Tese de mestrado, Engenharia Informática (Engenharia de Software), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010Although mainstream object-oriented languages, like Java, are currently able to detect and prevent many programming errors by static type-checking, common usage-related errors are not captured and signaled to programmers. In general, no (formal) support is available in these languages for ensuring that an object is used according to the protocol which the programmer had in mind when describing the behavior of a class. The file reader protocol is a simple but clarifying example: first a file must be opened, then it can be read multiple times (though not beyond the end-of-file), and finally it must be closed. As client code is not checked for protocol conformance, trying to read the file without first opening it, or when it is closed, are simple disregards caught only by runtime exceptions, assuming the language is equipped with built-in support to handle errors and exceptional events. The MOOL programming language presented in this work is an attempt to formalize object usage and access. It consists in a simple class-based object-oriented language that includes standard primitives found in most object-oriented language formalisms. Additionally, the language offers constructs that can be attached at class definitions for specifying (1) the available methods based on an object state, and (2) how methods may be called in that state – by a single client, in which case we say that the object has a linear status, or without restrictions, in which case we say it has a shared one. We refer to this abstract view that defines an object state and status the class usage type. We formalize the language syntax, the operational semantics, and a type system that enforces by static typing that methods are called only when available, and by a single client if so specified in the class usage type. We illustrate the language capabilities by encoding in MOOL the protocols of two well-known examples: the file reader and the auction system. We have built a prototype compiler to implement our ideas, and its architecture is also described. Finally, we anticipate some of the related topics which we are interested in pursuing in future work

