Transcript Array-Structured Types in Zonnon

Язык программирования
Zonnon
Нина Гонова
ННГУ ВМК МЛиВА
Zonnon
Немного истории: почему еще один язык?
Verification vs. Model improvements
• Mistakes happen in the limits of a system
• Improving the model is essential to make
verification feasible
• The only way to improve the programming model
is by developing expressive structured languages
It is an alternative way to
• Writing code in a lousy model and then overspecifying it in order to apply highly complicated
verification techniques
C# is a Good Language, but ...
• What can be improved?
– Concurrency
– Composability
– Extensibility
– Syntax
Обзор семейства языков Pascal
Programming
in-the-Small
Algorithms
Data Structures
Programming
in-the-Large
Modules
OOP
Agents
???
5
Zonnon Project Purposes
• Provide a Pascal Family Language for .NET
– Suitable for Teaching Algorithms & Data Structures
without Object Oriented Corset (+ ‘programming
in the large’)
• Modern object model that supports
concurrency
• Support multi-processor and distributed
systems
• Support inter-operation with other languages
and their libraries
Zonnon
Особенности Zonnon: что интересного?
Zonnon concepts:
• Compositional OO programming model
• Modular programming model
• Concurrency
• Communication model based on dialogs
• Math extensions
• Interoperability
Zonnon concepts:
• Compositional OO programming model
• Modular programming model
• Concurrency
• Communication model based on dialogs
• Math extensions
• Interoperability
No inheritance
• Inheritance = Subtyping + Code Reuse
– Subtyping implemented with interfaces
– Code reuse available through aggregation
• Inheritance is of no use
Building Blocks & Relations
• C# Status Quo
– Interfaces
– Classes
run
compile
• Zonnon
– Definitions
– Implementations
– Object Types
– Modules
extends
:n
implements
:n
inherits
:1
refines
:1
implements
:1
aggregates
:n
imports
:n
Compositional Model
Definition
Default Implementation
Custom Implementation
Client
”Facet”
Client
Client
Servant Object as
Composition of Facets
via Aggregation
Abstractions: What is it Primarily?
JukeBox: Player or Store?
class JukeBox: Player, Store
{ ...
}
Truck: Container or Vehicle?
class Truck: Vehicle, Container
{ ...
}
Computer: Calculator or DataBase or Browser?
class Computer: Calculator, DataBase, Browser {
...
}
Base class
Interface
Composition Example
definition Player;
implementation Store;
var cur: Song;
var rep: Lib.Song;
procedure Play (s: Song);
procedure Clear;
procedure Stop;
begin loop := nil
end Player.
end Clear;
procedure Add (s: Song);
definition Store;
begin
s.next := rep;
procedure Clear;
rep := s
procedure Add (s: Song);
end Add;
end Store.
begin Clear
end Store.
object JukeBox implements Player, Store;
import Store; (* aggregate *)
procedure Play (s: Song); implements Player.Play;
procedure Stop; implements Player.Stop;
end JukeBox.
Zonnon concepts:
• Compositional OO programming model
• Modular programming model
• Concurrency
• Communication model based on dialogs
• Math extensions
• Interoperability
Modules as Structural Units
• What is a Module?
– A Container for Logically Related Object Types
– A Static Object Managed by the System
• Loaded on Demand by the Runtime
• Why are Modules Important?
– Modules Provide a Simple Tool for
• Encapsulating Separate Concerns
• Static Decomposition of a System
– Modules Narrow Down and Make Explicit Mutual
Dependences via the IMPORT Relation
– Modules Uniform System and Application Levels
Zonnon concepts:
• Compositional OO programming model
• Modular programming model
• Concurrency
• Communication model based on dialogs
• Math extensions
• Interoperability
Active
Object
Methods
Behavior
Initializer
Activities
OBJECT {PROTECTED} X;
VAR c, d: BOOLEAN;
PROCEDURE p (u: U);
BEGIN …
END p;
ACTIVITY;
VAR …
BEGIN …
AWAIT cond;
END
BEGIN
t := t0; c := TRUE
END X.
Mutual
exclusion
by Reader Writer Lock
Separate
Thread
Precondition
of
Continuation
Hierarchic Activities
a[i] = 10, 3, 2 , 5 , 4 , 7 , 8 , 1 , 11 , 6 , 9 , 12
activity Sort (L, R: integer);
i = 1, 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12
var i, j, t, x: integer;
begin { barrier }
Sort( 0, 11 ) 10,3, 2 ,5, 4, 7, 8, 1,11, 6, 9,12
i := L; j := R;
Sort( 0, 5 ) 10, 3, 2, 5, 4, 7
x := a[(L + R) div 2];
Sort( 0, 1 ) 10, 3
repeat
Sort( 2, 5 ) 2, 5, 4, 7
while a[i] < x do i := i + 1 end;
while x < a[j] do j := j - 1 end;
Sort( 2, 3 ) 2, 5
if i <= j then
Sort( 4, 5 ) 4, 7
t := a[i]; a[i] := a[j]; a[j] := t;
Sort( 6, 11 ) 8, 1, 11, 6, 9,12
i := i + 1; j := j - 1
Sort( 6, 8 ) 8, 1, 11
end
until i > j;
Sort( 6, 7 ) 8, 1
if L < j then new Sort(L, j) end;
Sort( 9, 11 ) 6, 9,12
if i < R then new Sort(i, R) end
Sort( 10, 11 ) 9,12
end Sort;
acts as
…
new Sort (1, N)
a barrier
Zonnon concepts:
• Compositional OO programming model
• Modular programming model
• Concurrency
• Communication model based on dialogs
• Math extensions
• Interoperability
Protocols

