[论文解读] Gradual System F

Elizabeth Labrada, Matías Toro+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2018

Logic, programming, and type systems参考文献 47被引用 27

一句话总结

本文提出了渐进式系统F（GSF），它是系统F的渐进变体，能够在支持静态类型和动态类型的同时保持关系参数多态性。通过将抽象渐进类型化方法（Abstracting Gradual Typing）应用于系统F的一个变体，GSF在参数多态性、类型安全性和从静态类型到动态类型的平滑迁移之间实现了独特平衡，尽管为此牺牲了完整的动态渐进保证，转而采用一种更弱但仍有意义的变体。

ABSTRACT

Bringing the benefits of gradual typing to a language with parametric polymorphism like System F, while preserving relational parametricity, has proven extremely challenging: first attempts were formulated a decade ago, and several designs have been recently proposed, with varying syntax, behavior, and properties. Starting from a detailed review of the challenges and tensions that affect the design of gradual parametric languages, this work presents an extensive account of the semantics and metatheory of GSF, a gradual counterpart of System F. In doing so, we also report on the extent to which the Abstracting Gradual Typing methodology can help us derive such a language. Among gradual parametric languages that follow the syntax of System F, GSF achieves a unique combination of properties. We clearly establish the benefits and limitations of the language, and discuss several extensions of GSF towards a practical programming language.

研究动机与目标

• 本文旨在解决长期存在的挑战：在保持关系参数多态性的同时，将渐进类型与参数多态性相结合。
• 它研究了在设计一种保守扩展系统F的渐进参数化语言时所固有的设计权衡。
• 目标包括为GSF开发形式语义和元理论，以支持静态和动态类型安全。
• 它旨在阐明在渐进语言中，参数多态性与动态渐进保证之间的权衡。
• 本文旨在证明，GSF能够忠实嵌入带有封印原语的动态类型程序，从而扩展其实际适用性。

提出的方法

• 作者将抽象渐进类型化（AGT）方法应用于系统F的一个变体，以推导出GSF，确保了系统的构造过程。
• 他们基于源语言的语法定义了GSF的静态语义，保留了系统F的结构并添加了类型注解。
• 通过使用装箱演算（cast calculus）构建了动态语义，其中通过显式装箱引入运行时检查以强制执行类型一致性。
• 该语言在不精确类型上引入显式类型实例化，以支持向系统Fω的扩展，从而增强互操作性。
• 作者形式化了GSF所满足的较弱形式的动态渐进保证，尽管由于参数多态性约束而牺牲了完整版本。
• 他们引入了一种处理多态性的新方法，即使用显式类型实例化，从而实现了更好的类型代码与未类型代码之间的互操作性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在支持静态类型和动态类型的同时，使渐进参数化语言保持关系参数多态性？
• RQ2 在类似系统F的语言中，保持参数多态性与满足动态渐进保证之间存在哪些固有的设计权衡？
• RQ3 GSF在多大程度上能够忠实嵌入带有封印原语的动态类型程序，例如Sumii和Pierce（2004）所提出的？
• RQ4 AGT方法能否被有效应用于推导出一个满足关键安全性和行为属性的系统F渐进变体？
• RQ5 GSF中显式类型实例化的局限性是什么？如何通过语言扩展来缓解这些局限性？

主要发现

• GSF成功保持了关系参数多态性，这是确保多态函数在所有类型上行为一致的关键语义属性。
• 该语言满足一种较弱形式的动态渐进保证，其强度优于其他基于系统F的渐进语言所实现的形式。
• GSF支持对系统F的保守扩展，并能忠实嵌入动态类型程序，包括使用封印原语的程序。
• GSF中对类型实例化的显式处理，使得类型代码与未类型代码之间的互操作性优于先前的方法。
• 作者指出，保持完整参数多态性会带来权衡：无法满足完整的动态渐进保证，但可以实现一种较弱但足够有用的变体。
• 对GSF的扩展，包括对存在类型的支持以及一种新型的类型-未类型互操作技术，展示了其可扩展性和实际潜力。