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Julia (Programmiersprache)

Programmiersprache
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Julia ist eine höhere Programmiersprache, die vor allem für numerisches und wissenschaftliches Rechnen entwickelt wurde und auch als Allzweck-Programmiersprache verwendet werden kann, bei gleichzeitiger Wahrung einer hohen Ausführungsgeschwindigkeit.[5][6][7][8][9] Die Syntax erinnert stark an Matlab, wie auch an andere technische Programmiersprachen. Der Compiler wurde in C, C++ und Scheme geschrieben; die Standardbibliothek ist in Julia selbst geschrieben. Die Programmiersprache, deren Entwicklung 2009 begann, wurde im Februar 2012 als Open Source veröffentlicht.

Julia
Official Julia logo
Basisdaten
Paradigmen: Multiparadigma (prozedural, funktional, objektorientiert, Metaprogrammierung)
Erscheinungsjahr: 2012
Designer: Jeff Bezanson, Stefan Karpinski, Viral B. Shah, Alan Edelman
Entwickler: Jeff Bezanson, Stefan Karpinski, Viral B. Shah u. a.[1][2]
Aktuelle Version 1.11.0[3] (7. Oktober 2024)
Typisierung: dynamisch mit Typinferenz
Wichtige Implementierungen: Julia JIT Compiler
Beeinflusst von: C, MATLAB, Scheme, Lisp, Dylan, Perl, Python, R, Ruby, Lua,[4] Mathematica
Betriebssystem: Linux, macOS, FreeBSD, Windows
Lizenz: MIT-Lizenz, GPL, LGPL, BSD
The Julia Language

Die Ausführungsgeschwindigkeit liegt im Bereich von C und Fortran, wodurch sich Julia gegenüber anderen wissenschaftlichen Sprachen wie MATLAB, GNU Octave oder R deutlich absetzt. Charakterisiert wird das Design der Sprache durch ein Typsystem, das parametrisierte Typen erlaubt, eine dynamische Programmierumgebung und Multimethoden als zentrales Paradigma. Julia erlaubt paralleles und verteiltes Ausführen von Programmen und den direkten Aufruf von C- und Fortran-Bibliotheken. Julia enthält standardmäßig einen Garbage Collector[10] und effiziente Implementierungen für Operationen mit Gleitkommazahlen und zur linearen Algebra, zur Generierung von Zufallszahlen und zur Verarbeitung regulärer Ausdrücke.

Die Entwicklung erfolgte am MIT; Stefan Karpinski, Viral Shah und Jeff Bezanson erhielten dafür den J. H. Wilkinson Prize for Numerical Software für 2019.

Mit Hilfe eines Pakets, das alle Julia-Funktionen unterstützt, kann zu ausführbaren Binärdateien kompiliert werden. Ein anderes Paket erzeugt besonders kleine ausführbare Binärdateien für Computer oder sogar Mikrocontroller mit 2 KB RAM. Diesen fehlt dann jedoch die Laufzeitumgebung und damit Funktionen wie der Garbage Collector und das Threading. Mit Binärpaketen muss aber kein Quellcode verteilt werden.

Geschichte

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Die Arbeit an Julia wurde 2009 von Jeff Bezanson, Stefan Karpinski, Viral B. Shah und Alan Edelman begonnen. Ziel war eine Höhere Programmiersprache mit hoher Ausführungsgeschwindigkeit als Open-Source-Projekt – so erklären es die Autoren 2012 im ersten Blogeintrag ihrer Website.[11] Über den Namen Julia sagte Karpinski in einem Interview mit InfoWorld im April 2012: „Es gibt wirklich keinen guten Grund. Es schien einfach ein hübscher Name zu sein.“

In den Jahren seit dem Start von Julia pre-1.0 im Jahr 2012 ist die Community gewachsen. Das Julia-Paket-Ökosystem umfasst über 11,8 Millionen Codezeilen (einschließlich Dokumentation und Tests). Die JuliaCon University Conference für Julia-Benutzer und -Entwickler findet seit 2014 jährlich statt – 2021 mit über 43.000 Konferenzteilnehmern und über 300 Präsentationen, die kostenlos auf YouTube verfügbar sind.

