Generating incremental attribute evaluators

In onze maatschappij wordt tegenwoordig veel met software, dat wil zeggen com- puterprogramma's, gewerkt. Denk daarbij niet alleen aan tekstverwerkers, maar ook aan software in geldautomaten, videorecorders en het administratiesysteem van de scus. Software moet geschreven worden. Programmeurs schrijven software in zoge- heten hogere programmeertalen, waarvan Pascal, C, Basic, Cobol en Fortran de bekenste zijn. Zulke programmeertalen nemen tijdrovende, saaie en administratieve taken verbonden aan het programmeren, uit handen. Echter, computers \begrijpen" hogere programmeertalen niet, zij moeten ge?n- strueerd worden in een zogeheten machinetaal. Om een hogere programmeertaal naar machinetaal te vertalen zijn er speciale computerprogramma's in omloop, zogeheten compilers. Met andere woorden, compilers vormen een vitale schakel in het productieproces van software. Een compiler zet een zogeheten bronprogramma, geschreven in een specieke hogere programmeertaal, om naar een zogeheten doel programma in een specieke machinetaal. Men spreek dan bijvoorbeeld ook van een \Pascal compiler voor een DOS computer". De kwaliteit van het doelprogramma is niet alleen afhankelijk van de kwaliteit van het bronprogramma, maar ook van de kwaliteit van de gebruikte compiler. Compilers zijn grote, ingewikkelde programma's, die ook geschreven moeten worden. Dit proces wordt ondersteund door compiler-generatoren. Tijdens mijn?192 Samenvatting boter melk 30 10 2,50 1,25 item aantal prijs a b c d 1 23 4 b2 b3 x c2 c3 x b4+c4 b2+c2 boter melk 30 10 2,50 1,25 25,00 52,50 item aantal prijs a b c d 1 23 4 40 77,50 a. Invoer b. Uitvoer Figuur 2. Een rekenblad voor de melkboer vierjarig onderzoek heb ik een compiler-generator gemaakt. Een compiler-generator is een computerprogramma dat, na invoer van een minutieuze beschrijving van een hogere programmeertaal en de gewenste machinetaal, een compiler voor die programmeertaal genereert. De voordelen van een compiler-generator zijn legio. Elke verbetering aan de generator heeft tot gevolg dat elke gegenereerde compiler verbetert. Bovendien worden de produktiekosten en de produktietijd verbonden aan het maken van een compiler, aanzienlijk verminderd. Immers, in plaats van een compiler voor een hogere programmeertaal hoeft alleen nog maar een beschrijving van die hogere programmeertaal geschreven te worden. Een student informatica kan in een paar maanden tijd een compiler genereren, terwijl een groep beroeps programmeurs daar eerder vele maanden tot jaren mee bezig is. Incrementele berekeningen De kracht van de compilers gegenereert door dedoor mij ontwikkelde generator is voornamelijk gelegen in het feit dat ze incrementeel zijn. Dat betekent dat na een kleine verandering in het bronprogramma, de compiler de corresponderende veran- deringen in het doelprogramma aanbrengt|dit in tegenstelling tot het simpelweg vertalen van het gehele (gewijzigde) bronprogramma. Dit laatste zou veel meer tijd zou kosten. Wat een incrementele berekening is wordt elegant ge?llustreerd aan de hand van een compiler-verwante toepassing: een rekenblad of spreadsheet. Een rekenblad bestaat uit cellen in een rechthoekig patroon, zie Figuur 2a. Elke cel wordt aangeduid met een letter-cijfer combinatie. Zo wordt de cel links-boven aangeduid met a1. Een cel kan tekst, getallen of formules bevatten: cel a1 bevat de tekst `item', cel b2 bevat het getal 10 en cel b4 bevat de formule b2 b3. Een rekenblad-evaluator berekent de waarde van de cellen waar formules in staan. Dus, na invoer van het rekenblad in Figuur 2a wordt de uitvoer van Figuur 2b geproduceerd. Stel dat we een verandering aanbrengen in het rekenblad; we voeren een zogeheten edit-operatie uit. We verlagen het getal in cel b2 van 10 naar 9, zie?Informele inleiding 193 boter melk 30 2,50 1,25 item aantal prijs a b c d 1 23 4 b2 b3 x c2 c3 x b4+c4 b2+c2 9 boter melk 30 2,50 1,25 52,50 item aantal prijs a b c d 1 23 4 9 22,50 75,00 39 a. Wijziging in de invoer b. Zuinige herberekening Figuur 3. Wijziging aan een rekenblad Figuur 3a. De rekenblad-evaluator zou alle cellen met formules opnieuw kunnen uitrekenen. Een incrementele evaluator berekent alleen de grijze cellen in Figuur 3b. In dit geval spaart dat de berekening van cel c4 uit. Het is overigens niet eenvoudig om in te zien welke cellen herberekend moeten worden. Om dat te bepalen stelt de rekenblad-evaluator een zogeheten graaf op die de cel-afhankelijkheden weergeeft. Een knoop in de graaf representeert een cel. Er loopt een pijl van knoop