În literatura de specialitate, embedded domain-specific languages (EDSL) sunt considerate unele dintre principalele aplicații ale programării funcționale. Sintagma merită explicată pe componente. Un domain-specific language (DSL) este un limbaj de programare restrâns, dedicat unui domeniu particular; exemple bine-cunoscute sunt HTML (pentru descrierea paginilor web) și SQL (pentru interogarea bazelor de date). Acestea se opun așa-ziselor general-purpose languages, care pot fi utilizate într-o gamă largă de domenii, fiind cazul limbajelor C, Java, Python, și al limbajelor studiate la PP. Deși restrânse, DSL-urile sunt înzestrate cu o serie de operații expresive dedicate, care simplifică masiv modelarea în cadrul domeniului specific către care au fost țintite.
Pentru implementarea unui DSL, există următoarele două variante:
Continuând pe varianta embedded (de exemplu, în Haskell), un DSL poate utiliza două tipuri de reprezentări în cadrul limbajului gazdă:
Int etc.), iar operațiile pe expresii (adunare etc.) manipulează valorile acestoraTema propune ca studiu de caz un mic DSL embedded în Haskell pentru lucrul cu imagini. Pe parcursul etapelor, vom explora ambele modalități de reprezentare de mai sus (shallow, respectiv deep), avantajele și dezavantajele fiecăreia, precum și corespondența lor conceptuală.
Tema este împărțită în 3 etape:
Deadline-ul depinde de semigrupa în care sunteți repartizați. Restanțierii care refac tema și nu refac laboratorul beneficiază de ultimul deadline, și anume în zilele de 26.04, 10.05, respectiv 17.05.
Rezolvările tuturor etapelor pot fi trimise până în ziua laboratorului 10 (deadline hard pentru toate etapele). Orice exercițiu trimis după un deadline soft se punctează la jumătate. Cu alte cuvinte, nota finală pe etapă se calculează conform formulei: n = (n1 + n2) / 2 (n1 = nota obținută înainte de deadline; n2 = nota obținută după deadline). Când toate submisiile preced deadline-ul, nota pe ultima submisie constituie nota finală (întrucât n1 = n2).
În fiecare etapă, veți valorifica ce ați învățat în săptămâna anterioară și veți avea la dispoziție un schelet de cod, cu toate că vor exista trimiteri la etapele anterioare. Enunțul caută să ofere o imagine de ansamblu atât la nivel conceptual, cât și în privința aspectelor care se doresc implementate, în timp ce detaliile se găsesc direct în schelet.
În această etapă, ne vom concentra pe o reprezentare concretă a imaginilor din cadrul DSL-ului menționat anterior, corespunzătoare ideii de shallow embeddings. Astfel, fiecare imagine, denumită de acum încolo regiune (bidimensională), va fi reprezentată prin funcția ei caracteristică, având tipul Point → Bool. Rolul acestei funcții este de a preciza care puncte din spațiu aparțin regiunii respective (rezultat True) și care nu (rezultat False). Similar, o transformare a unei regiuni (de exemplu, translație), este reprezentată printr-o funcție care operează la nivelul punctelor, având tipul Point → Point.
Veți implementa funcții care:
Deși numărul funcțiilor este mai mare, majoritatea se implementează în câteva cuvinte. cicles și infiniteCircles sunt deja implementate, dar sarcina este de a înțelege utilitatea evaluării leneșe în cadrul acestora.
Construcțiile și mecanismele de limbaj pe care le veți exploata în rezolvare sunt:
let sau where).
Modulul de interes din schelet este Shallow, care conține reprezentarea regiunilor și a transformărilor, precum și operațiile pe care trebuie să le implementați. Găsiți detaliile despre funcționalitate și despre constrângerile de implementare, precum și exemple, direct în schelet. Aveți de completat definițiile care încep cu *** TODO ***.
Pentru rularea testelor, încărcați în interpretor modulul TestShallow și evaluați main.
