Specifying Software Languages: Grammars, Projectional Editors, and Unconventional Approaches

We discuss several approaches for defining software languages, together with Integrated Development Environments for them. Theoretical foundation is grammar-based models: they can be used where proven correctness of specifications is required. From a practical point of view, we discuss how language specification can be made more accessible by focusing on language workbenches and projectional editing, and discuss how it can be formalized. We also give a brief overview of unconventional ideas to language definition, and outline three open problems connected to the approaches we discuss

Semantic Parsing of Java I/O in Novice Programs for an Online Grading System

Beginning programming students have access to sophisticated development tools that enable them to write syntactically correct code in a straightforward manner. However, code that compiles and runs can still execute poorly, or with unintended results. We present a tool, based on an open-source parser-generation product written in Java, that performs semantic analysis of novice Java code. Specifically, the present investigation concerns the semantics of Java output methods, particularly when they are enclosed within iterative structures in the language. The effort will be to guard against threats that such methods pose to system integrity and performance, intercepting them prior to runtime. The approach used here closely models the analysis a human reviewer would perform, given a printed copy of the code. The tool is an open-source product, like the parser generator, and is also written in Java. As such, it is written to be extensible. The tool will be integrated into a larger research project underway at Montclair State University which involves the development of an online grading system for students in beginning computer programming courses

Functional programming, program transformations and compiler construction

Dit proefschrift handelt over het ontwerp van de compilergenerator Elegant. Een compiler generator is een computer programma dat vanuit een speci??catie een compiler kan genereren. Een compiler is een computer programma dat een gestructureerde invoertekst kan vertalen in een uitvoertekst. Een compiler generator is zelf een compiler welke de speci??catie vertaalt in de programmatekst van de gegenereerde compiler. Dit heeft het mogelijk gemaakt om Elegant met zichzelf te genereren. Van een compilergenerator wordt verlangd dat deze een krachtig speci??catie formalisme vertaalt in een eÆci??ent programma, een eis waar Elegant aan voldoet. Een compiler bestaat uit een aantal onderdelen, te weten een scanner, een parser, een attribuutevaluator, een optimalisator en een codegenerator. Deze onderdelen kunnen door het Elegant systeem geneneerd worden, ieder uit een aparte speci??catie, met uitzondering van de parser en attribuutevaluator, welke gezamenlijk worden beschreven in de vorm van een zogenaamde attribuutgrammatica. De scanner wordt gegenereerd met behulp van een scannergenerator en heeft tot taak de invoertekst te splitsen in een rij symbolen. Deze rij symbolen kan vervolgens ontleed worden door een parser. Daarna berekent de attribuutevaluator eigenschappen van de invoertekst in de vorm van zogenaamde attributen. De attributenwaarden vormen een datastructuur. De vorm van deze datastructuur wordt gede??nieerd met behulp van typeringsregels in de Elegant programmeertaal. De optimalisator en codegenerator voeren operaties op deze datastructuur uit welke eveneens beschreven worden in de Elegant programmeertaal. Dit proefschrift beschrijft de invloed die functionele programmeertalen hebben gehad op het ontwerp van Elegant. Functionele talen zijn programmeertalen met als belangrijkste eigenschap dat functies een centrale rol vervullen. Functies kunnen worden samengesteld tot nieuwe functies, ze kunnen worden doorgegeven aan functies en worden opgeleverd als functieresultaat. Daarnaast staan functionele talen niet toe dat de waarde van een variable wordt gewijzigd, het zogenaamde nevene??ect, in tegenstelling tot imperatieve talen die zo'n nevene??ect wel toestaan. Deze laatste beperking maakt het mogelijk om met behulp van algebra??ische regels een functioneel programma te herschrijven in een ander functioneel programma met dezelfde betekenis. Dit herschrijfproces wordt ook wel progammatransformatie genoemd. De invloed van functionele talen op Elegant omvat: ?? Het beschrijven van ontleedalgorithmen als functionele programma's. Traditioneel worden ontleedalgorithmen beschreven met behulp van de theorie van stapelautomaten. In hoofdstuk 3 wordt aangetoond dat deze theorie niet nodig is. Met behulp van programmatransformaties zijn vele uit de literauur bekende ontleedalgorithmen af te leiden en worden ook nieuwe ontleedalgorithmen gevonden. Deze aanpak maakt het bovendien mogelijk om de vele verschillende ontleedalgorithmen met elkaar te combineren. ?? De evaluatie van attributen volgens de regels van een attribuutgrammatica blijkt eveneens goed te kunnen worden beschreven met behulp van functionele talen. Traditioneel bouwt een ontleedalgorithme tijdens het ontleden een zogenaamde ontleedboom op. Deze ontleedboom beschrijft de structuur van de invoertekst. Daarna wordt deze ontleedboom geanalyseerd en worden eigenschappen ervan in de vorm van attributen berekend. In hoofdstuk 4 van het proefschrift wordt aangetoond dat het niet nodig is de ontleedboom te construeren. In plaats daarvan is het mogelijk om tijdens het ontleden functies die attributen kunnen berekenen samen te stellen tot nieuwe functies. Uiteindelijk wordt er zo ??e??en functie geconstrueerd voor een gehele invoertekst. Deze functie wordt vervolgens gebruikt om de attribuutwaarden te berekenen. Voor de uitvoering van deze functie is het noodzakelijk gebruik te maken van zogenaamde "luie evaluatie". Dit is een mechanisme dat attribuutwaarden slechts dan berekent wanneer deze werkelijk noodzakelijk zijn. Dit verklaart de naam Elegant, welke een acroniem is voor "Exploiting Lazy Evaluation for the Grammar Attributes of Non- Terminals". ?? Scanners worden traditioneel gespeci??ceerd met behulp van zogenaamde reguliere expressies. Deze reguliere expressies kunnen worden afgebeeld op een eindige automaat. Met behulp van deze automaat kan de invoertekst worden geanalyseerd en gesplitst in symbolen. In hoofdstuk 5 wordt uiteengezet hoe functionele talen het mogelijk maken om scanneralgorithmen te construeren zonder gebruik te maken van automatentheorie. Door een reguliere expressie af te beelden op een functie en de functies voor de onderdelen van samengestelde reguliere expressies samen te stellen tot nieuwe functies kan een scannerfunctie geconstrueerd worden. Door gebruik te maken van programmatransformaties kan deze scanner deterministisch worden gemaakt en minimaal worden gehouden. ?? Het typeringssysteem van Elegant wordt beschreven in hoodstuk 6 en vormt een combinatie van systemen die in functionele en imperatieve talen worden gevonden. Functionele typeringssystemen omvatten typen welke bestaan uit een aantal varianten. Elk van deze varianten bestaat uit een aantal waarden. Bij een dergelijk typeringssysteem wordt een functie gede??ni??eerd door middel van een aantal deeelfuncties. Elke deelfunctie kan met behulp van zogenaamde patronen beschrijven voor welke van de varianten hij gede??ni??eerd is. Het blijkt dat imperatieve typesystemen welke subtypering mogelijk maken een generalisatie zijn van functionele typesystemen. In deze generalisatie kan een patroon worden opgevat als een subtype en een deelfunctie als een parti??ele functie. Het Elegant typesystemen maakt deze vorm van typering en functiebeschrijving mogelijk. Bij toepassing van een functie wordt de bijbehorende deelfunctie geselecteerd door de patronen te passen met de waarden van de actuele functieargumenten. In dit proefschrift wordt een eÆci??ent algorithme voor dit patroonpassen met behulp van programmatransformaties afgeleid uit de de??nitie van patronen. Het Elegant typeringssystemen bevat ook typen voor de modellering van luie evaluatie. De aanwezigheid van nevene??ekten maakt het mogelijk om drie verschillende luie typen te onderscheiden, welke verschillen in de wijze waarop de waarde van een lui object stabiliseert. ?? In hoofdstuk 7 wordt aangetoond dat de regels uit een attribuutgrammatica ook kunnen worden gebruikt om eigenschappen van een datastructuur te berekenen in plaats van eigenschappen van een invoertekst. Elegant biedt de mogelijkheid om zulke attribuutregels te gebruiken voor dit doel. ?? In hoofdstuk 8 tenslotte worden de Elegant programmeertaal en de eÆci??entie van de Elegant vertaler en door Elegant gegenereerde vertalers ge??evalueerd. Het blijkt dat de imperatieve Elegant programmeertaal dankzij abstractie mechanismen uit functionele talen een zeer rijke en krachtige taal is. Daarnaast zijn zowel Elegant zelf als de door Elegant gegenereerde vertalers van hoge eÆci??entie en blijken geschikt voor het maken van compilers voor professionele toepassingen

