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

Morpheus: Automated Safety Verification of Data-Dependent Parser Combinator Programs

Parser combinators are a well-known mechanism used for the compositional construction of parsers, and have shown to be particularly useful in writing parsers for rich grammars with data-dependencies and global state. Verifying applications written using them, however, has proven to be challenging in large part because of the inherently effectful nature of the parsers being composed and the difficulty in reasoning about the arbitrarily rich data-dependent semantic actions that can be associated with parsing actions. In this paper, we address these challenges by defining a parser combinator framework called Morpheus equipped with abstractions for defining composable effects tailored for parsing and semantic actions, and a rich specification language used to define safety properties over the constituent parsers comprising a program. Even though its abstractions yield many of the same expressivity benefits as other parser combinator systems, Morpheus is carefully engineered to yield a substantially more tractable automated verification pathway. We demonstrate its utility in verifying a number of realistic, challenging parsing applications, including several cases that involve non-trivial data-dependent relations

Doctor of Philosophy

dissertationI present the design of a parser that adds Scheme-style language extensibility to languages with implicitly delimited and infix syntax. A key element of my design is an enforestation parsing step, which converts a flat stream of tokens into an S-expression-like tree, in addition to the initial "read" phase of parsing and interleaved with the "macro-expand" phase. My parser uses standard lexical scoping rules to communicate syntactic extensions to the parser. In this way extensions naturally compose locally as well as through module boundaries. I argue that this style of communication is better suited towards a useful extension system than tools not directly integrated with the compiler. This dissertation explores the limits of this design in a new language called Honu. I use the extensiblity provided by Honu to develop useful language extensions such as LINQ and a parser generator. I also demonstrate the generality of the parsing techniques by applying them to Java and Python

June: A Type Testability Transformation for Improved ATG Performance

Strings are universal containers: they are flexible to use, abundant in code, and difficult to test. String-controlled programs are programs that make branching decisions based on string input. Automatically generating valid test inputs for these programs considering only character sequences rather than any underlying string-encoded structures, can be prohibitively expensive. We present June, a tool that enables Java developers to expose any present latent string structure to test generation tools. June is an annotation-driven testability transformation and an extensible library, JuneLib, of structured string definitions. The core JuneLib definitions are empirically derived and provide templates for all structured strings in our test set. June takes lightly annotated source code and injects code that permits an automated test generator (ATG) to focus on the creation of mutable substrings inside a structured string. Using June costs the developer little, with an average of 2.1 annotations per string-controlled class. June uses standard Java build tools and therefore deploys seamlessly within a Java project. By feeding string structure information to an ATG tool, June dramatically reduces wasted effort; branches are effortlessly covered that would otherwise be extremely difficult, or impossible, to cover. This waste reduction both increases and speeds coverage. EvoSuite, for example, achieves the same coverage on June-ed classes in 1 minute, on average, as it does in 9 minutes on the un-June-ed class. These gains increase over time. On our corpus, June-ing a program compresses 24 hours of execution time into ca. 2 hours. We show that many ATG tools can reuse the same June-ed code: a few June annotations, a one-off cost, benefit many different testing regimes

Service composition for end-users

RESTful services are becoming a popular technology for providing and consuming cloud services. The idea of cloud computing is based on on-demand services and their agile usage. This implies that also personal service compositions and workflows should be supported. Some approaches for RESTful service compositions have been proposed. In practice, such compositions typically present mashup applications, which are composed in an ad-hoc manner. In addition, such approaches and tools are mainly targeted for programmers rather than end-users. In this paper, a user-driven approach for reusable RESTful service compositions is presented. Such compositions can be executed once or they can be configured to be executed repeatedly, for example, to get newest updates from a service once a week

Extensible Host Language for Domain-Specific Languages

Programming languages greatly influence the way how programs are created and evolved. This means that the use of appropriate language for solved problem can greatly increase developer productivity. Composition of languages can provide great help in construction of a new language from existing components and for integration of several languages that may be needed to effectively solve a complex problem. In this paper we analyze the composition problem on the two levels: composition of languages and composition of concepts in a language. Possibilities of transition from language composition to concepts composition are also presented. Based on that, we propose a framework of languages construction based on concept composition that aims to support reusability of language elements and tools. It uses common host syntax for developed languages. Their semantics is defined in a general-purpose language. Proposed approach is demonstrated on example languages developed using prototype implementation