10 research outputs found

    Bidirectional Programming and its Applications

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    Many problems in programming involve pairs of computations that cancel out each other’s effects; some examples include parsing/printing, embed- ding/projection, marshalling/unmarshalling, compressing/de-compressing etc. To avoid duplication of effort, the paradigm of bidirectional programming aims at to allow the programmer to write a single program that expresses both computations. Despite being a promising idea, existing studies mainly focus on the view-update problem in databases and its variants; and the impact of bidirectional programming has not reached the wider community. The goal of this thesis is to demonstrate, through concrete language designs and case studies, the relevance of bidirectional programming, in areas of computer science that have not been previously explored. In this thesis, we will argue for the importance of bidirectional programming in programming language design and compiler implementation. As evidence for this, we will propose a technique for incremental refactoring, which relies for its correctness on a bidirectional language and its properties, and devise a framework for implementing program transformations, with bidirectional properties that allow program analyses to be carried out in the transformed program, and have the results reported in the source program. Our applications of bidirectional programming to new areas bring up fresh challenges. This thesis also reflects on the challenges, and studies their impact to the design of bidirectional systems. We will review various design goals, including expressiveness, robustness, updatability, efficiency and easy of use, and show how certain choices, especially regarding updatability, can have significant influence on the effectiveness of bidirectional systems

    Specification Languages for Preserving Consistency between Models of Different Languages