Für die Entwicklung von Julia erhielten 2019 drei der vier Erstautoren den J. H. Wilkinson Prize for Numerical Software. Im gleichen Jahr wurde Alan Edelman, Professor für Angewandte Mathematik am MIT, der Sidney Fernbach Award zuerkannt, unter anderem für seine Beiträge zu Julia.

Julia 0.7 und Version 1.0 wurden am 8. August 2018 veröffentlicht.

Nach Julia 1.0 war Version 1.6 das größte Release und das einzige mit offiziellem Long Term Support. Meist wird als neuestes stabiles Release 1.9-Release (vom Mai 2023) empfohlen, besonders wegen seiner parallelen Vorkompilierung, der Ausführungsgeschwindigkeit vorkompilierter Pakete und dem schnellen Laden von Paketen.

JuliaCon

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Seit 2014 veranstaltet die Julia Community eine jährliche Julia-Konferenz, die sich auf Entwickler und Benutzer konzentriert. Die erste JuliaCon fand in Chicago statt und gab den Startschuss für die jährliche Veranstaltung der Konferenz. Seit 2014 findet die Konferenz an verschiedenen Orten statt, darunter das MIT und die University of Maryland, Baltimore. Das Veranstaltungspublikum ist während der JuliaCon 2020, die virtuell stattfand, von einigen Dutzend Personen auf über 28.900 einzelne Teilnehmer angewachsen. Die JuliaCon 2021 fand auch virtuell statt mit Keynote-Vorträgen von Professor William Kahan (dem Hauptarchitekten des IEEE 754-Gleitkommastandards, um den es in seiner Keynote geht, den praktisch alle CPUs und Sprachen verwenden, einschließlich Julia), und Jan Vitek, Xiaoye Sherry Li und Soumith Chintala (Mitschöpfer von PyTorch). JuliaCon wuchs auf 43.000 einzelne Teilnehmer und mehr als 300 Präsentationen (immer noch frei zugänglich, plus für ältere Jahre).

Firma Julia

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JuliaHub, Inc. wurde 2015 als Julia Computing, Inc. von Viral B. Shah, Deepak Vinchhi, Alan Edelman, Jeff Bezanson, Stefan Karpinski und Keno Fischer gegründet.

Eigenschaften

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Die offizielle Website stellt folgende Eigenschaften als wichtig heraus:

Julia wurde stark von Lisp-Dialekten, in erster Linie Scheme und Common Lisp, beeinflusst und hat Gemeinsamkeiten mit Sprachen, die ebenfalls Multimethoden unterstützen. Dazu zählen Dylan, mit einer ALGOL-ähnlichen Syntax statt der Lisp-ähnlichen polnischen Notation, und Fortress, mit umfangreichem parametrischem Typ-System. CLOS erweitert Common Lisp um Multimethoden.

In Julia, Dylan und Fortress ist die Multimethode der Standard und die eingebauten Funktionen sind gänzlich generisch und erweiterbar. In Dylan werden Multimethoden genauso grundlegend behandelt wie in Julia: Sämtliche benutzerdefinierte Funktionen und eingebaute mathematische Operatoren wie die Addition mit + sind generisch. Dylans Typsystem unterstützt jedoch nicht vollständig parametrische Typen, was sich eher in von ML abstammenden Sprachen findet. Standardmäßig unterstützt CLOS keine parametrischen Typen für Multimethoden; dies muss durch das Metaobject Protocol hinzugefügt werden. Fortress erlaubt wie Julia parametrische Typen für Multimethoden, jedoch ist Fortress im Gegensatz zu Julia statisch typisiert, sodass Kompilierung und Ausführung in getrennten Phasen stattfinden. Die Tabelle fasst diese Eigenschaften zusammen:

Sprache Typ-System Multimethoden Parametrische Typen
Julia dynamisch Standard ja
Common Lisp dynamisch optional partiell (nicht für Multimethoden)
Dylan dynamisch Standard partiell (nicht für Multimethoden)
Fortress statisch Standard ja

Standardmäßig muss die Julia-Laufzeit vorinstalliert sein, da vom Benutzer bereitgestellter Quellcode ausgeführt wird. Alternativ kann eine eigenständige ausführbare Datei, die keinen Julia-Quellcode benötigt, mittels PackageCompiler.jl erstellt werden.

