Extensible Languages for Flexible and Principled Domain Abstraction

Die meisten Programmiersprachen werden als Universalsprachen entworfen. Unabhängig von der zu entwickelnden Anwendung, stellen sie die gleichen Sprachfeatures und Sprachkonstrukte zur Verfügung. Solch universelle Sprachfeatures ignorieren jedoch die spezifischen Anforderungen, die viele Softwareprojekte mit sich bringen. Als Gegenkraft zu Universalsprachen fördern domänenspezifische Programmiersprachen, modellgetriebene Softwareentwicklung und sprachorientierte Programmierung die Verwendung von Domänenabstraktion, welche den Einsatz von domänenspezifischen Sprachfeatures und Sprachkonstrukten ermöglicht. Insbesondere erlaubt Domänenabstraktion Programmieren auf dem selben Abstraktionsniveau zu programmieren wie zu denken und vermeidet dadurch die Notwendigkeit Domänenkonzepte mit universalsprachlichen Features zu kodieren. Leider ermöglichen aktuelle Ansätze zur Domänenabstraktion nicht die Entfaltung ihres ganzen Potentials. Einerseits mangelt es den Ansätzen für interne domänenspezifische Sprachen an Flexibilität bezüglich der Syntax, statischer Analysen, und Werkzeugunterstützung, was das tatsächlich erreichte Abstraktionsniveau beschränkt. Andererseits mangelt es den Ansätzen für externe domänenspezifische Sprachen an wichtigen Prinzipien, wie beispielsweise modularem Schließen oder Komposition von Domänenabstraktionen, was die Anwendbarkeit dieser Ansätze in der Entwicklung größerer Softwaresysteme einschränkt. Wir verfolgen in der vorliegenden Doktorarbeit einen neuartigen Ansatz, welcher die Vorteile von internen und externen domänenspezifischen Sprachen vereint um flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion zu unterstützen. Wir schlagen bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprachen als Grundlage für Domänenabstraktion vor. In einer erweiterbaren Sprache kann Domänenabstraktion durch die Erweiterung der Sprache mit domänenspezifischer Syntax, statischer Analyse, und Werkzeugunterstützung erreicht werden . Dies ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Flexibilität wie externe domänenspezifische Sprachen. Um die Einhaltung üblicher Prinzipien zu gewährleisten, organisieren wir Spracherweiterungen als Bibliotheken und verwenden einfache Import-Anweisungen zur Aktivierung von Erweiterungen. Dies erlaubt modulares Schließen (durch die Inspektion der Import-Anweisungen), unterstützt die Komposition von Domänenabstraktionen (durch das Importieren mehrerer Erweiterungen), und ermöglicht die uniforme Selbstanwendbarkeit von Spracherweiterungen in der Entwicklung zukünftiger Erweiterungen (durch das Importieren von Erweiterungen in einer Erweiterungsdefinition). Die Organisation von Erweiterungen in Form von Bibliotheken ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Prinzipientreue wie interne domänenspezifische Sprachen. Wir haben die bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprache SugarJ entworfen und implementiert. SugarJ Bibliotheken können Erweiterungen der Syntax, der statischen Analyse, und der Werkzeugunterstützung von SugarJ deklarieren. Eine syntaktische Erweiterung besteht dabei aus einer erweiterten Syntax und einer Transformation der erweiterten Syntax in die Basissyntax von SugarJ. Eine Erweiterung der Analyse testet Teile des abstrakten Syntaxbaums der aktuellen Datei und produziert eine Liste von Fehlern. Eine Erweiterung der Werkzeugunterstützung deklariert Dienste wie Syntaxfärbung oder Codevervollständigung für bestimmte Sprachkonstrukte. SugarJ Erweiterungen sind vollkommen selbstanwendbar: Eine erweiterte Syntax kann in eine Erweiterungsdefinition transformiert werden, eine erweiterte Analyse kann Erweiterungsdefinitionen testen, und eine erweiterte Werkzeugunterstützung kann Entwicklern beim Definieren von Erweiterungen assistieren. Um eine Quelldatei mit Erweiterungen zu verarbeiten, inspizieren der SugarJ Compiler und die SugarJ IDE die importierten Bibliotheken um die aktiven Erweiterungen zu bestimmen. Der Compiler und die IDE adaptieren den Parser, den Codegenerator, die Analyseroutine und die Werkzeugunterstützung der Quelldatei entsprechend der aktiven Erweiterungen. Wir beschreiben in der vorliegenden Doktorarbeit nicht nur das Design und die Implementierung von SugarJ, sondern berichten darüber hinaus über Erweiterungen unseres ursprünglich Designs. Insbesondere haben wir eine Generalisierung des SugarJ Compilers entworfen und implementiert, die neben Java alternative Basissprachen unterstützt. Wir haben diese Generalisierung verwendet um die bibliotheksbasierten erweiterbaren Programmiersprachen SugarHaskell, SugarProlog, und SugarFomega zu entwickeln. Weiterhin haben wir SugarJ ergänzt um polymorphe Domänenabstraktion und Kommunikationsintegrität zu unterstützen. Polymorphe Domänenabstraktion ermöglicht Programmierern mehrere Transformationen für die selbe domänenspezifische Syntax bereitzustellen. Dies erhöht die Flexibilität von SugarJ und unterstützt bekannte Szenarien aus der modellgetriebenen Entwicklung. Kommunikationsintegrität spezifiziert, dass die Komponenten eines Softwaresystems nur über explizite Kanäle kommunizieren dürfen. Im Kontext von Codegenerierung stellt dies eine interessante Eigenschaft dar, welche die Generierung von impliziten Modulabhängigkeiten untersagt. Wir haben Kommunikationsintegrität als weiteres Prinzip zu SugarJ hinzugefügt. Basierend auf SugarJ und zahlreicher Fallstudien argumentieren wir, dass flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion ein skalierbares Programmiermodell für die Entwicklung komplexer Softwaresysteme darstellt

