[論文レビュー] From Syntactic Theories to Interpreters: A Specification Language and Its Compilation

Yong Xiao, Zena M. Ariola+1 more|ArXiv.org|Sep 29, 2000

Logic, programming, and type systems参考文献 18被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、動的制約、コンテキスト、推論規則といった構成要素をサポートする、プログラミング言語の意味論の構文的理論を記述するためのドメイン特化仕様言語SLを提示する。本研究では、SLの仕様を実行可能Camlインタプリタにコンパイルするプロトタイプシステムを導入し、core-ML や Verilog といった言語の正しい構築済みの評価器の自動生成を可能にする。

ABSTRACT

Recent years have seen an increasing need of high-level specification languages and tools generating code from specifications. In this paper, we introduce a specification language, {\splname}, which is tailored to the writing of syntactic theories of language semantics. More specifically, the language supports specifying primitive notions such as dynamic constraints, contexts, axioms, and inference rules. We also introduce a system which generates interpreters from {\splname} specifications. A prototype system is implemented and has been tested on a number of examples, including a syntactic theory for Verilog.

研究の動機と目的

• プログラミング言語の意味論の構文的理論を手作業で開発する際のエラーの多さに対処すること。
• 型保存性や一意な評価といった意味論的規則の正しさを保証するための形式的で機械検証可能なフレームワークを提供すること。
• 高水準な意味論的仕様からインタプリタを自動生成することで、実装エラーを低減すること。
• 評価コンテキスト、動的制約、条件付き書き換え規則といった重要な意味論的概念を、直接仕様言語内でサポートすること。
• 体系的なコンパイルと型チェックを通じて、完全性やコンフラuent性といった性質の検証を可能にすること。

提案手法

• オブジェクト言語の抽象構文を表すために一階型を用いるメタ言語（SL）を定義し、変数、ラムダ抽象、適用を明示的にサポートする。
• 規則適用時のパターンマッチにおける意味的条件を表現するために、動的制約（例：`t2:V`）とコンテキスト制約（例：`h:H`）を導入する。
• Caml式をガードや条件として用いることで、条件付き書き換え規則（公理と推論規則）を用いて操作的意味論を指定する。
• SLの仕様を非決定的オートマトンにコンパイルし、その後、パターンマッチと制御フローの意味論的解釈を用いて実行可能Camlコードに変換する。
• コンテキストホール、型の一貫性、パターンの網羅性の検証を通じて、型安全性と構造的正しさを保証するメタ型システムを導入する。
• SLをCamlにコンパイルするプロトタイプシステムを実装し、core-ML、型推論、ストアカプセル化、Verilogの意味論のためのインタプリタを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 評価コンテキストや動的制約といった、構文的理論の基本的概念を直接反映できるように、仕様言語をどのように設計できるか？
• RQ2 高水準な意味論的仕様から、正しい構築済みのインタプリタを自動的に生成できるシステムは可能か？
• RQ3 意味論的正しさを保ちながら、構文的理論を実行可能コードにコンパイルする際の主な課題は何か？
• RQ4 意味論的規則におけるパターンマッチを、コンテキストの埋め込みと動的型制約のサポートに拡張するにはどうすればよいか？
• RQ5 このようなシステムは、実際のプログラミング言語の操作的意味論について、モジュラーで拡張可能で検証可能な記述をどの程度サポートできるか？

主な発見

• SLシステムは、構文的理論の仕様からインタプリタを成功裏に生成しており、core-ML、型推論、ストアカプセル化、Verilog のための動作するプロトタイプが存在する。
• メタ型システムにより、コンテキストホールの適切な使用や、公理および推論規則間の型の一貫性といった構造的正しさが保証されている。
• 本システムは、コンテキスト制約（`h:H`）や動的型チェック（`t2:V`）といった高度なパターンマッチ機能をサポートしており、正確な意味論的規則の表現が可能である。
• コンパイルプロセスは、SLの仕様を非決定的オートマトンに、その後効率的なCamlコードに変換するが、意図した意味論を保持している。
• 高階抽象構文（HOAS）を回避することで、帰納的推論や意味論的性質のモジュラー検証に対するより良いサポートが可能である。
• プロトタイプは実現可能性とモジュラリティを示しており、今後の作業では表現力の向上、パフォーマンス最適化、自動証明生成の支援が予定されている。