Dynamically typed languages

Dynamically typed languages such as Python and Ruby have experienced a rapid grown in popularity in recent times. However, there is much confusion as to what makes these languages interesting relative to statically typed languages, and little knowledge of their rich history. In this chapter I explore the general topic of dynamically typed languages, how they differ from statically typed languages, their history, and their defining features

CONFLLVM: A Compiler for Enforcing Data Confidentiality in Low-Level Code

We present an instrumenting compiler for enforcing data confidentiality in low-level applications (e.g. those written in C) in the presence of an active adversary. In our approach, the programmer marks secret data by writing lightweight annotations on top-level definitions in the source code. The compiler then uses a static flow analysis coupled with efficient runtime instrumentation, a custom memory layout, and custom control-flow integrity checks to prevent data leaks even in the presence of low-level attacks. We have implemented our scheme as part of the LLVM compiler. We evaluate it on the SPEC micro-benchmarks for performance, and on larger, real-world applications (including OpenLDAP, which is around 300KLoC) for programmer overhead required to restructure the application when protecting the sensitive data such as passwords. We find that performance overheads introduced by our instrumentation are moderate (average 12% on SPEC), and the programmer effort to port OpenLDAP is only about 160 LoC.Comment: Technical report for CONFLLVM: A Compiler for Enforcing Data Confidentiality in Low-Level Code, appearing at EuroSys 201

Toward a verified relational database management system

We report on our experience implementing a lightweight, fully verified relational database management system (RDBMS). The functional specification of RDBMS behavior, RDBMS implementation, and proof that the implementation meets the specification are all written and verified in Coq. Our contributions include: (1) a complete specification of the relational algebra in Coq; (2) an efficient realization of that model (B+ trees) implemented with the Ynot extension to Coq; and (3) a set of simple query optimizations that are proven to respect both semantics and run-time cost. In addition to describing the design and implementation of these artifacts, we highlight the challenges we encountered formalizing them, including the choice of representation for (finite) relations of typed tuples and the challenges of reasoning about data structures with complex sharing. Our experience shows that though many challenges remain, building fully-verified systems software in Coq is within reach.Engineering and Applied Science

Liveness-Based Garbage Collection for Lazy Languages

We consider the problem of reducing the memory required to run lazy first-order functional programs. Our approach is to analyze programs for liveness of heap-allocated data. The result of the analysis is used to preserve only live data---a subset of reachable data---during garbage collection. The result is an increase in the garbage reclaimed and a reduction in the peak memory requirement of programs. While this technique has already been shown to yield benefits for eager first-order languages, the lack of a statically determinable execution order and the presence of closures pose new challenges for lazy languages. These require changes both in the liveness analysis itself and in the design of the garbage collector. To show the effectiveness of our method, we implemented a copying collector that uses the results of the liveness analysis to preserve live objects, both evaluated (i.e., in WHNF) and closures. Our experiments confirm that for programs running with a liveness-based garbage collector, there is a significant decrease in peak memory requirements. In addition, a sizable reduction in the number of collections ensures that in spite of using a more complex garbage collector, the execution times of programs running with liveness and reachability-based collectors remain comparable

