21 research outputs found
Unification of Compile-Time and Runtime Metaprogramming in Scala
Metaprogramming is a technique that consists in writing programs that treat other programs as data. This paradigm of software development contributes to a multitude of approaches that improve programmer productivity, including code generation, program analysis and domain-specific languages. Many programming languages and runtime systems provide support for metaprogramming. Programming platforms often distinguish the notions of compile-time and runtime metaprogramming, depending on the phase of the program lifecycle when metaprograms execute. It is common for different lifecycle phases to be hosted in different environ- ments, so it is also common for different kinds of metaprogramming to provide different capabilities to metaprogrammers. In this dissertation, we present an exploration of the idea of unifying compile-time and runtime metaprogramming in Scala. We focus on the practical aspect of the exploration; most of the described designs are available as popular software products, and some of them have become part of the standard distribution of Scala. First, guided by the motivation to consolidate disparate metaprogramming techniques available in earlier versions of Scala, we introduce scala.reflect, a unified metaprogram- ming framework that uses a language model derived from the Scala compiler to run metaprograms both at compile time and at runtime. Secondly, armed by the newfound metaprogramming powers, we describe Scala macros, a language-integrated compile-time metaprogramming facility based on scala.reflect. Thanks to the comprehensive nature of scala.reflect, macros are able to work with both syntactic and semantic information about Scala programs, enabling a wide range of previously impractical or impossible use cases. Finally, based on our experience and user feedback, we identify key strengths and weaknesses of scala.reflect and macros. We propose scala.meta, a new unified metapro- gramming framework, and inline/meta, a new macro system based on scala.meta, that take the best from their predecessors and address the most important problems
Doctor of Philosophy
dissertationDomain-specific languages (DSLs) are increasingly popular, and there are a variety of ways to create a DSL. A DSL designer might write an interpreter from scratch, compile the DSL to another language, express DSL concepts using only the existing forms of an existing language, or implement DSL constructs using a language's extension capabilities, including macros. While extensible languages can offer the easiest opportunity for creating a DSL that takes advantage of the language's existing infrastructure, existing tools for debugging fail to adequately adapt the debugging experience to a given domain. This dissertation addresses the problem of debugging DSLs defined with macros and describes an event-oriented approach that works well with a macro-expansion view of language implementation. It pairs the mapping of DSL terms to host terms with an event mapping to convert primitive events back to domain-specific concepts. Domain-specific events can be further inspected or manipulated to construct domain-specific debuggers. This dissertation presents a core model of evaluation and events and also presents a language design-analogous to pattern-based notations for macros, but in the other direction-for describing how events in a DSL's expansion are mapped to events at the DSL's level. The domain-specific events can enable useful, domain-specific debuggers, and the dissertation introduces a design for a debugging framework to help with debugger construction. To validate the design of the debugging framework, a debugging framework, Ripple, is implemented, and this dissertation demonstrates that with a modest amount of work, Ripple can support building domain-specific debuggers
Static Computation and Reflection
Thesis (PhD) - Indiana University, Computer Sciences, 2008Most programming languages do not allow programs to inspect their
static type information or perform computations on it. C++, however,
lets programmers write template metaprograms, which enable programs to
encode static information, perform compile-time computations,
and make static decisions about run-time behavior. Many C++ libraries
and applications use template metaprogramming to build specialized
abstraction mechanisms, implement domain-specific safety checks, and
improve run-time performance.
Template metaprogramming is an emergent capability of the C++ type
system, and the C++ language specification is informal and imprecise.
As a result, template metaprogramming often involves heroic
programming feats and often leads to code that is difficult to read and
maintain. Furthermore, many template-based code generation and
optimization techniques rely on particular compiler implementations,
rather than language semantics, for performance gains.
Motivated by the capabilities and techniques of C++ template
metaprogramming, this thesis documents some common programming patterns,
including static computation, type analysis, generative programming, and the
encoding of domain-specific static checks. It also documents notable
shortcomings to current practice, including limited support for reflection,
semantic ambiguity, and other issues that arise from the pioneering nature of
template metaprogramming. Finally, this thesis presents the design of a
foundational programming language, motivated by the analysis of template
metaprogramming, that allows programs to statically inspect type information,
perform computations, and generate code. The language is specified as a core
calculus and its capabilities are presented in an idealized setting
New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs
Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones.
To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach.
The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way.
The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos.
Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística.
Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática.
Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus.
Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística.
Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica.
Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi
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
An Embedded Query Language in Scala
In this thesis we address the problem of integrating general purpose programming languages with relational databases. An approach to solving this problem is using raw strings to represent SQL statements. This approach leads to runtime errors and security vulnerabilities like SQL injection. The second approach is integrating the query in a host language. The most well-known example of the second approach is LINQ. This approach provides static checking of types and syntax during compilation. This thesis presents an embedded query language in Scala, namely Shadow Embedding in Slick. Shadow Embedding provides even stronger compile-time guarantees than LINQ and similar systems in Scala. The experimental results show that the performance of our approach is very similar to the case of using raw Strings, thanks to static code analysis and clever code caching
Tools and models for high level parallel and Grid programming
When algorithmic skeletons were first introduced by Cole in
late 1980 (50) the idea had an almost immediate success. The
skeletal approach has been proved to be effective when application algorithms can be expressed in terms of skeletons composition. However, despite both their effectiveness and the progress made in skeletal systems design and implementation, algorithmic skeletons remain absent from mainstream practice. Cole and other researchers, respectively in (51) and (19), focused the problem. They recognized the issues affecting
skeletal systems and stated a set of principles that have
to be tackled in order to make them more effective and to
take skeletal programming into the parallel mainstream. In
this thesis we propose tools and models for addressing some
among the skeletal programming environments issues. We
describe three novel approaches aimed at enhancing skeletons
based systems from different angles. First, we present a model we conceived that allows algorithmic skeletons customization exploiting the macro data-flow abstraction. Then we present two results about the exploitation of metaprogramming techniques for the run-time generation and optimization of macro data-flow graphs. In particular, we show how to generate and how to optimize macro data-flow graphs accordingly both to programmers provided non-functional requirements and to execution platform features. The last result we present are the Behavioural Skeletons, an approach aimed at addressing the limitations of skeletal programming environments when used for the development of component-based Grid applications.
We validated all the approaches conducting several test,
performed exploiting a set of tools we developed
Adaptive object-modeling : patterns, tools and applications
Tese de Programa Doutoral. Informática. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 201