Campos, Joana Correia

English

As linguagens de programação centradas em objectos, como o Java, conseguem detectar
antecipadamente em tempo de Compilação, e assim prevenir, muitos dos erros de
tipificação e de inicialização de atributos e variáveis que os programadores inadvertidamente
introduzem nos seus códigos. Contudo, estas linguagens são actualmente incapazes
de capturar e assinalar erros relacionados com a utilização incorrecta de objectos. Em
geral, as linguagens comerciais não dispõem de suporte formal e verificável que garanta
que uma instância de uma classe é usada de acordo com a intenção do programador que escreveu
essa classe. O protocolo que descreve a leitura de um ficheiro serve de motivação:
primeiro o ficheiro deve ser aberto, depois as suas linhas podem ser lidas uma por uma,
e, antes de o programa terminar, o ficheiro deve ser fechado. Não havendo qualquer
verificação do código cliente a este nível, é inevitável que o protocolo seja quebrado, e
que uma tentativa (indevida) de leitura seja efectuada antes de invocada a operação que
abre o ficheiro, ou que uma outra esbarre com um ficheiro fechado. Em linguagens como
o Java, este tipo de erros só é tarde detectado, quando uma excepção é lançada em tempo
de execução.
A linguagem de programação MOOL proposta nesta tese representa uma tentativa de
formalizar a utilização e o acesso a objectos. Trata-se de uma linguagem baseada em
classes, que inclui primitivas disponíveis na maioria dos formalismos de linguagens centradas
em objectos. Adicionalmente, a linguagem dispõe de construções sintácticas que
permitem ao programador especificar como é que um objecto de uma classe deve ser usado.
Através desta especificação, o programador pode (1) definir os métodos disponíveis
em função do estado do objecto, e (2) indicar como o objecto pode ser referenciado
quando se encontra nesse estado – por uma única referência, tratando-se assim de um
objecto linear, ou sem restrições no caso de um objecto que pode ser partilhado por viários
clientes. Neste trabalho, a visão abstracta que os clientes têm do estado dos objectos é
designada de tipo de utilização da classe (ou class usage type). Ao contrário dos tipos
comuns, na linguagem proposta os tipos dos objectos são dinâmico, variando com o
seu estado. Gay et al. [38] designam de interface dinâmica a especificação global de
método disponíveis numa classe com base no estado do objecto, distinguindo-a da interface
estática do Java. Objectos que mudam dinamicamente o conjunto de métodos
disponíveis em função do seu estado são também conhecidos na literatura como objectos
não uniformes. Nierstrasz [30] foi o primeiro a estudar o comportamento de objectos
não uniformes, ou activos, em sistemas concorrentes. A linguagem MOOL oferece ainda
um mecanismo de concorrência que permite a criação de threads, além da primitiva sync
que permite a sincronização de métodos quando, em objectos partilhados, a comunicação
deve ser efectuada em exclusão mútua.
A linguagem formal que é apresentada nesta tese é baseada na linguagem proposta por
Gay et al. [15], que formaliza uma abordagem designada de tipos de sessão modulares. A
teoria dos tipos de sessão foi proposta para a verificação em tempo de Compilação de programas
cuja comunicação se processa por canais tipificados. Os tipos de sessão são propostos
como forma de impor que as implementações dos canais obedecem às sequências
e tipos das mensagens especificados nos protocolos de comunicação. Em geral, os protocolos
podem ser expressos por tipos de sessão, independentemente da linguagem de
programação em que são integrados. Os tipos de sessão têm sido integrados em viários
paradigmas de linguagens de programação: cálculo pi, linguagens funcionais, linguagens
centradas em objectos, CORBA, etc. O trabalho sobre tipos de sessão modulares combina,
numa linguagem centrada em objectos distribuída, os tipos de sessão e a ideia de
disponibilidade dos métodos de uma classe em função do estado do objecto. A modularidade
da abordagem resulta de a implementação do tipo de sessão poder ser decomposta
pelos viários métodos da classe, contrastando com trabalhos anteriores, no contexto de
linguagens centradas em objectos, em que o tipo de sessão é implementado no corpo de
um único método.
O conceito de tipos de utilização desenvolvido nesta tese foi inspirado nos tipos de
sessão modulares, e adaptado a um modelo de comunicação mais simples – a troca de
mensagens através de chamadas de métodos. O estilo de programação proposto pretende
ser simples e intuitivo, não tendo o programador de lidar com distribuição (a concorrência
é efectuada por memória partilhada), mas tirando proveito das propriedades de segurança
associadas aos tipos de sessão.
As contribuições desta tese materializam-se na formalização da sintaxe, da semântica
operacional e do sistema de tipos, que verifica as especificações em tempo de Compilação,
e na implementação de um compilador de MOOL, cuja arquitectura também se descreve.
No contexto dos tipos de sessão, as contribuições desta tese podem resumir-se nos
seguintes pontos:
_ Ao contrário de abordagens anteriores, o modelo de comunicação baseia-se exclusivamente
na chamada de métodos;
_ As classes são anotadas com uma especificação de utilização que estrutura a sequência
de métodos que os clientes podem invocar em função do estado do objecto, a qual é
enriquecida com qualificadores lin/un que permitem controlar se um objecto é linear,
e uma única referência o pode usar, ou se é partilhado, não existindo restrições
quanto ao número de clientes;
vi
_ Ao contrário de abordagens anteriores, os canais partilhados são substituídos pela
primitiva de sincronização convencional que permite que certas operações num objecto
sejam acedidas sem interferência de outras threads.
A tese encontra-se organizada em seis capítulos. Na introdução, o exemplo do leitor
de ficheiros é apresentado como motivação dos principais aspectos da linguagem e, em
particular, da especificação de tipos de utilização. Segue-se um capítulo onde se apresenta
um exemplo mais extenso – o sistema de leilões – que ilustra a introdução de tipos
de utilização em protocolos mais complexos. No capítulo da linguagem formal, é descrita
a sintaxe, a semântica operacional e o sistema de tipos. Alguns exemplos de derivação de
tipos ilustram o funcionamento das regras e as mudanças operadas no tipo dos atributos `a
medida que a derivação avança. A prova formal da linguagem MOOL não é apresentada
nesta tese, ficando adiada para um trabalho futuro. No entanto, sendo este sistema baseado
num sistema de tipos [15] para o qual é apresentada a prova formal por indução, tudo
aponta para que não seja difícil provar os resultados também para a linguagem MOOL.
No capítulo da implementação, são descritas as tecnologias utilizadas e a arquitectura do
compilador. Desenvolvido na linguagem Java, o compilador assenta na framework do
SableCC, que gera automaticamente analisadores léxicos e classes que implementam o
padrão visitante, o que permitiu reduzir o esforço de implementação ao desenvolvimento
da componente semântica, através da extensão destas classes. A arquitectura do compilador
distingue duas fases: a fase de análise, onde, com base na árvore abstracta do programa,
é construíra a tabela de símbolos e efectuada a verificação de tipos com base num
algoritmo de tipificação guiado pelos tipos de utilização, e a fase de síntese, onde o código
de um programa MOOL válido é traduzido para uma linguagem intermédia. O resultado
desta tradução é convertido em bytecode pela plataforma open source Mono, tendo como
alvo a Common Language Runtime (CLR). No capítulo do trabalho relacionado, discute-se
o estado da arte em tipos de sessão, focando o contexto das linguagens centradas em
objectos, em typestates, uma abordagem com a qual as ideias desta tese apresentam pontos
de contacto, e em objectos lineares. Finalmente, na conclusão antecipa-se o trabalho
futuro, nomeadamente a apresentação dos resultados da linguagem MOOL e o estudo de
técnicas que introduzam alguma flexibilidade na utilização de objectos lineares

Linear and shared objects in concurrent programming

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