Perform : Exp var τv μγ (τ₀ ⇨⟨ μ₀ , σ₀ ⟩ τ₀' × μ₀' × (τv ⇒[ τ ⇒⟨ μα , σα ⟩ α ]⇒ μγ ⇒ τ₀ ⟨ μ₀ , σ₀ ⟩ τ₀' ⟨ μ₀' , σ₀' ⟩ γ) :: σ₀') γ μβ σβ β → Exp var τ μα σα α μβ σβ β -- Interpretation of types 〚_〛τ : Ty → Set 〚_〛μ : Tr → Set 〚_〛σ : Mc → Set 〚_〛η : H → Set --- Ty 〚 Nat 〛τ = ℕ 〚 Bool 〛τ = 𝔹 〚 Str 〛τ = String 〚 τ₁ ⇒ τ₂ ⟨ μα , σα ⟩ α ⟨ μβ , σβ ⟩ β 〛τ = 〚 τ₁ 〛τ → (〚 τ₂ 〛τ → 〚 μα 〛μ → 〚 σα 〛σ → 〚 α 〛τ) → 〚 μβ 〛μ → 〚 σβ 〛σ → 〚 β 〛τ --- Tr 〚 ● 〛μ = ⊤ 〚 τ₁ ⇨⟨ μ , σ ⟩ τ₂ 〛μ = 〚 τ₁ 〛τ → 〚 μ 〛μ → 〚 σ 〛σ → 〚 τ₂ 〛τ --- Mc 〚 [] 〛σ = ⊤ 〚 τ ⇨⟨ μ , σ ⟩ τ' × μ' × η :: σ' 〛σ = ((〚 τ 〛τ → 〚 μ 〛μ → 〚 σ 〛σ → 〚 τ' 〛τ) × 〚 μ' 〛μ × 〚 η 〛η) × 〚 σ' 〛σ --- H 〚 ● 〛η = ⊤ 〚 τv ⇒[ τ₁ ⇒⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁' ]⇒ μ₄ ⇒ τ ⟨ μα , σα ⟩ α ⟨ μβ , σβ ⟩ β 〛η = 〚 τv 〛τ → (〚 τ₁ 〛τ → 〚 μ₁ 〛μ → 〚 σ₁ 〛σ → 〚 τ₁' 〛τ) → 〚 μ₄ 〛μ → (〚 τ 〛τ → 〚 μα 〛μ → 〚 σα 〛σ → 〚 α 〛τ) → 〚 μβ 〛μ → 〚 σβ 〛σ → 〚 β 〛τ -- compose trail compose-trail : compatible μ₁ μ₂ μ₃ → 〚 μ₁ 〛μ → 〚 μ₂ 〛μ → 〚 μ₃ 〛μ compose-trail {●} refl tt t₂ = t₂ compose-trail {τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁'} {●} refl t₁ tt = t₁ compose-trail {τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₁'} {τ₂ ⇨⟨ μ₂ , σ₂ ⟩ τ₂'} {τ₃ ⇨⟨ μ₃ , σ₃ ⟩ τ₃'} (refl , c , refl , refl) t₁ t₂ = λ v t m → t₁ v (compose-trail c t₂ t) m -- initial continaution idc : id-cont-type τ μ σ τ' → 〚 τ 〛τ → 〚 μ 〛μ → 〚 σ 〛σ → 〚 τ' 〛τ idc {μ = ●} {[]} refl v tt tt = v idc {μ = ●} {τ₁ ⇨⟨ μ₁ , σ₁ ⟩ τ₂ × .μ₁ × η :: .σ₁} (refl , refl , refl , refl) v tt ((c , t , h) , m) = c v t m idc {μ = τ ⇨⟨ .● , σ ⟩ τ'} (refl , refl , refl , refl) v c m = c v tt m -- CPS interpreter g : {var : Ty → Set} → Exp 〚_〛τ τ μα σα α μβ σβ β → (〚 τ 〛τ → 〚 μα 〛μ → 〚 σα 〛σ → 〚 α 〛τ) → 〚 μβ 〛μ → 〚 σβ 〛σ → 〚 β 〛τ g (Var x) c t m = c x t m g (Num n) c t m = c n t m g (Bol b) c t m = c b t m g (Lam f) c t m = c (λ v c₁ t₁ m₁ → g {var = 〚_〛τ} (f v) c₁ t₁ m₁) t m g (App e₁ e₂) c t m = g {var = 〚_〛τ} e₁ (λ v₁ t₁ m₁ → g {var = 〚_〛τ} e₂ (λ v₂ t₂ m₂ → v₁ v₂ c t₂ m₂) t₁ m₁) t m g (Plus e₁ e₂) c t m = g {var = 〚_〛τ} e₁ (λ n₁ t₁ m₁ → g {var = 〚_〛τ} e₂ (λ n₂ t₂ m₂ → c (n₁ + n₂) t₂ m₂) t₁ m₁) t m g (TryWithD n id-c-t e₁ e₂) c t m = g {var = 〚_〛τ} e₁ (idc id-c-t) tt ((c , t , h n) , m) where h : (n : ℕ) → 〚 _ ⇒[ _ ⇒⟨ _ , _ ⇨⟨ _ , _ ⟩ _ × _ × ηd n _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ :: _ ⟩ _ ]⇒ _ ⇒ _ ⟨ _ , _ ⟩ _ ⟨ _ , _ ⟩ _ 〛η h zero v c₁ t₁ c₀ t₀ m₀ = g {var = 〚_〛τ} (e₂ v (λ v₂ c₂ t₂ m₂ → c₁ v₂ t₁ ((c₂ , t₂ , tt) , m₂))) c₀ t₀ m₀ h (suc n) v c₁ t₁ c₀ t₀ m₀ = g {var = 〚_〛τ} (e₂ v (λ v₂ c₂ t₂ m₂ → c₁ v₂ t₁ ((c₂ , t₂ , h n) , m₂))) c₀ t₀ m₀ g (TryWithS id-c-t ct₁ ct₂ e₁ e₂) c t m = g {var = 〚_〛τ} e₁ (idc id-c-t) tt ((c , t , λ { v c₁ t₁ c₀ t₀ m₀ → g {var = 〚_〛τ} (e₂ v (λ v₂ c₂ t₂ m₂ → c₁ v₂ (compose-trail ct₂ t₁ (compose-trail ct₁ c₂ t₂)) m₂)) c₀ t₀ m₀}) , m) g (Perform e) c t m = g {var = 〚_〛τ} e (λ { v t' ((c₀ , t₀ , h₀) , m₀) → h₀ v c t' c₀ t₀ m₀}) t m -- Top-level evaluation f : Exp 〚_〛τ τ ● [] τ ● [] τ → 〚 τ 〛τ f e = g {var = 〚_〛τ} e (λ v _ _ → v) tt tt -- try perform 12 + perform 13 with x, k -> k (x + 1) term1 : {τ : Ty} → Exp 〚_〛τ Nat ● [] τ ● [] τ term1 = TryWithD (suc zero) -- cannot be zero (refl , refl , refl , refl) (Plus (Perform (Num 12)) (Perform (Num 13))) λ x k → App (Var k) (Plus (Var x) (Num 1))