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    In dieser Dissertation stellen wir drei Sprachen für die Entwicklung von Werkzeugen vor, welche Systemrepräsentationen während der Softwareentwicklung konsistent halten. Bei der Entwicklung komplexer informationstechnischer Systeme ist es üblich, mehrere Programmiersprachen und Modellierungssprachen zu nutzen. Dabei werden Teile des Systems mit unterschiedlichen Sprachen konstruiert und dargestellt, um verschiedene Entwurfs- und Entwicklungstätigkeiten zu unterstützen. Die übergreifende Struktur eines Systems wird beispielsweise oft mit Hilfe einer Architekturbeschreibungssprache dargestellt. Für die Spezifikation des detaillierten Verhaltens einzelner Systemteile ist hingegen eine zustandsbasierte Modellierungssprache oder eine Allzweckprogrammiersprache geeigneter. Da die Systemteile und Entwicklungstätigkeiten in Beziehung zueinander stehen, enthalten diese Repräsentationen oftmals auch redundante Informationen. Solche partiell redundanten Repräsentationen werden meist nicht statisch genutzt, sondern evolvieren während der Systementwicklung, was zu Inkonsistenzen und damit zu fehlerhaften Entwürfen und Implementierungen führen kann. Daher sind konsistente Systemrepräsentationen entscheidend für die Entwicklung solcher Systeme. Es gibt verschiedene Ansätze, die konsistente Systemrepräsentationen dadurch erreichen, dass Inkonsistenzen vermieden werden. So ist es beispielsweise möglich, eine zentrale, redundanzfreie Repräsentation zu erstellen, welche alle Informationen enthält, um alle anderen Repräsentationen daraus projizieren zu können. Es ist jedoch nicht immer praktikabel solch eine redundanzfreie Repräsentation und editierbare Projektionen zu erstellen, insbesondere wenn existierende Sprachen und Editoren unterstützt werden müssen. Eine weitere Möglichkeit zur Umgehung von Inkonsistenzen besteht darin Änderungen einzelner Informationen nur an einer eindeutigen Quellrepräsentation zuzulassen, sodass alle anderen Repräsentationen diese Information nur lesen können. Dadurch können solche Informationen in allen lesend zugreifenden Repräsentationen immer überschrieben werden, jedoch müssen dazu alle editierbaren Repräsentationsbereiche komplett voneinander getrennt werden. Falls inkonsistente Repräsentationen während der Systementwicklung nicht völlig vermieden werden können, müssen Entwickler oder Werkzeuge aktiv die Konsistenz erhalten, wenn Repräsentationen modifiziert werden. Die manuelle Konsistenthaltung ist jedoch eine zeitaufwändige und fehleranfällige Tätigkeit. Daher werden in Forschungseinrichtungen und in der Industrie Konsistenthaltungswerkzeuge entwickelt, die teilautomatisiert Modelle während der Systementwicklung aktualisieren. Solche speziellen Software-Entwicklungswerkzeuge können mit Allzweckprogrammiersprachen und mit dedizierten Konsistenthaltungssprachen entwickelt werden. In dieser Dissertation haben wir vier bedeutende Herausforderungen identifiziert, die momentan nur unzureichend von Sprachen zur Entwicklung von Konsistenthaltungswerkzeugen adressiert werden. Erstens kombinieren diese Sprachen spezifische Unterstützung zur Konsistenthaltung nicht mit der Ausdrucksmächtigkeit und Flexibilität etablierter Allzweckprogrammiersprachen. Daher sind Entwickler entweder auf ausgewiesene Anwendungsfälle beschränkt, oder sie müssen wiederholt Lösungen für generische Konsistenthaltungsprobleme entwickeln. Zweitens unterstützen diese Sprachen entweder lösungs- oder problemorientierte Programmierparadigmen, sodass Entwickler gezwungen sind, Erhaltungsinstruktionen auch in Fällen anzugeben, in denen Konsistenzdeklarationen ausreichend wären. Drittens abstrahieren diese Sprachen nicht von genügend Konsistenthaltungsdetails, wodurch Entwickler explizit beispielsweise Erhaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Übereinstimmungsprobleme berücksichtigen müssen. Viertens führen diese Sprachen zu Erhaltungsverhalten, das oft vom konkreten Anwendungsfall losgelöst zu sein scheint, wenn Interpreter und Übersetzer Code ausführen oder erzeugen, der zur Realisierung einer spezifischen Konsistenzspezifikation nicht benötigt wird. Um diese Probleme aktueller Ansätze zu adressieren, leistet diese Dissertation die folgenden Beiträge: Erstens stellen wir eine Sammlung und Klassifizierung von Herausforderungen der Konsistenthaltung vor. Dabei diskutieren wir beispielsweise, welche Herausforderungen nicht bereits adressiert werden sollten, wenn Konsistenz spezifiziert wird, sondern erst wenn sie durchgesetzt wird. Zweitens führen wir einen Ansatz zur Erhaltung von Konsistenz gemäß abstrakter Spezifikationen ein und formalisieren ihn mengentheoretisch. Diese