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

Verification and Application of Program Transformations

A programtranszformáció és a refaktorálás alapvető elemei a szoftverfejlesztési folyamatnak. A refaktorálást a kezdetektől próbálják szoftvereszközökkel támogatni, amelyek megbízhatóan és hatékonyan valósítják meg a szoftverminőséget javító, a működést nem érintő programtranszformációkat. A statikus elemzésre alapuló hibakeresés és a refaktorálási transzformációk az akadémiában és a kutatás-fejlesztésben is nagy érdeklődésre tartanak számot, ám még ennél is fontosabb a szerepük a nagy bonyolultságú szoftvereket készítő vállalatoknál. Egyre pontosabbak és megbízhatóbbak a szoftverfejlesztést támogató eszközök, de bőven van még min javítani. A disszertáció olyan definíciós és verifikációs módszereket tárgyal, amelyekkel megbízhatóbb és szélesebb körben használt programtranszformációs eszközöket tudunk készíteni. A dolgozat a statikus és a dinamikus verifikációt is érinti. Elsőként egy újszerű, tömör leíró nyelvet mutat be L-attribútum grammatikákhoz, amelyet tulajdonságalapú teszteléshez használt véletlenszerű adatgenerátorra képezünk le. Ehhez egy esettanulmány társul, amely az Erlang programozási nyelv grammatikáját, majd a teszteléshez való felhasználását mutatja be. A tesztelés mellett a formális helyességbizonyítás kérdését is vizsgáljuk, ehhez bevezetünk egy refaktorálások leírására szolgáló nyelvet, amelyben végrehajtható és automatikusan bizonyítható specifikációkat tudunk megadni. A nyelv környezetfüggő és feltételes termátíráson, stratégiákon és úgynevezett refaktorálási sémákon alapszik. Végül, de nem utolsó sorban a programtranszformációk egy speciális alkalmazása kerül bemutatásra, amikor egy refaktoráló keretrendszert előfordítóként használunk a feldolgozott programozási nyelv kiterjesztésére. Utóbbi módszerrel könnyen implementálható az Erlang nyelvben a kódmigráció

Datenparallele algorithmische Skelette:Erweiterungen und Anwendungen der Münster Skelettbibliothek Muesli

Die Arbeit thematisiert den datenparallelen Bestandteil der Münster Skelettbibliothek Muesli und beschreibt neben einer Reihe implementierter Erweiterungen auch mit Muesli parallelisierte Anwendungen. Eine der wichtigsten Neuerungen ist die Unterstützung von Mehrkernprozessoren durch die Verwendung von OpenMP, infolgedessen mit Muesli entwickelte Programme auch auf Parallelrechnern mit hybrider Speicherarchitektur skalieren. Eine zusätzliche Erweiterung stellt die Neuentwicklung einer verteilten Datenstruktur für dünnbesetzte Matrizen dar. Letztere implementiert ein flexibles Designkonzept, was die Verwendung benutzerdefinierter Kompressions- sowie Lastverteilungsmechanismen ermöglicht. Darüber hinaus werden mit dem LM OSEM-Algorithmus und den ART 2-Netzen zwei Anwendungen vorgestellt, die mit Muesli parallelisiert wurden. Neben einer Beschreibung der Funktionsweise sowie der Eigenschaften und Konzepte von MPI und OpenMP wird darüber hinaus der aktuelle Forschungsstand skizziert. <br/