[論文レビュー] Extending Object-Oriented Languages by Declarative Specifications of Complex Objects using Answer-Set Programming

Johannes Oetsch, Jörg Pührer+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2011

Logic, Reasoning, and Knowledge参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、JavaにAnswer-Set Programming (ASP)を統合することで、制約を豊富に含む複雑なオブジェクトを宣言的に指定し、ASPソルバを用いて自動的に有効なオブジェクト構造を生成する手法を提案する。ASP論理をJavaメソッド内に埋め込むことで、ネットワークグラフなどのオブジェクトを制約駆動で簡潔にインスタンス化でき、最適化、サンプリング、検証のサポートも可能である。23行のコードで複雑なネットワークトポロジー問題を解決した実例が提示されている。

ABSTRACT

Many applications require complexly structured data objects. Developing new or adapting existing algorithmic solutions for creating such objects can be a non-trivial and costly task if the considered objects are subject to different application-specific constraints. Often, however, it is comparatively easy to declaratively describe the required objects. In this paper, we propose to use answer-set programming (ASP)---a well-established declarative programming paradigm from the area of artificial intelligence---for instantiating objects in standard object-oriented programming languages. In particular, we extend Java with declarative specifications from which the required objects can be automatically generated using available ASP solver technology.

研究の動機と目的

• 手続き型プログラミングにおいて、アルゴリズム的解決が高コストで非自明に実装される複雑で制約を内蔵したデータ構造の開発課題に対処すること。
• プログラマーが低レベルのアルゴリズム実装を避けるために、ASPを用いて望ましい複雑なオブジェクトを宣言的に指定できること。
• JavaのワークフローにASPソルバの解決をスムーズに統合し、ボイラープレートや外部コールを最小限に抑えること。
• 最適化と解のサンプリングをサポートする動的かつパラメータ化された実行時オブジェクト生成を可能とすること。
• ソフトウェア開発における複雑なデータ構造の迅速プロトタイピングとテストを可能とする実用的で拡張可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• コンストラクターやメソッド呼び出しを論理的述語として扱うように、JavaをASPに類似した構文で拡張し、オブジェクト仕様を表現する。
• 実行時において、Javaのパラメータ（例：コンポonent配列）をASPソルバの入力事実に変換する。
• CLASPなどのASPソルバを用いて、すべての制約を満たす有効なオブジェクト構成を表すアンサーセットを計算する。
• ソルバ出力の自動解釈を用いて、得られたアンサーセットを具体的なJavaオブジェクトにマッピングする。
• 最適化をサポートするASPの#minimizeステートメントを用いて、好ましい解（例：最小エッジ数）を選択する。
• パラメータ、解の数、戻り値として構造化されたオブジェクトインスタンスを受け取るJavaメソッド呼び出しを通じて、実行時インタラクションを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主流のオブジェクト指向言語であるJavaに、宣言的ASP記述を効果的に統合し、複雑で制約を含むデータ構造を生成できるか？
• RQ2 JavaへのASPソルバ統合をどのように効率的かつスムーズに実現できるか。外部コールやボイラープレートを最小限に抑えるには？
• RQ3 制約満たし、最適化、解のサンプリングといったASPの能力が、複雑なデータ構造の開発をどの程度改善できるか？
• RQ4 表現力と保守性の観点から、本手法は従来の手続き的または制約ベースのテストフレームワーク（例：KORAT や ALLOY）と比べてどのように差をつけるか？
• RQ5 メソッド呼び出しがオブジェクトの状態に依存する場合、現在の統合にどのような制限があり、それらをどのように緩和できるか？

主な発見

• 23行のJavaとASPの組み合わせコードで、複数の制約（例：同型接続の禁止、連結性、エッジ数制限）を満たす複雑なネットワークグラフを効果的に生成できた。
• ASPソルバは#minimizeステートメントを用いて最適解（例：最小エッジ数）を発見でき、優先順位に基づく選択のサポートが確認された。
• フレームワークは実行時パラメータ化をサポートしており、再コンパイルなしに異なるコンポーネント配列やエッジ制限を用いることが可能である。
• プロトタイプ実装は、ASPアンサーセットを実際にJavaオブジェクトに正しく変換できており、内部表現にはオブジェクト識別子が使用された。
• 赤黒木のような複雑なデータ構造について、必要な不変条件を宣言的に指定することで、迅速なプロトタイピングとテストが可能になった。
• 本手法は、境界付きの全探索生成にとどまらない動的パラメータと最適化をサポートする点で、従来のテストフレームワーク（KORAT や ALLOY）よりも表現力に優れていることが示された。