[論文レビュー] Toward Semantic Foundations for Program Editors

Cyrus Omar, Ian Voysey+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2017

Logic, programming, and type systems参考文献 12被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、不完全なプログラムおよびその編集操作をモデル化する最小限で取り扱いやすい計算体系を構築することで、プログラムエディタの形式的意味論的基盤を確立する研究計画を提案する。型安全で意味論に配慮したエディタサービス—統計的アクション提案の意味論と言語-エディタ共同設計—を含むフレームワークを導入し、Hazelのような知能的でインタラクティブなプログラミング環境を実現する。Hazelは、1つの意味論的モデル内でコード編集、ドキュメンテーション、ライブ評価を統合する。

ABSTRACT

Programming language definitions assign formal meaning to complete programs. Programmers, however, spend a substantial amount of time interacting with incomplete programs -- programs with holes, type inconsistencies and binding inconsistencies -- using tools like program editors and live programming environments (which interleave editing and evaluation). Semanticists have done comparatively little to formally characterize (1) the static and dynamic semantics of incomplete programs; (2) the actions available to programmers as they edit and inspect incomplete programs; and (3) the behavior of editor services that suggest likely edit actions to the programmer based on semantic information extracted from the incomplete program being edited, and from programs that the system has encountered in the past. As such, each tool designer has largely been left to develop their own ad hoc heuristics. This paper serves as a vision statement for a research program that seeks to develop these "missing" semantic foundations. Our hope is that these contributions, which will take the form of a series of simple formal calculi equipped with a tractable metatheory, will guide the design of a variety of current and future interactive programming tools, much as various lambda calculi have guided modern language designs. Our own research will apply these principles in the design of Hazel, an experimental live lab notebook programming environment designed for data science tasks. We plan to co-design the Hazel language with the editor so that we can explore concepts such as edit-time semantic conflict resolution mechanisms and mechanisms that allow library providers to install library-specific editor services.

研究の動機と目的

• インタラクティブ編集やライブプログラミング環境で一般的な不完全なプログラムの形式的意味論の欠如に取り組むこと。
• コード補完、リファactoring、ライブ評価を含むエディタ操作の形式的意味論に裏打ちされた取り扱いやすいメタ理論を構築すること。
• 言語-エディタ共同設計を可能にし、ライブラリが型固有の射影と意味論的エディタサービスを通じてエディタ動作を拡張できること。
• プログラム編集、ドキュメンテーション、ライブ評価を1つの意味論的モデルに統合し、コードと構造化ドキュメントの両方をサポートすること。
• 意味的推論と有望な編集の統計的予測を組み合わせた、知能的なプログラマーアシスタントの基盤を構築すること。

提案手法

• 不完全なプログラムおよびその編集状態をモデル化するため、型付きラムダ計算を拡張した最小限の形式的計算体系を設計する。
• 有効な編集操作の確率分布に基づく統計的アクション提案の意味論を構築し、正しさと取り扱いやすさを保証する。
• 型固有の射影（TSP）を統合し、行列やテーブルビューなどの構造的でドメインに配慮した編集インターフェースを可能にする。
• Hazelプログラミング環境とそのエディタを共同設計し、テキスト表示と構造的表示の間で動的に切り替えられるようにする。
• コーパスに基づく学習を用いて、実際のコードおよび編集履歴から統計モデルのパラメータを推定する。
• 形式的型システムを用いて、エディタ相互作用の構文と意味論の両方を制御し、競合解決やドキュメンテーションも含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴、型エラー、束縛の不整合を含む不完全なプログラムの静的および動的意味論を形式的に定義する方法は何か？
• RQ2 コード補完、リファactoring、ライブ評価といった基本的な編集操作を数学的に厳密に捉える形式的計算体系は何か？
• RQ3 編集操作の統計的モデルをどのように構築すれば、それが適切な確率分布であり、意味的に無効な提案を除外できるか？
• RQ4 型システムをどのように拡張すれば、プログラムの正しさだけでなく、エディタサービスや視覚的射影の振る舞いをも制御できるか？
• RQ5 言語とエディタをどのように共同設計すれば、ライブラリ提供者がドメイン固有の編集論理とユーザーインターフェースコンポーネントを統合できるか？

主な発見

• 本稿は、プログラムエディタを意味論的に豊かな数学的対象として扱うための概念的・方法論的基盤を確立し、伝統的なプログラミング言語理論を不完全なプログラムへと拡張する。
• 有効な編集操作の可能性を適切な確率分布としてモデル化する統計的アクション提案の意味論を導入し、正しさを保証するとともにコーパスからの学習を可能にする。
• 型固有の射影（TSP）を可能にし、ライブラリが型安全で意味論的に整合性のあるカスタムの視覚的および編集インターフェース（例：行列エディタ）を定義できる。
• Hazel環境を通じて、言語-エディタ共同設計がコード、ドキュメンテーション、ライブ評価を1つのインタラクティブインターフェースにシームレスに統合できることを実証した。
• 曖昧さ（例：オーバーロードや未限定のインポート）はユーザーの選択によって解決され、その選択は構文木に曖昧さのない形で保存される、インタラクティブで競合を考慮した編集が可能である。
• 本研究は、コード生成を隠さずにプログラマーの認知的負荷を軽減する知的なアシスタントの実現に道を拓く。