Benutzerinteraktion

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Julia enthält standardmäßig ein interaktives Kommandozeilenprogramm REPL (Read–eval–print loop), das zum Experimentieren und schnellen Testen von Code verwendet werden kann.[14] Ein Beispielausschnitt aus dem REPL ist:[15] 

julia> p(x) = 2x^2 + 1; f(x, y) = 1 + 2p(x)y
julia> println("Hallo Welt!", " Ich bin auf Wolke ", f(1, 1), ", da Julia erkennbare Syntax unterstützt!")

Das REPL gibt dem Benutzer Zugriff auf die System-Shell und stellt einen Hilfemodus zur Verfügung, indem ; oder ?, dem Kommando vorangestellt, nach der Eingabeaufforderung eingegeben werden. REPL speichert die Chronik aus eingegebenen Kommandos und solchen zwischen Sitzungen.[16] Außerdem liefert es Codebeispiele, die direkt in REPL eingegeben oder in einer separaten Datei mit einer .jl-Endung gespeichert und anschließend durch $ julia <filename> in der System-Shell aufgerufen werden können.[17]

Paketmanager

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Julia hat einen integrierten Paketmanager und enthält ein Standardregistrierungssystem. Pakete werden meistens als Quellcode verteilt, der auf GitHub gehostet wird, obwohl auch Alternativen genauso gut verwendet werden können. Pakete können unter Verwendung von Artefakten auch als Binärdateien installiert werden. Julias Paketmanager wird zum Abfragen und Kompilieren von Paketen sowie zum Verwalten von Umgebungen verwendet. Es werden föderierte Paketregistrierungen unterstützt, sodass andere Registrierungen als die offiziellen lokal hinzugefügt werden können.

Wenn Sie ein Paket interaktiv aus der REPL verwenden, werden Sie automatisch gefragt, ob Sie das Paket installieren möchten. Alternativ können Pakete (eines oder mehrere) installiert werden, indem Sie zuerst die Pkg REPL eingeben, indem Sie aus der Julia REPL drücken und z. B. Folgendes tun: 

(@v1.9) pkg> JSON StaticArrays

Verwendung mit anderen Sprachen

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Viele Pakete[18] sind verfügbar, um andere Sprachen innerhalb von Julia aufzurufen. Beispielsweise ist das Paket JavaCall[19] verfügbar, um Java von Julia aus aufzurufen, Mathematica[20], um Mathematica aufzurufen,[21] das Aufrufen von Rust ist möglich,[22][23] und node-julia erlaubt JavaScript/node.js die Verwendung für asynchrone (Web-)Server. Für PHP, Perl und andere Sprachen, erlaubt Polyglot[24] einen transparenten Fernaufruf und rekursive Auswertung von Funktionen in anderen Sprachen, so als wären sie reguläre Julia-Funktionen. Es ermöglicht anderen Sprachen, Julia-Funktionen so zu verwenden, als wären sie in der anderen Sprache geschrieben. Mit Polyglot.jl hat Julia ebenfalls native und Wrapper-Pakete für symbolische Mathematik.

Standardmäßig unterstützt Julia UTF-8, jedoch können die optionalen Pakete ICU[25], ein Wrapper für International Components for Unicode und UnicodeExtras[26] für eine erweiterte Unicodeunterstützung verwendet werden. Außerdem ist für die Erstellung und das Arbeiten mit Browserfenstern das Paket Blink[27] verfügbar.

Für Julia gibt es Wrapper-Bibliotheken, um mit grafischen Benutzeroberflächen zu arbeiten, wie beispielsweise das (zumindest für Linux, Windows und macOS) plattformunabhängige GTK, Qt, Tk oder JGUI[28], der die Unterschiede der vorherigen verbirgt und das verwendet, was verfügbar ist.