One Parser to Rule Them All

Despite the long history of research in parsing, constructing parsers for real programming languages remains a difficult and painful task. In the last decades, different parser generators emerged to allow the construction of parsers from a BNF-like specification. However, still today, many parsers are handwritten, or are only partly generated, and include various hacks to deal with different peculiarities in programming languages. The main problem is that current declarative syntax definition techniques are based on pure context-free grammars, while many constructs found in programming languages require context information. In this paper we propose a parsing framework that embraces context information in its core. Our framework is based on data-dependent grammars, which extend context-free grammars with arbitrary computation, variable binding and constraints. We present an implementation of our framework on top of the Generalized LL (GLL) parsing algorithm, and show how common idioms in syntax of programming languages such as (1) lexical disambiguation filters, (2) operator precedence, (3) indentation-sensitive rules, and (4) conditional preprocessor directives can be mapped to data-dependent grammars. We demonstrate the initial experience with our framework, by parsing more than 20000 Java, C#, Haskell, and OCaml source files

Compiler Design: Theory, Tools, and Examples

Compiler design is a subject which many believe to be fundamental and vital to computer science. It is a subject which has been studied intensively since the early 1950’s and continues to be an important research field today. Compiler design is an important part of the undergraduate curriculum for many reasons: (1) It provides students with a better understanding of and appreciation for programming languages. (2) The techniques used in compilers can be used in other applications with command languages. (3) It provides motivation for the study of theoretic topics. (4) It is a good vehicle for an extended programming project. There are several compiler design textbooks available today, but most have been written for graduate students. Here at Rowan University, our students have had difficulty reading these books. However, I felt it was not the subject matter that was the problem, but the way it was presented. I was sure that if concepts were presented at a slower pace, with sample problems and diagrams to illustrate the concepts, that our students would be able to master the concepts. This is what I have attempted to do in writing this book.https://rdw.rowan.edu/oer/1001/thumbnail.jp