[論文レビュー] An overview of Ciao and its design philosophy

Manuel V. Hermenegildo, Francisco Bueno+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2011

Logic, programming, and type systems参考文献 66被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、論理プログラミングを複数のパラダイム（高階関数、制約、代入、並列処理など）の機能と統合した、マルチパラダイムプログラミングシステムCiaoを提示する。これにより、言語機能のモジュラーかつオンデマンドでの活性化が可能になる。強力なプレプロセッサ（CiaoPP）と静的解析を活用し、コンパイル時における検証、最適化（自動並列化を含む）、ランタイムチェックを実現し、静的言語と同等のパフォーマンスを達成しながら、スクリプト言語の柔軟性を維持する。

ABSTRACT

We provide an overall description of the Ciao multiparadigm programming system emphasizing some of the novel aspects and motivations behind its design and implementation. An important aspect of Ciao is that, in addition to supporting logic programming (and, in particular, Prolog), it provides the programmer with a large number of useful features from different programming paradigms and styles, and that the use of each of these features (including those of Prolog) can be turned on and off at will for each program module. Thus, a given module may be using, e.g., higher order functions and constraints, while another module may be using assignment, predicates, Prolog meta-programming, and concurrency. Furthermore, the language is designed to be extensible in a simple and modular way. Another important aspect of Ciao is its programming environment, which provides a powerful preprocessor (with an associated assertion language) capable of statically finding non-trivial bugs, verifying that programs comply with specifications, and performing many types of optimizations (including automatic parallelization). Such optimizations produce code that is highly competitive with other dynamic languages or, with the (experimental) optimizing compiler, even that of static languages, all while retaining the flexibility and interactive development of a dynamic language. This compilation architecture supports modularity and separate compilation throughout. The environment also includes a powerful auto-documenter and a unit testing framework, both closely integrated with the assertion system. The paper provides an informal overview of the language and program development environment. It aims at illustrating the design philosophy rather than at being exhaustive, which would be impossible in a single journal paper, pointing instead to previous Ciao literature.

研究の動機と目的

• 1つのシステム内で論理的、関数的、命令的、並列的プログラミングの複数のパラダイムをサポートする、柔軟で拡張可能なプログラミング言語を設計すること。
• プログラミングワークフローに静的解析と検証を統合することで、開発時間と作業負荷を削減すること。
• 静的言語と同等のパフォーマンスを達成しながら、スクリプト言語のインタラクティブで動的開発の利点を保持すること。
• アサーションとプレプロセッサ解析による強力なプログラム正しさ支援を備えた、モジュラーで個別コンパイル可能な仕組みを提供すること。
• 正しさの検証を伴う、手動および自動並列化をサポートし、マルチコアプログラミングの課題に対処すること。

提案手法

• モジュラーかつ拡張可能な言語アーキテクチャを採用し、モジュールごとに言語機能を選択的に有効化できるようにすること。
• 抽象解釈に基づくプレプロセッサ（CiaoPP）を用いて、プログラムの性質（例：モード型、データ構造の形状、コストの上限）の静的解析と推論を実行すること。
• 静的検証とランタイムチェックの両方を可能にする均一なアサーション言語を統合し、相互運用性をスムーズにすること。
• 固定点計算にメモ化、収束加速、依存関係追跡を組み合わせた高度なプログラム解析技術を適用し、プログラムの性質を推論すること。
• プレプロセッサを介して、手動および自動並列化をサポートし、手動およびコンパイラ生成コードの両方の正しさを検証すること。
• アサーションと静的解析を用いて、ユニットテスト、ドキュメント生成、最適化を統合したフレームワークを提供すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のパラダイムを効果的に統合しながら、モジュラリティとパフォーマンスを維持できるプログラミング言語の設計法は何か？
• RQ2 静的解析とプログラム検証を動的言語環境に統合する際、柔軟性を損なわずにどの程度まで実現可能か？
• RQ3 実用的で拡張性のあるシステムにおいて、静的解析を用いて正しさの保証を得た自動並列化を達成できるか？
• RQ4 アサーションを静的および動的両方の文脈で活用することで、プログラムの信頼性と開発効率をどのように向上できるか？
• RQ5 検証、最適化、ドキュメント生成を統合したフレームワークが、ソフトウェア開発の作業負荷をどの程度削減できるか？

主な発見

• Ciaoのプレプロセッサ（CiaoPP）により、統一されたアサーション言語を用いて、非自明なバグの静的検出とプログラム仕様の検証が可能になる。
• システムは自動並列化を含む高度な最適化を実行し、静的言語と同等のコードパフォーマンスを達成する。
• 埋め込み型およびマルチコアシステムでも、非常に効率的なコードにコンパイル可能であり、強力なポータビリティとスケーラビリティを示している。
• 静的検証とランタイムチェックの統合により、完全な静的検証が不可能な場合でも、開発者が正しさの保証を享受できる。
• 静的に検証可能なユニットテストはコンパイル時に削除可能であり、実行オーバーヘッドを低減し、テスト効率を向上させる。
• 抽象解釈に基づく静的解析により、決定性、モード型、データ構造の境界といったプログラムの性質を正確に推論でき、これが最適化と検証の基盤となっている。