Es gibt zahlreiche einzelne SQL- oder NoSQL-Datenbankenschnittstellen und das generische ODBC[29] für datenbankübergreifenden Zugriff.

Während Julia standardmäßig Eager Evaluation (frühe Auswertung) verwendet, liefert das Lazy[30] -Paket Grundlagen für funktionales Programmieren – Lazily-evaluated-Listen und eine große Bibliothek von Funktionen, um mit diesen zu arbeiten.

Verwendung für Statistik- und Datenanalyse

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Julia wurde mit dem Ziel erschaffen, so einfach für Statistik zu sein wie R es ist.[9]

Für den Fall, dass Julia Statistikfunktionen fehlen, die in R verfügbar sind, stehen die Pakete RCall[31] und Rif[32] zur Verfügung, und für den umgekehrten Fall RJulia,[33] um Julia von R aufzurufen.

Gadfly[34] ermöglicht es, in Julia statistische Grafiken zu erstellen. Um mit Verteilungen zu arbeiten, gibt es das Paket Distributions.[35]

Ohne eine gemeinsame Verwendung mit R existiert Rmath in Julia. Rmath ist eine Bibliothek von R, die einfache statistische Funktionen enthält. Julia verwendet eine gepatchte Version von Rmath, die dSFMT (double precision SIMD-oriented Fast Mersenne-Twister) als zu Grunde liegenden Zufallszahlengenerator für schnellere normalverteilte Zufallszahlen nutzt.[36][37]

Anzeige von Assemblercode

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Die kompilierte Assemblersprache lässt sich für jede gerade erst eingegebene Funktion anzeigen. Selbst für eingebaute Funktionen wie den Additionsoperator + ist dies möglich. Bei Operatoren wie + handelt es sich in Julia ebenso lediglich um Funktionen, was durch syntaktischen Zucker ermöglicht wird: 

julia> code_native(+, (Float64, Float64))

	.text
Filename: float.jl
Source line: 120
	push	RBP
	mov	RBP, RSP
Source line: 120
	addsd	XMM0, XMM1
	pop	RBP
	ret

Implementierung

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Der Kern von Julia wurde in C und C++ implementiert, der Parser in Scheme (femtolisp[38]), außerdem wurde das LLVM-Compilerframework dazu verwendet, optimierten 64-Bit- oder 32-Bit-Maschinencode Just-in-time (JIT) zu generieren. Abgesehen von wenigen Ausnahmen (wie libuv) wurde die Standardbibliothek in Julia selbst geschrieben. Die Ausführungsgeschwindigkeit von Julia ist besonders hoch im Vergleich zu Sprachen, die ähnliche Zwecke erfüllen. Optimierter C-Code ist meist höchstens doppelt so schnell wie Julia-Code, sodass Julia-Code eine Größenordnung schneller ausgeführt wird als Python- oder R-Code.[39] Die Entwicklung von Julia begann 2009, eine Open-Source-Version wurde im Februar 2012 veröffentlicht.[40]

Julia verwendet einen Mark-and-Sweep-Garbage-Collector zur Speicherbereinigung. Für hochperformante Zahlenverarbeitung stellt diese Wahl kein Problem dar. Bei Berechnungen in Echtzeit, wie etwa bei Audioverarbeitung, kann eine inkrementelle Implementierung des Garbage Collectors deutlich bessere Ausführungsgeschwindigkeit liefern.[41]

Im November 2015 wurde bekannt, dass die Gordon-und-Betty-Moore-Stiftung 600.000 US-Dollar für die Entwicklung der Sprache gespendet hatte, um so Version 1.0 zu erreichen.[42]

Am 8. August 2018 wurde die Version 1.0.0 veröffentlicht.[43]

Aktuelle und geplante Plattformen

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Auch wenn Julia-JIT die LLVM verwendet[44] (MCJIT[45] der LLVM), wird nativer Maschinencode generiert, sobald eine Funktion erstmals ausgeführt wird. Im Gegensatz zu Java oder Dalvik wird in Julia kein in einer virtuellen Maschine laufender Bytecode generiert.