Modularizing and Specifying Protocols among Threads

We identify three problems with current techniques for implementing protocols among threads, which complicate and impair the scalability of multicore software development: implementing synchronization, implementing coordination, and modularizing protocols. To mend these deficiencies, we argue for the use of domain-specific languages (DSL) based on existing models of concurrency. To demonstrate the feasibility of this proposal, we explain how to use the model of concurrency Reo as a high-level protocol DSL, which offers appropriate abstractions and a natural separation of protocols and computations. We describe a Reo-to-Java compiler and illustrate its use through examples.Comment: In Proceedings PLACES 2012, arXiv:1302.579

Applying Formal Methods to Networking: Theory, Techniques and Applications

Despite its great importance, modern network infrastructure is remarkable for the lack of rigor in its engineering. The Internet which began as a research experiment was never designed to handle the users and applications it hosts today. The lack of formalization of the Internet architecture meant limited abstractions and modularity, especially for the control and management planes, thus requiring for every new need a new protocol built from scratch. This led to an unwieldy ossified Internet architecture resistant to any attempts at formal verification, and an Internet culture where expediency and pragmatism are favored over formal correctness. Fortunately, recent work in the space of clean slate Internet design---especially, the software defined networking (SDN) paradigm---offers the Internet community another chance to develop the right kind of architecture and abstractions. This has also led to a great resurgence in interest of applying formal methods to specification, verification, and synthesis of networking protocols and applications. In this paper, we present a self-contained tutorial of the formidable amount of work that has been done in formal methods, and present a survey of its applications to networking.Comment: 30 pages, submitted to IEEE Communications Surveys and Tutorial

A functional approach to heterogeneous computing in embedded systems

Developing programs for embedded systems presents quite a challenge; not only should programs be resource efficient, as they operate under memory and timing constraints, but they should also take full advantage of the hardware to achieve maximum performance. Since performance is such a significant factor in the design of embedded systems, modern systems typically incorporate more than one kind of processing element to benefit from specialized processing capabilities. For such heterogeneous systems the challenge in developing programs is even greater.In this thesis we explore a functional approach to heterogeneous system development as a means to address many of the modularity problems that are typically found in the application of low-level imperative programming for embedded systems. In particular, we explore a staged hardware software co-design language that we name Co-Feldspar and embed in Haskell. The staged approach enables designers to build their applications from reusable components and skeletons while retaining control over much of the generated source code. Furthermore, by embedding the language in Haskell we can exploit its type classes to write not only hardware and software programs, but also generic programs with overloaded instructions and expressions. We demonstrate the usefulness of the functional approach for co-design on a cryptographic example and signal processing filters, and benchmark software and mixed hardware-software implementations. Co-Feldspar currently adopts a monadic interface, which provides an imperative functional programming style that is suitable for explicit memory management and algorithms that rely on a certain evaluation order. For algorithms that are better defined as pure functions operating on immutable values, we provide a signal and array library that extends a monadic language, like Co-Feldspar. These extensions permit a functional style of programming by composing high-level combinators. Our compiler transforms such high-level code into efficient programs with mutating code. In particular, we show how to execute an FFT safely in-place, and how to describe a FIR and IIR filter efficiently as streams. Co-Feldspar’s monadic interface is however quite invasive; not only is the burden of explicit memory management quite heavy on the user, it is also quite easy to shoot on eself in the foot. It is for these reasons that we also explore a dynamic memory management discipline that is based on regions but predictable enough to be of use for embedded systems. Specifically, this thesis introduces a program analysis which annotates values with dynamically allocated memory regions. By limiting our efforts to functional languages that target embedded software, we manage to define a region inference algorithm that is considerably simpler than traditional approaches