An Extensible Theorem Proving Frontend

Interaktive Theorembeweiser sind Softwarewerkzeuge zum computergestützten Beweisen, d.h. sie können entsprechend kodierte Beweise von logischen Aussagen sowohl verifizieren als auch beim Erstellen dieser unterstützen. In den letzten Jahren wurden weitreichende Formalisierungsprojekte über Mathematik sowie Programmverifikation mit solchen Theorembeweisern bewältigt. Der Theorembeweiser Lean insbesondere wurde nicht nur erfolgreich zum Verifizieren lange bekannter mathematischer Theoreme verwendet, sondern auch zur Unterstützung von aktueller mathematischer Forschung. Das Ziel des Lean-Projekts ist nichts weniger als die Arbeitsweise von Mathematikern grundlegend zu verändern, indem mit dem Computer formalisierte Beweise eine praktible Alternative zu solchen mit Stift und Papier werden sollen. Aufwändige manuelle Gutachten zur Korrektheit von Beweisen wären damit hinfällig und gleichzeitig wäre garantiert, dass alle nötigen Beweisschritte exakt erfasst sind, statt der Interpretation und dem Hintergrundwissen des Lesers überlassen zu sein. Um dieses Ziel zu erreichen, sind jedoch noch weitere Fortschritte hinsichtlich Effizienz und Nutzbarkeit von Theorembeweisern nötig. Als Schritt in Richtung dieses Ziels beschreibt diese Dissertation eine neue, vollständig erweiterbare Theorembeweiser-Benutzerschnittstelle ("frontend") im Rahmen von Lean 4, der nächsten Version von Lean. Aufgabe dieser Benutzerschnittstelle ist die textuelle Beschreibung und Entgegennahme der Beweiseingabe in einer Syntax, die mehrere teils widersprüchliche Ziele optimieren sollte: Kompaktheit, Lesbarkeit für menschliche Benutzer und Eindeutigkeit in der Interpretation durch den Theorembeweiser. Da in der geschriebenen Mathematik eine umfangreiche Menge an verschiedenen Notationen existiert, die von Jahr zu Jahr weiter wächst und sich gleichzeitig zwischen verschiedenen Feldern, Autoren oder sogar einzelnen Arbeiten unterscheiden kann, muss solch eine Schnittstelle es Benutzern erlauben, sie jederzeit mit neuen, ausdrucksfähigen Notationen zu erweitern und ihnen mit flexiblen Regeln Bedeutung zuzuschreiben. Dieser Wunsch nach Flexibilität der Eingabesprache lässt sich weiterhin auch auf der Ebene der einzelnen Beweisschritte ("Taktiken") sowie höheren Ebenen der Beweis- und Programmorganisation wiederfinden. Den Kernteil dieser gewünschten Erweiterbarkeit habe ich mit einem ausdrucksstarken Makrosystem für Lean realisiert, mit dem sich sowohl einfach Syntaxtransformationen ("syntaktischer Zucker") also auch komplexe, typgesteuerte Übersetzung in die Kernsprache des Beweisers ausdrücken lassen. Das Makrosystem basiert auf einem neuartigen Algorithmus für Makrohygiene, basierend auf dem der Lisp-Sprache Racket und von mir an die spezifischen Anforderungen von Theorembeweisern angepasst, dessen Aufgabe es ist zu gewährleisten, dass lexikalische Geltungsbereiche von Bezeichnern selbst für komplexe Makros wie intuitiv erwartet funktionieren. Besonders habe ich beim Entwurf des Makrosystems darauf geachtet, das System einfach zugänglich zu gestalten, indem mehrere Abstraktionsebenen bereitgestellt werden, die sich in ihrer Ausdrucksstärke unterscheiden, aber auf den gleichen fundamentalen Prinzipien wie der erwähnten Makrohygiene beruhen. Als ein Anwendungsbeispiel des Makrosystems beschreibe ich eine Erweiterung der aus Haskell bekannten "do"-Notation um weitere imperative Sprachfeatures. Die erweiterte Syntax ist in Lean 4 eingeflossen und hat grundsätzlich die Art und Weise verändert, wie sowohl Entwickler als auch Benutzer monadischen, aber auch puren Code schreiben. Das Makrosystem stellt das "Herz" des erweiterbaren Frontends dar, ist gleichzeitig aber auch eng mit anderen Softwarekomponenten innerhalb der Benutzerschnittstelle verknüpft oder von ihnen abhängig. Ich stelle das gesamte Frontend und das umgebende Lean-System vor mit Fokus auf Teilen, an denen ich maßgeblich mitgewirkt habe. Schließlich beschreibe ich noch ein effizientes Referenzzählungsschema für funktionale Programmierung, welches eine Neuimplementierung von Lean in Lean selbst und damit das erweiterbare Frontend erst ermöglicht hat. Spezifische Optimierungen darin zur Wiederverwendung von Allokationen vereinen, ähnlich wie die erweiterte do-Notation, die Vorteile von imperativer und pur funktionaler Programmierung in einem neuen Paradigma, das ich "pure imperative Programmierung" nenne

Implementing and reasoning about hash-consed data structures in Coq

We report on four different approaches to implementing hash-consing in Coq programs. The use cases include execution inside Coq, or execution of the extracted OCaml code. We explore the different trade-offs between faithful use of pristine extracted code, and code that is fine-tuned to make use of OCaml programming constructs not available in Coq. We discuss the possible consequences in terms of performances and guarantees. We use the running example of binary decision diagrams and then demonstrate the generality of our solutions by applying them to other examples of hash-consed data structures