[论文解读] Design and Implementation of a Reversible Object-Oriented Programming Language

Tue Haulund|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 4被引用 7

一句话总结

本文提出了ROOPL，这是首个支持用户自定义类、继承和子类型多态性的可逆面向对象编程语言，具备形式化语义和类型系统。该语言支持局部可逆语句，并能无垃圾地编译为可逆汇编语言PISA，通过实现一个可逆图灵机模拟器证明了其计算普遍性。

ABSTRACT

High-level reversible programming languages are few and far between and in general offer only rudimentary abstractions from the details of the underlying machine. Modern programming languages offer a wide array of language constructs and paradigms to facilitate the design of abstract interfaces, but we currently have a very limited understanding of the applicability of such features for reversible programming languages. We introduce the first reversible object-oriented programming language, ROOPL, with support for user-defined data types, class inheritance and subtype-polymorphism. The language extends the design of existing reversible imperative languages and it allows for effective implementation on reversible machines. We provide a formalization of the language semantics, the type system and we demonstrate the computational universality of the language by implementing a reversible Turing machine simulator. ROOPL statements are locally invertible at no extra cost to program size or computational complexity and the language provides direct access to the inverse semantics of each class method. We describe the techniques required for a garbage-free translation from ROOPL to the reversible assembly language PISA and provide a full implementation of said techniques. Our results indicate that core language features for object-oriented programming carries over to the field of reversible computing in some capacity.

研究动机与目标

• 设计并形式化一种支持类、继承和多态性等核心OOP特性的可逆面向对象编程语言。
• 确保所有语句均可局部可逆，且不增加程序大小或计算复杂度。
• 实现从ROOPL到低级可逆汇编语言PISA的无垃圾编译。
• 通过实现一个可逆图灵机模拟器，证明该语言的计算普遍性。
• 将高级OOP抽象的应用范围扩展至可逆计算领域。

提出的方法

• 基于类似Janus和R的可逆命令式语言，设计ROOPL的形式语法和语义。
• 定义表达式、语句、方法、类和程序的类型系统及类型规则，以确保类型安全。
• 引入基于存储的语义模型，其中每个语句通过类映射和对象位置可逆地转换存储状态。
• 实现参数别名和参数传递机制，保持可逆性并支持面向对象封装。
• 开发从ROOPL到PISA的无垃圾编译管道，利用逆语义和可逆数据结构管理。
• 形式化每种类方法的逆操作，并通过设计确保所有语言构造均为局部可逆。

实验结果

研究问题

• RQ1 类继承和子类型多态性等核心面向对象编程特性能否有意义地适配于可逆计算？
• RQ2 是否可能设计一种可逆高级语言，支持用户自定义数据类型，并在不带来性能或大小开销的前提下保持局部可逆性？
• RQ3 如何实现从可逆面向对象语言到低级可逆汇编语言的无垃圾编译？
• RQ4 可逆面向对象语言能否实现计算普遍性，如通过模拟可逆图灵机加以证明？
• RQ5 为确保此类语言在可逆执行中正确性和可逆性，需要何种形式化语义和类型系统？

主要发现

• ROOPL成功在可逆计算模型中支持用户自定义类、继承和子类型多态性。
• 所有ROOPL语句均可局部可逆，且不增加程序大小或计算复杂度，确保高效可逆性。
• 该语言直接提供每种方法的逆语义，支持对面向对象操作的精确回溯。
• 已实现并验证了从ROOPL到PISA可逆汇编语言的完整无垃圾翻译。
• ROOPL语义和类型系统的正式化确保了在可逆执行中类型安全和正确性。
• 可逆图灵机模拟器的实现证实了ROOPL的计算普遍性。