[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出 SL，一种用于编写编程语言语义的语法理论的领域特定规范语言，支持动态约束、上下文和推理规则等构造。它引入了一个原型系统，将 SL 规范编译为可执行的 Caml 解释器，从而实现对 core-ML 和 Verilog 等语言的正确性构造的评估器自动生成。

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.

研究动机与目标

• 解决手动开发编程语言语义的语法学说时易出错的问题。
• 提供一个正式的、机器可检查的框架，以确保语义规则的正确性，例如类型保持性和唯一求值。
• 通过从高层语义规范自动生成解释器，自动化实现以减少实现错误。
• 在规范语言中直接支持关键的语义概念，如求值上下文、动态约束和条件重写规则。
• 通过系统化编译和类型检查，支持对完备性和并归性等性质的验证。

提出的方法

• 使用一阶类型定义一种元语言（SL），以表示目标语言的抽象语法，显式支持变量、lambda 抽象和应用。
• 引入动态约束（例如 `t2:V`）和上下文约束（例如 `h:H`），以在规则应用期间的模式匹配中表达语义条件。
• 使用条件重写规则（公理和推理规则）来指定操作语义，其中守卫和条件使用 Caml 表达式表示。
• 将 SL 规范编译为非确定性自动机，再通过抽象语法匹配和控制流的语义，将其编译为可执行的 Caml 代码。
• 通过元类型系统强制执行类型安全和结构正确性，以验证上下文孔洞、类型一致性以及模式的完备性。
• 实现一个原型系统，将 SL 编译为 Caml，为 core-ML、类型推断、存储封装和 Verilog 语义生成解释器。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种规范语言，使其能直接反映语法理论的基本概念，如求值上下文和动态约束？
• RQ2 系统能否从高层语义规范自动生成正确性构造的解释器？
• RQ3 在编译语法理论为可执行代码时，保持语义正确性的关键挑战是什么？
• RQ4 如何扩展语义规则中的模式匹配，以支持上下文填充和动态类型约束？
• RQ5 此类系统在多大程度上能够支持对真实编程语言的操作语义的模块化、可扩展且可验证的规范？

主要发现

• SL 系统成功从语法理论规范生成解释器，已为 core-ML、类型推断、存储封装和 Verilog 实现了工作原型。
• 元类型系统确保了结构正确性，包括上下文孔洞的正确使用以及公理和推理规则之间的一致类型。
• 该系统支持高级模式匹配特性，如上下文约束（`h:H`）和动态类型检查（`t2:V`），从而能够精确表达语义规则。
• 编译过程将 SL 规范转换为非确定性自动机，再转换为高效的 Caml 代码，同时保留了预期的语义。
• 该方法避免使用高阶抽象语法（HOAS），从而更好地支持归纳推理和语义属性的模块化验证。
• 原型展示了可行性与模块化，后续工作将聚焦于增强表达能力、性能优化以及自动化证明生成。