Aktuell gut unterstützt (Tier 1) werden neuere x86- und ältere i386-Prozessorarchitekturen, zusätzlich in Linux die 64-Bit ARMv8 und die 64-Bit Nvidia PTX.

Von einigen Tests ist bekannt, dass sie fehlschlagen, und Stacktraces sind nicht verfügbar[46] mit Alpha-Unterstützung für den Raspberry Pi 1 und Pi 2[47][48] jedoch startet Julia [auf ARMv7] Samsung Chromebook […] ohne Probleme[49], an PowerPC wird noch gearbeitet.[50][51]

Einbindung in andere Sprachen

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Die Julia-C-API erlaubt es, Julias gesamte Laufzeitumgebung inklusive Bibliotheken innerhalb von C-Programmen auszuführen, ohne Daten kopieren zu müssen. Sprachen, die C aufrufen können, werden unterstützt (solange die CPU von allen drei Umgebungen unterstützt wird), wie beispielsweise C++, möglicherweise C# (für C# unter Windows 8.1 ist Version 0.4 nötig).[52] Außerdem wird Python unterstützt,[53] wobei Aufrufe, auch rekursive, in beide Richtungen möglich sind.[54] Für Sprachen, die Ausnahmen unterstützen, können Ausnahmen in Julia abgefangen und in der Zielsprache erneut geworfen werden (in C, das keine Ausnahmen unterstützt, müssen diese in Julia abgefangen und behandelt werden).

Es gibt eine Bibliothek, die C++ direkt aufruft, ohne C zu verwenden, und so Name-Mangling vermeidet. So können auch Methoden zum Einsatz kommen, die auf sogenannte Staged Functions angewiesen sind; dies ist jedoch erst ab Version 0.4.0-dev möglich.

Ein Compiler nach JavaScript, der die Ausführung im Browser erlaubt, befindet sich in Entwicklung.[55]

Alternativen

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Die älteste Alternative zu Julia und gleichzeitig eines der Vorbilder ist Matlab, eine Sprache und Desktop-Umgebung, die seit 1984 kommerziell von MathWorks entwickelt und vertrieben wird.

Da die Routinen für lineare Algebra in Julia auf den quelloffenen Fortran-Bibliotheken LAPACK und BLAS basieren, existieren mehrere Alternativen zu diesen Aufgabenbereichen mit gleicher numerischer Qualität. Vom französischen INRIA (Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique) stammt Scilab/Xcos. Im Rahmen des GNU-Projektes ist GNU Octave entstanden. Ein weiteres Beispiel ist das Softwarepaket FreeMat.

NumPy und Matplotlib sind Python-Bibliotheken, die Python um wissenschaftliches Rechnen und Analysefunktionen erweitern. NumPy basiert ebenfalls auf LAPACK und BLAS.

Zwei weitere Alternativen sind die JVM-basierte Programmiersprache Scala (mit der Programmbibliothek ND4S) und ILNumerics, das auf das .Net-Framework aufsetzt.

Die größeren Computeralgebrasysteme wie Maple und Mathematica sind vor allem für symbolische Berechnungen gedacht und enthalten numerische Algorithmen.