Formalisierung ist unabhängig davon wie Konsistenzdurchsetzungen letztendlich realisiert werden. Mit dem vorgestellten Ansatz wird Konsistenz immer anhand von beobachteten Editieroperationen bewahrt, um bekannte Probleme zur Berechnung von Übereinstimmungen und Differenzen zu vermeiden. Schließlich stellen wir drei neue Sprachen zur Entwicklung von Werkzeugen vor, die den vorgestellten, spezifikationsgeleiteten Ansatz verfolgen und welche wir im Folgenden kurz erläutern. Wir präsentieren eine imperative Sprache, die verwendet werden kann, um präzise zu spezifizieren, wie Modelle in Reaktion auf spezifische Änderungen aktualisiert werden müssen, um Konsistenz in eine Richtung zu erhalten. Diese Reaktionssprache stellt Lösungen für häufige Probleme bereit, wie beispielsweise die Identifizierung und das Abrufen geänderter oder korrespondierender Modellelemente. Außerdem erreicht sie eine uneingeschränkte Ausdrucksmächtigkeit, indem sie Entwicklern ermöglicht, auf eine Allzweckprogrammiersprache zurückzugreifen. Eine zweite, bidirektionale Sprache für abstrakte Abbildungen kann für Fälle verwendet werden, in denen verschiedene Änderungsoperationen nicht unterschieden werden müssen und außerdem die Erhaltungsrichtung nicht immer eine Rolle spielt. Mit dieser Abbildungssprache können Entwickler Bedingungen deklarieren, die ausdrücken, wann Modellelemente als konsistent zueinander angesehen werden sollen, ohne sich um Details der Überprüfung oder Durchsetzung von Konsistenz bemühen zu müssen. Dazu leitet der Übersetzer automatisch Durchsetzungscode aus Überprüfungen ab und bidirektionalisiert Bedingungen, die für eine Richtung der Konsistenthaltung spezifiziert wurden. Diese Bidirektionalisierung basiert auf einer erweiterbaren Menge von komponierbaren, operatorspezifischen Invertierern, die verbreitete Round-trip-Anforderungen erfüllen. Infolgedessen können Entwickler häufig vorkommende Konsistenzanforderungen konzise ausdrücken und müssen keinen Quelltext für verschiedene Konsistenthaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Eigenschaften von Modellelementen wiederholen. Eine dritte, normative Sprache kann verwendet werden, um die vorherigen Sprachen mit parametrisierbaren Konsistenzinvarianten zu ergänzen. Diese Invariantensprache übernimmt Operatoren und Iteratoren für Elementsammlungen von der Object Constraint Language (OCL). Außerdem nimmt sie Entwicklern das Schreiben von Quelltext zur Suche nach invariantenverletzenden Elementen ab, da Abfragen, welche diese Aufgaben übernehmen, automatisch anhand von Invariantenparametern abgeleitet werden. Die drei Sprachen können in Kombination und einzeln verwendet werden. Sie ermöglichen es Entwicklern, Konsistenz unter Verwendung verschiedener Programmierparadigmen und Sprachabstraktionen zu spezifizieren. Wir stellen auch prototypische Übersetzer und Editoren für die drei Konsistenzspezifikationssprachen vor, welche auf dem Vitruvius-Rahmenwerk für Multi-Sichten-Modellierung basieren. Mit diesem Rahmenwerk werden Änderungen in textuellen und graphischen Editoren automatisch beobachtet, um Reaktionen auszulösen, Abbildungen durchzusetzen und Invarianten zu überprüfen. Dies geschieht indem der von unseren Übersetzern erzeugte Java-Code ausgeführt wird. Außerdem haben wir für alle Sprachen, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, folgende theoretischen und praktischen Eigenschaften evaluiert: Vollständigkeit, Korrektheit, Anwendbarkeit, und Nutzen. So zeigen wir, dass die Sprachen ihre vorgesehenen Einsatzbereiche vollständig abdecken und analysieren ihre Berechnungsvollständigkeit. Außerdem diskutieren wir die Korrektheit jeder einzelnen Sprache sowie die Korrektheit einzelner Sprachmerkmale. Die operatorspezifischen Invertierer, die wir zur Bidirektionalisierung von Abbildungsbedingungen entwickelt haben, erfüllen beispielsweise immer das neu eingeführte Konzept bestmöglich erzogener Round-trips. Dieses basiert auf dem bewährten Konzept wohlerzogener Transformationen und garantiert, dass übliche Round-trip-Gesetze erfüllt werden, wann immer dies möglich ist. Wir veranschaulichen die praktische Anwendbarkeit mit Fallstudien, in denen Konsistenz erfolgreich mit Hilfe von Werkzeugen erhalten wurde, die in den von uns vorgestellten Sprachen geschrieben wurden. Zum Schluss diskutieren wir den potenziellen Nutzen unserer Sprachen und vergleichen beispielsweise Konsistenthaltungswerkzeuge die in zwei Fallstudien realisiert wurden. Die Werkzeuge, die mit der Reaktionssprache entwickelt wurden, benötigen zwischen 33% und 71% weniger Zeilen Quelltext als funktional gleichwertige Werkzeuge, die mit in Java oder dem Java-Dialekt Xtend entwickelt wurden