Protocol
Type Q



Activity
Protocol
Type P
Dialogues & Protocols
Communication protocol defined as formal language in EBNF
protocol InP = ( COMING, READY_TO_ACCEPT, TOO_LATE, OK,
dialog = { COMING ? READY_TO_ACCEPT ( Truck | TOO_LATE ) } );
Road object
Activity
Routine
dialog
Truck is at the end
of the road
COMING
READY_TO ACCEPT
If the truck is still
there send it
Loader object
T: Truck
When loading of the previous
truck is finished send ready
View on Application in Zonnon
1
2
3
4
Active link
Activity
6
5
8
Module structure the application and introduce clear borders
7
Zonnon concepts:
• Compositional OO programming model
• Modular programming model
• Concurrency
• Communication model based on dialogs
• Math extensions
• Interoperability
Математические расширения
• Цель – совместить
– удобство программирования с использованием
MATLAB
– концепции объектно-ориентированного
программирования
– быстроту компилятора
Математические расширения
• Операции и функции над многомерными
матрицами
• Многомерные матрицы: специально введенный тип
математических массивов
array {math} *,* of real
• Интервальная и векторная индексация
• Источники вдохновения:
– MATLAB
–R
– Fortran
Zonnon concepts:
• Compositional OO programming model
• Modular programming model
• Concurrency
• Communication model based on dialogs
• Math extensions
• Interoperability
Language Interoperability
• Example on using .NET FCL from Zonnon for output to a file:
CLR
module WriteTextFile;
import System, System.IO;
Visual
type
Basic
C#
SW = System.IO.StreamWriter;
CLS
var
sw : SW;
fn : System.String;
begin
Zonnon
fn := "myfile.txt";
sw := new System.IO.StreamWriter( fn, false );
sw.Write( "Text to be written to file“ );
sw.Close( );
end WriteTextFile.
Benefits of the approach
• Compiler has knowledge about the whole
application which opens new opportunities for
model validation
• Compiler is fully in charge of using middleware
- new opportunities for optimization through
moving data close to execution and compile
time balancing of computation
Zonnon
Компилятор Zonnon: что внутри?
Компиляторы для .NET:
возможные подходы
•
•
•
•
Непосредственная («ручная») компиляция
в MSIL/Metadata (нет примеров) или в язык
ассемблера MSIL («toy compilers»).
Использование «родного» для .NET языка
(напр. C#) в качестве промежуточного (Eiffel)
Генерация MSIL-кода средствами низкого уровня из
пространств имен System.Reflection и
System.Reflection.Emit (Component Pascal, авт. John
Gough; Oberon.NET)
Высокоуровневая поддержка - CCI:
построение дерева программы
с (полу)автоматической генерацией IL+MD
(ASML, Zonnon for .NET).
Модель компиляции Zonnon
IL/MD
Writer
Source
IR
(AST)
Scanner
&
Parser
Output
Assembly
MSIL+MD
IL/MD
Visitors
Reader
Imported
Assemblies
Zonnon-часть:
Cпецифична для языка
CCI-часть:
Общая для всех языков
Модель компиляции Zonnon
Scanner
&
Parser
Visitors
IR
(AST)
Проекции
Zonnon
AST
Реализуется семантическая специфика Zonnon
CCI’s
AST
Проекции (mappings): отображение
специфических свойств Zonnon на
семантически эквивалентные структуры
.NET
Проекции Zonnon->.NET:
Definitions & Implementations
Zonnon
definition D;
type e = (a, b);
var x: T;
procedure f (t:T);
procedure g ():T;
end D;
implementation D;
var y: T;
procedure f (t: T);
begin x := t; y := t
end f;
end D;
C#
public interface D {
T x { get; set; }
void f(T t); T g (); };
public sealed class D_d {
private T x_d;
public enum e = (a, b);
public T x {
get { return x_d }; };
public sealed class D_i:
D_d {
T y;
void f(T t)
{ x_d = t; y = t; } };
Инфраструктура компилятора
• Компилятор Zonnon для платформы .NET реализован с
использованием библиотеки Common Compiler
Infrastructure (CCI). Эта библиотека, концептуально,
обеспечивает поддержку для разработки компиляторов
для .NET на трех уровнях:
– Инфраструктура высокого уровня (в частности структуры для
построения деревьев программ и методы для
осуществления семантической проверки деревьев)
– Поддержка низкого уровня (генерация IL кода и
метаданных)
– Сервис интеграции с Microsoft Visual Studio
Общие принципы использования
CCI
•
•
•
Все сервисы CCI представлены в виде классов. Чтобы
воспользоваться этими сервисами, необходимо
определить собственные классы, производные от
классов CCI.
В производных классах необходимо обеспечить
реализацию некоторых абстрактных методов классовпрототипов (они образуют «унифицированный
интерфейс» с окружением).
Производные классы содержат функциональность,
реализующую собственную семантику компилятора.
Architecture of CCI Compiler
Token
Token
Token
Document
Source code
Attributes
Source context
Token context
Lexical
analysis
Program tree
Syntax &
semantic
analysis
Object code
(Assembly)
Code
generation
Visual Studio
Editor
Project manager
“Intellisense”
Debugger
41
Zonnon
Демонстрация: на чем еще
можно писать приложения в
Visual Studio
Tools for Zonnon
• ETH Zonnon, www.zonnon.ethz.ch
–
–
–
–
Zonnon Command Line Compiler
Zonnon for MSVisual Studio 2008
Zonnon plugin for Eclipse
Zonnon builder
• 2 Zonnon based educational courses
http://www.microsoft.com/Rus/Msdnaa/Curricula/Default.mspx
• Examples online
– Zonnon webpage (>100 examples, 2 demo projects),
– www.AlgLib.net (>250 math. examples)
Демонстрация
Спасибо за внимание!
Вопросы?