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

A domain specific language for the automatic generation of parsers classes for text protocols

ABNF ist eine Sprache zur Definition einer formalen Syntax für technische Spezifikationen und wird häufig zur Beschreibung textueller Nachrichten von Internetprotokollen eingesetzt. Die Möglichkeiten der automatischen Generierung von Parser-Klassen aus ABNF-Spezifikationen sind derzeit sehr begrenzt, da ABNF lediglich die Transfersyntax und Produktionsregeln von Textnachrichten beschreibt. Die fehlende Definition von Variablennamen innerhalb einer ABNF-Spezifikation ermöglicht es nicht, sinnvollen und ausdrucksstarken Programmcode zu generieren, der von einem Programmierer verwendet werden kann. In diesem Artikel stellen wir X-ABNF vor, eine domänenspezifische Sprache (DSL) zur Definition von Variablennamen für ABNF-Regeln. Dies ermöglicht die Generierung von ausdrucksstarkem und lesbarem Programmcode aus ABNF-Spezifikationen. Des Weiteren zeigen wir, dass dieser Ansatz auch für Spracherweiterungen mithilfe von Makroprogrammierung genutzt werden kann. Dies ermöglicht die dynamische Instanziierung von ABNF-Textnachrichten im Programmcode. Wir verwenden Xtext und Xtend zur Implementierung der Sprachgrammatik von ABNF und XABNF, was eine gute Werkzeugunterstützung gewährleistet und Codegenerierung ermöglicht.ABNF is a language for the definition of the formal syntax of technical specifications and is widely used for the definition of textual protocol messages of many internet protocols. The automatic generation of parser classes for ABNF specifications is currently very limited, because ABNF only defines the transfer syntax of the text messages and does not define names for the set of production rules. The lack of name definitions within ABNF rules does not allow to automatically generate expressiveness and meaningful program code for ABNF specifications. In this paper we present X-ABNF, which is a domain-specific language (DSL) for the definition of name-bindings for ABNF rules. The name-bindings with X-ABNF facilitates to generate a concise and meaningful code for an ABNF specification. Additionally, we show that the name-binding can also be used for language extensions through macro programming to dynamically access ABNF encoded text data within source code. We have used Xtext and Xtend for the implementation of the language grammar of ABNF and X-ABNF, which provide good tool support and code generation capabilities

The State of the Art in Language Workbenches. Conclusions from the Language Workbench Challenge

Language workbenches are tools that provide high-level mechanisms for the implementation of (domain-specific) languages. Language workbenches are an active area of research that also receives many contributions from industry. To compare and discuss existing language workbenches, the annual Language Workbench Challenge was launched in 2011. Each year, participants are challenged to realize a given domain-specific language with their workbenches as a basis for discussion and comparison. In this paper, we describe the state of the art of language workbenches as observed in the previous editions of the Language Workbench Challenge. In particular, we capture the design space of language workbenches in a feature model and show where in this design space the participants of the 2013 Language Workbench Challenge reside. We compare these workbenches based on a DSL for questionnaires that was realized in all workbenches

Capture-Avoiding and Hygienic Program Transformations

Program transformations in terms of abstract syntax trees compromise referential integrity by introducing variable capture. Variable capture occurs when in the generated program a variable declaration accidentally shadows the intended target of a variable reference. Existing transformation systems either do not guarantee the avoidance of variable capture or impair the implementation of transformations. We present an algorithm called name-fix that automatically eliminates variable capture from a generated program by systematically renaming variables. name-fix is guided by a graph representation of the binding structure of a program, and requires name-resolution algorithms for the source language and the target language of a transformation. name-fix is generic and works for arbitrary transformations in any transformation system that supports origin tracking for names. We verify the correctness of name-fix and identify an interesting class of transformations for which name-fix provides hygiene. We demonstrate the applicability of name-fix for implementing capture-avoiding substitution, inlining, lambda lifting, and compilers for two domain-specific languages