    Bidirectional data transformation by calculation

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    MAPi Doctoral Programme in Computer ScienceThe advent of bidirectional programming, in recent years, has led to the development of a vast number of approaches from various computer science disciplines. These are often based on domain-specific languages in which a program can be read both as a forward and a backward transformation that satisfy some desirable consistency properties. Despite the high demand and recognized potential of intrinsically bidirectional languages, they have still not matured to the point of mainstream adoption. This dissertation contemplates some usually disregarded features of bidirectional transformation languages that are vital for deployment at a larger scale. The first concerns efficiency. Most of these languages provide a rich set of primitive combinators that can be composed to build more sophisticated transformations. Although convenient, such compositional languages are plagued by inefficiency and their optimization is mandatory for a serious application. The second relates to configurability. As update translation is inherently ambiguous, users shall be allowed to control the choice of a suitable strategy. The third regards genericity. Writing a bidirectional transformation typically implies describing the concrete steps that convert values in a source schema to values a target schema, making it impractical to express very complex transformations, and practical tools shall support concise and generic coding patterns. We first define a point-free language of bidirectional transformations (called lenses), characterized by a powerful set of algebraic laws. Then, we tailor it to consider additional parameters that describe updates, and use them to refine the behavior of intricate lenses between arbitrary data structures. On top, we propose the Multifocal framework for the evolution of XML schemas. A Multifocal program describes a generic schema-level transformation, and has a value-level semantics defined using the point-free lens language. Its optimization employs the novel algebraic lens calculus.O advento da programação bidirecional, nos últimos anos, fez surgir inúmeras abordagens em diversas disciplinas de ciências da computação, geralmente baseadas em linguagens de domínio específico em que um programa representa uma transformação para a frente ou para trás, satisfazendo certas propriedades de consistência desejáveis. Apesar do elevado potencial de linguagens intrinsicamente bidirecionais, estas ainda não amadureceram o suficiente para serem correntemente utilizadas. Esta dissertação contempla algumas características de linguagens bidirecionais usualmente negligenciadas, mas vitais para um desenvolvimento em mais larga escala. A primeira refere-se à eficiência. A maioria destas linguagens fornece um conjunto rico de combinadores primitivos que podem ser utilizados para construir transformações mais sofisticadas que, embora convenientes, são cronicamente ineficientes, exigindo ser otimizadas para uma aplicação séria. A segunda diz respeito à configurabilidade. Sendo a tradução de modificações inerentemente ambígua, os utilizadores devem poder controlar a escolha de uma estratégia adequada. A terceira prende-se com a genericidade. Escrever uma transformação bidirecional implica tipicamente descrever os passos que convertem um modelo noutro diferente, enquanto que ferramentas práticas devem suportar padrões concisos e genéricos de forma a poderem expressar transformações muito complexas. Primeiro, definimos uma linguagem de transformações bidirecionais (intituladas de lentes), livre de variáveis, caracterizada por um poderoso conjunto de leis algébricas. De seguida, adaptamo-la para receber parâmetros que descrevem modificações, e usamo-los para refinar lentes intrincadas entre estruturas de dados arbitrárias. Por cima, propomos a plataforma Multifocal para a evolução de modelos XML. Um programa Multifocal descreve uma transformação genérica de modelos, cuja semântica ao nível dos valores e consequente otimização é definida em função da linguagem de lentes

    Proceedings of the 4th DIKU-IST Joint Workshop on the Foundations of Software

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    Formal Methods for Constraint-Based Testing and Reversible Debugging in Erlang