Siehe auch

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Commons: Julia – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  1. ↑ LICENSE.md. GitHub; (englisch).
  2. ↑ Contributors to JuliaLang/julia. GitHub; (englisch).
  3. ↑ Julia 1.11 Highlights. 8. Oktober 2024 (englisch).
  4. ↑ Julia Documentation. Abgerufen am 14. Januar 2022 (englisch).
  5. ↑ The Julia Language. (englisch).
  6. ↑ Avi Bryant: Matlab, R, and Julia: Languages for data analysis. O’Reilly Strata, 15. Oktober 2012; (englisch).
  7. ↑ Paul Krill: New Julia language seeks to be the C for scientists. InfoWorld, 18. April 2012; (englisch).
  8. ↑ Klint Finley: Out in the Open: Man Creates One Programming Language to Rule Them All. Wired, 3. Februar 2014;.
  9. ↑ a b dotnetpro.de: Julia schlägt Python, Matlab, Octave und R. Neue Mediengesellschaft Ulm mbH, 3. April 2012, abgerufen am 20. März 2017.
  10. ↑ Suspending Garbage Collection for Performance… good idea or bad idea? (englisch).
  11. ↑ https://julialang.org/blog/2012/02/why-we-created-julia/
  12. ↑ groups.google.com
  13. ↑ github.com
  14. ↑ Interacting With Julia
  15. ↑ Siehe auch: docs.julialang.org für String Interpolation
  16. ↑ Julia Documentation. In: julialang.org. Abgerufen am 16. Januar 2022 (englisch).
  17. ↑ Learn Julia in Y Minutes
  18. ↑ Julia Package Library. In: Julialang.org. Abgerufen am 18. November 2014 (englisch).
  19. ↑ JavaCall.jl
  20. ↑ Mathematica.jl
  21. ↑ Julia aus Mathematica aufrufen. Abgerufen am 9. April 2015 (englisch).
  22. ↑ Verwendung von Rust in Perl und Julia. Archiviert vom Original am 16. Februar 2020; abgerufen am 15. Mai 2015 (englisch): „Julia is even easier to use [than Perl, in the given example]“
  23. ↑ Stefan Karpinski: Julia and the Rust Language. 5. September 2013, abgerufen am 15. Mai 2015 (englisch): „Since Rust uses the C ABI, we can already call Rust libraries just as well as C. I have no idea what Erlang’s ABI is like, but if it can expose a C ABI, then we can call it. Beyond that would take some work but is certainly possible.“
  24. ↑ Polyglot.jl
  25. ↑ ICU.jl
  26. ↑ UnicodeExtras.jl
  27. ↑ Blink.jl
  28. ↑ JGUI.jl
  29. ↑ ODBC.jl
  30. ↑ Lazy.jl
  31. ↑ RCall.jl
  32. ↑ Rif.jl
  33. ↑ RJulia.jl
  34. ↑ Gadfly.jl
  35. ↑ distributionsjl.readthedocs.org
  36. ↑ dmbates.blogspot.com
  37. ↑ github.com
  38. ↑ femtolisp
  39. ↑ Julia: A Fast Dynamic Language for Technical Computing. (PDF) 2012, archiviert vom Original am 2. Dezember 2012; abgerufen am 25. Juni 2015 (englisch).
  40. ↑ Mark Gibbs: Pure and Julia are cool languages worth checking out. In: Network World. 9. Januar 2013, abgerufen am 21. März 2017 (englisch).
  41. ↑ github.com WIP: Incremental GC
  42. ↑ Rainald Menge-Sonnentag: Programmiersprachen: Finanzspritze soll Julia auf Release-Kurs bringen. In: heise Developer. Heise Medien GmbH & Co. KG, 16. November 2015, abgerufen am 18. November 2015.
  43. ↑ The Julia Blog Julia 1.0
  44. ↑ Support MCJIT. Abgerufen am 26. Mai 2015 (englisch).
  45. ↑ Using MCJIT with the Kaleidoscope Tutorial. 22. Juli 2013, abgerufen am 26. Mai 2015 (englisch).
  46. ↑ README.arm.md auf GitHub. Abgerufen am 16. Januar 2022 (englisch).
  47. ↑ Cross-compiling for ARMv6. Abgerufen am 16. Mai 2015 (englisch): „I believe #10917 should fix this. The CPU used there arm1176jzf-s.“
  48. ↑ ARM build failing during bootstrap on Raspberry Pi 2. Abgerufen am 16. Mai 2015 (englisch): „I can confirm (FINALLY) that it works on the Raspberry Pi 2 […] I guess we can announce alpha support for arm in 0.4 as well.“
  49. ↑ github.com
  50. ↑ Make.powerpc auf GitHub
  51. ↑ Porting Julia to PowerPC. Abgerufen am 9. Mai 2015 (englisch): „Wow, the latest git allows me to build to completion.“
  52. ↑ Unable to use ‘libjulia.dll’ in a C# application on Windows 8.1. (englisch).
  53. ↑ github.com
  54. ↑ Embedding Julia
  55. ↑ Support compiling to JavaScript with Emscripten. Abgerufen am 28. Januar 2015 (englisch).
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