b2 naar knoopb4 omdat de formule van cel b4 refereert aan cel b2. Zo'n pijl impliceert dat cel b4 na celb2 uitgerekend moet worden. Bij een incrementele evaluatie moet elke cel wiens knoop in de graaf een opvolger is van b2, herberekend worden, tenzij veranderingen eerder uitdoven. Als voorbeeld van dat laatste, beschouwen we de volgende verandering: de prijs van boter gaat naar 0,25 en de hoeveelheid boter naar 100. In dat geval blijft de waarde van cel b4 25,00 zodat d4 niet herberekend hoeft te worden. Grafen spelen b3 b2 c2 c3 c4 d2 b4 d4 bij incrementele berekeningen een belangrijke rol. Ze komen dan ook veelvuldig in dit proefschrift voor. Compilers worden ook vaak toegepast op slechts weinig veranderde invoer. Hoe vaak wordt een computerprogramma niet gecompileerd om er vervolgens achter te komen dat er een kleine fout in staat? Het is daarom jammer dat er nog zo weinig i:=1 had natuurlijk i:=0 moeten zijn. incrementele compilers zijn. Taal-specieke editors Een editor is een computerprogramma waarmee gegevens in een computer in- gevoerd kunnen worden. Bovendien kunnen met een editor bestaande gegevens gewijzigd worden. Meestal verstaat men onder een editor een algemeen programma waarmee gegevens voor uiteenlopende applicaties (toepassings programma's zoals compilers, rekenbladen, tekstverwerkers) ingevoerd kunnen worden. Een applicatie-specieke editor is een invoer-en-wijzig programma dat \kennis" heeft van een applicatie. Alle huis-tuin-en-keuken applicaties zoals tekstverwerkers L a T E X is geen huis-tuin- en-keuken applicatie. en rekenbladen zijn uitgerust met applicatie-specieke editors. Het grootste voor- deel van zulke editors is dat ze de gebruiker kunnen sturen: er kan geen al te grote onzin in worden gevoerd.?194 Samenvatting Compilers zouden ook uitgerust kunnen worden met een brontaal-specieke editor. Dat is met name interessant als er een incrementele compiler beschikbaar is die tijdens het intypen van het bronprogramma voortdurend het bijbehorende doelprogramma berekend. Zulke systemen zouden de arbeidsproduktiviteit van programmeurs enorm verhogen. Immers, fouten in het bronprogramma worden direct als zodanig herkend door het system, en meegedeeld aan de gebruiker. Het grootste voordeel is echter dat de editor \ondervraagd" kan worden over bepaalde kenmerken van het bronprogramma. Voor ingewijden: als de editor constateert dat i:=1 incorrect is omdat i niet gedeclareerd is kan het een menu aanbieden met alle integer variabelen in de huidige scoop en een optie om de declaratie i:integer toe te voegen aan de declaraties. Kort overzicht Dit proefschrift beschrijft de generatie van incrementele compilers, met name als onderdeel van een taal-specieke \language based" editor. Omdat we uitgaan van een taal-specieke editor, kunnen we het ontleed- traject (lexical scanning en parsing ) overslaan: de editor onderhoudt een boom- representatie van het ingevoerde programma. Dat betekent dat compileren niets De titel: Generating incremental attribute evaluators. anders is dan het attribueren van de boom; de compiler is een (incrementele) attribute evaluator. Het formalisme waarmee we bomen en attributen beschrijven is het attribuut grammatica formalisme. We geven twee methodes om incrementele attribuut evaluatoren te construeren. De eerste methode is een bestaande: visit-sequences sturen boom decoratie. De tweede methode is nieuw: visit-sequences worden afgebeeld op visit-functies die gecached worden om incrementeel gedrag te verkrijgen. Een complicatie bij deze aanpak vormen zogeheten intra-visit-dependencies. Om dat probleem op te lossen worden bindingen ge?ntroduceerd. Visit-functies zijn functies zonder zij-eecten. Dit opent de mogelijkheid tot allerhanden optimalizaties. Aan de orde komen splitting, elimination, unication, folding, normalization en untyping. We bespreken hoe visit-sequences berekend worden aan de hand van een gram- matica. We wijzigen Kastens' ordered scheduling op twee vlakken. Om te beginnen voeren we dat grafen in (in stap 4) waardoor een grotere klasse van gramatica's geaccepteerd wordt. Ten tweede voeren we een nieuw orderings algorithme in (chained scheduling ) dat visit-sequences berekent die beter geschikt zijn voor omzetting naar visit-functies. Een groot deel van het onderzoek heeft zich toegespitst op de haalbaarheid van een functionele aanpak: we hebben een generator geschreven. De gegenereerde evaluatoren zijn eenvoudig, elegant en robuust. Bovenal zijn ze snel. De generator is onder andere gebruikt om een deel van zichzelf te genereren