Effective aspects : A typed monadic model to control and reason about aspect interference

par Ismael Figueroa

Thèse de doctorat en Informatique et applications

Sous la direction de Éric Tanter et de Mario Südholt.

Soutenue le 22-04-2014

à Nantes, Ecole des Mines en cotutelle avec l'Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas , dans le cadre de Sciences et Technologies de l'Information et Mathématiques , en partenariat avec Laboratoire d’Informatique de Nantes Atlantique (UMR 6241) (Nantes) (laboratoire) et de ASCOLA. ASpect and COmposition LAnguages (laboratoire) .

Le président du jury était Erik Ernst.

Le jury était composé de Bruno Oliveira, Nicolas Tabareau.

Les rapporteurs étaient Erik Ernst, Johan Fabry.

  • Titre traduit

    Effective aspects : Un modèle monadique et typé pour contrôler l’interférence entre aspects


  • Résumé

    La programmation orientée aspect (AOP) vise à améliorer la modularité et la réutilisation des couches logiciels en proposant un mécanisme d’abstraction pour faire face aux préoccupations transversales. Cependant, dans la plupart des langages d’aspects généralistes, les aspects ont un pouvoir presque illimité, rentrant éventuellement en conflit avec ces objectifs. Dans ce travail, nous présentons Effective Aspects : une nouvelle approche pour incorporer le modèle pointcut/advice de l’AOP dans un langage de programmation fonctionnel statiquement typé comme Haskell. Notre travail comprend deux contributions principales. Premièrement, nous définissons un plongement monadique du modèle pointcut/advice complet de l’AOP. La correction du typage est garantie par l’exploitation du système de type sous-jacent, en particulier les types fantômes et une nouvelle classe de type pour faire de l’anti-unification de types. Dans ce modèle, les aspects sont de première classe, peuvent être déployés de façon dynamique, et le langage de pointcuts est extensible, combinant donc la flexibilité des langages d’aspect typés dynamiquement avec les garanties d’un système de type statique. Les monades nous permettent de raisonner directement sur les effets du calcul à la fois dans les aspects et les programmes de base en utilisant des techniques monadiques traditionnelle. Avec ce système, nous étendons la notion de “open modules” avec des effets, et aussi avec les interfaces de pointcut protégés à l’extérieur d’un advice. Ces restrictions sont appliquées statiquement par le système de type. Aussi, nous adaptons les techniques de EffectiveAdvice afin de raisonner sur des propriétés du flot de contrôle. En outre, nous montrons comment contrôler l’interférence des effets en utilisant l’approche fondée sur la paramétricité de EffectiveAdvice. Nous montrons que cette approche n’est pas satisfaisante en présence de multiples aspects et proposons une approche différente en utilisant des vues monadiques, une nouvelle technique pour le traitement de la pile monadique, développée par Schrijvers et Oliveira. Ensuite, nous exploitons les propriétés de notre modèle pour permettre la construction modulaire de nouvelles sémantiques pour la portée d’aspects et le tissage. Notre deuxième contribution s’appuie sur un modèle puissant pour raisonner sur la composition de mixins avec effets et leur interférence, fondée sur un raisonnement équationnelle, paramétrique, et les lois algébriques sur les effets monadiques. Notre contribution est de montrer comment raisonner sur l’interférence en présence de quantification sans restriction pour les pointcuts. Nous montrons que le raisonnement global peut être compositionnelle, ce qui est essentiel pour le passage à l’échelle de l’approche face aux évolutions de grands systèmes.


  • Résumé

    Aspect-oriented programming (AOP) aims to enhance modularity and reusability in software systems by offering an abstraction mechanism to deal with crosscutting concerns. But, in most general-purpose aspect languages aspects have almost unrestricted power, eventually conflicting with these goals. This work presents Effective Aspects: a novel approach to embed the pointcut/advice model of AOP in a statically-typed functional programming language like Haskell; along two main contributions. First, we define a monadic embedding of the full pointcut/advicemodel of AOP. Type soundness is guaranteed by exploiting the underlying type system, in particular phantom types and a new anti-unification type class. In this model aspects are first-class, can be deployed dynamically, and the pointcut language is extensible, therefore combining the flexibility of dynamically-typed aspect languages with the guarantees of a static type system. Monads enable us to directly reason about computational effects both in aspects and base programs using traditional monadic techniques. Using this we extend the notion of Open Modules with effects, and also with protected pointcut interfaces to external advising. These restrictions are enforced statically using the type system. Also, we adapt the techniques of EffectiveAdvice to reason about and enforce control flow properties as well as to control effect interference. We show that the parametricity-based approach to effect interference falls short in the presence of multiple aspects and propose a different approach using monad views, a novel technique for handling the monad stack, developed by Schrijvers and Oliveira. Then, we exploit the properties of our model to enable the modular construction of new semantics for aspect scoping and weaving. Our second contribution builds upon a powerful model to reason about mixin-based composition of effectful components and their interference, based on equational reasoning, parametricity, and algebraic laws about monadic effects. Our contribution is to show how to reason about interference in the presence of unrestricted quantification through pointcuts. We show that global reasoning can be compositional, which is key for the scalability of the approach in the face of large and evolving systems. We prove a general equivalence theorem that is based on a few conditions that can be established, reused, and adapted separately as the system evolves. The theorem is defined for an abstract monadic AOP model; we illustrate its use with a simple version of the model just described. This work brings type-based reasoning about effects for the first time in the pointcut/advice model, in a framework that is expressive, extensible and well-suited for development of robust aspect-oriented systems as well as a research tool for new aspect semantics.


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