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    Tesis por compendio[ES] Erlang es un lenguaje de programación funcional con concurrencia mediante paso de mensajes basado en el modelo de actores. Éstas y otras características lo hacen especialmente adecuado para aplicaciones distribuidas en tiempo real acrítico. En los últimos años, la popularidad de Erlang ha aumentado debido a la demanda de servicios concurrentes. No obstante, desarrollar sistemas Erlang libres de errores es un reto considerable. A pesar de que Erlang evita muchos problemas por diseño (por ejemplo, puntos muertos), algunos otros problemas pueden aparecer. En este contexto, las técnicas de testing y depuración basadas en métodos formales pueden ser útiles para detectar, localizar y arreglar errores de programación en Erlang. En esta tesis proponemos varios métodos para testing y depuración en Erlang. En particular, estos métodos están basados en modelos semánticos para concolic testing, pruebas basadas en propiedades, depuración reversible con consistencia causal y repetición reversible con consistencia causal de programas Erlang. Además, probamos formalmente las principales propiedades de nuestras propuestas y diseñamos herramientas de código abierto que implementan estos métodos.[CA] Erlang és un llenguatge de programació funcional amb concurrència mitjançant pas de missatges basat en el model d'actors. Estes i altres característiques el fan especialment adequat per a aplicacions distribuïdes en temps real acrític. En els últims anys, la popularitat d'Erlang ha augmentat degut a la demanda de servicis concurrents. No obstant, desenvolupar sistemes Erlang lliures d'errors és un repte considerable. Encara que Erlang evita molts problemes per disseny (per exemple, punts morts), alguns altres problemes poden aparéixer. En este context, les tècniques de testing y depuració basades en mètodes formals poden ser útils per a detectar, localitzar y arreglar errors de programació en Erlang. En esta tesis proposem diversos mètodes per a testing i depuració en Erlang. En particular, estos mètodes estan basats en models semàntics per a concolic testing, testing basat en propietats, depuració reversible amb consistència causal i repetició reversible amb consistència causal de programes Erlang. A més, provem formalment les principals propietats de les nostres propostes i dissenyem ferramentes de codi obert que implementen estos mètodes.[EN] Erlang is a message-passing concurrent, functional programming language based on the actor model. These and other features make it especially appropriate for distributed, soft real-time applications. In the recent years, Erlang's popularity has increased due to the demand for concurrent services. However, developing error-free systems in Erlang is quite a challenge. Although Erlang avoids many problems by design (e.g., deadlocks), some other problems may appear. Here, testing and debugging techniques based on formal methods may be helpful to detect, locate and fix programming errors in Erlang. In this thesis we propose several methods for testing and debugging in Erlang. In particular, these methods are based on semantics models for concolic testing, property-based testing, causal-consistent reversible debugging and causal-consistent replay debugging of Erlang programs. We formally prove the main properties of our proposals and design open-source tools that implement these methods.Palacios Corella, A. (2020). Formal Methods for Constraint-Based Testing and Reversible Debugging in Erlang [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/139076TESISCompendi

    Symmetric Edit Lenses: A New Foundation for Bidirectional Languages

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    Lenses are bidirectional transformations between pairs of connected structures capable of translating an edit on one structure into an edit on the other. Most of the extensive existing work on lenses has focused on the special case of asymmetric lenses, where one structures is taken as primary and the other is thought of as a projection or view. Some symmetric variants exist, where each structure contains information not present in the other, but these all lack the basic operation of composition. Additionally, existing accounts do not represent edits carefully, making incremental operation difficult or producing unsatisfactory synchronization candidates. We present a new symmetric formulation which works with descriptions of changes to structures, rather than with the structures themselves. We construct a semantic space of edit lenses between “editable structures”—monoids of edits with a partial monoid action for applying edits—with natural laws governing their behavior. We present generalizations of a number of known constructions on asymmetric lenses and settle some longstanding questions about their properties—in particular, we prove the existence of (symmetric monoidal) tensor products and sums and the non-existence of full categorical products and sums in a category of lenses. Universal algebra shows how to build iterator lenses for structured data such as lists and trees, yielding lenses for operations like mapping, filtering, and concatenation from first principles. More generally, we provide mapping combinators based on the theory of containers. Finally, we present a prototype implementation of the core theory and take a first step in addressing the challenge of translating between user gestures and the internal representation of edits

    Programming Languages and Systems

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    This open access book constitutes the proceedings of the 28th European Symposium on Programming, ESOP 2019, which took place in Prague, Czech Republic, in April 2019, held as Part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2019
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