Este suficient ca arhiva pentru vmchecker să conțină doar modulul Shallow.
În cadrul reprezentării concrete din etapa 1, funcțiile de definire și manipulare a regiunilor și transformărilor surprind complexitatea operațiilor, în timp ce funcția inside, de interogare a regiunilor, are o implementare banală, în termenii reprezentării regiunilor ca funcții caracteristice. Această abordare are avantajul că noi regiuni, transformări și operații pe acestea pot fi adăugate ușor, independent de definițiile anterioare. De exemplu, dacă dorim să adăugăm o nouă regiune elementară, cum este un triunghi, sau o nouă operație, ca diferența a două regiuni, putem introduce funcții separate, fără a modifica definițiile existente.
Ce se întâmplă totuși dacă încercăm să schimbăm interpretarea unei regiuni? Spre exemplu, în loc de funcția caracteristică din etapa 1, care stabilește apartenența unui punct la o regiune, acum am dori ca printr-o regiune să înțelegem numărul de subregiuni și transformări elementare din descrierea acelei regiuni. De exemplu, regiunea union (circle 2) (applyTransformation (translation 1 0) (rectangle 2 2)) ar căpăta reprezentarea (2, 1), pentru că sunt utilizate 2 subregiuni elementare (un cerc și un dreptunghi) și 1 transformare elementară (o translație) în construcția ei. Într-o altă situație, am putea dori ca printr-o regiune să înțelegem descrierea textuală a operațiilor care construiesc acea regiune. De exemplu, pentru aceeași regiune ca mai sus, reprezentarea textuală ar putea fi “Circle 2 + Translation 1 0 @ Rectangle 2 2”. Această schimbare de interpretare s-ar realiza anevoios, fiind necesară reimplementarea tuturor funcțiilor existente în termenii noii interpretări.
În etapa 2, vom explora așa-numitele deep embeddings pentru regiuni și transformări, în sensul că funcțiile de definire și manipulare a regiunilor nu vor mai viza o anumită reprezentare concretă, ci vor genera un arbore de sintaxă abstractă (AST), care surprinde operațiile generice utilizate în construcția unei regiuni sau transformări. De exemplu, regiunea de mai sus ar căpăta reprezentarea abstractă Union (Circle 2) (Transform (Translation 1 0) (Rectangle 2 2)), unde simbolurile reprezintă constructori de date definiți de noi. Abordarea are următoarele avantaje:
Ca dezavantaj, adăugarea de noi regiuni, transformări și operații pe acestea se realizează dificil, fiind necesară modificarea tipurilor care descriu AST-urile, și în consecință extinderea tuturor interpretărilor existente.
Observați dualismul celor două abordări, bazate pe shallow, respectiv deep embeddings, în sensul că ce se realizează ușor într-una se implementează dificil în cealaltă, fără ca una dintre abordări să o domine pe cealaltă. În literatură, acest lucru poartă numele de problema expresivității (expression problem), care se manifestă la mai multe niveluri, inclusiv între diferite paradigme de programare.
În cadrul etapei 2, veți porni de la tipuri de date deja definite în schelet pentru reprezentarea AST-urilor regiunilor și transformărilor, și veți implementa funcții care:
combineTransformations) în variante liniarizateConstrucțiile și mecanismele noi de limbaj pe care le veți exploata în rezolvare, pe lângă cele din etapa 1, sunt:
Întrucât optimizarea AST-ului constituie funcționalitatea cea mai pretențioasă din această etapă, o exemplificăm, pas cu pas, pentru AST-ul de mai jos (exemplul apare și în comentariile funcției optimizeTransformations):
Union (Transform (Combine [ Translation 1 2 , Combine [ Translation 3 4 , Scaling 2 ] , Scaling 3 ]) (Complement (Transform (Scaling 4) (Transform (Scaling 2) (Circle 5))))) (Transform (Translation 4 6) (Rectangle 6 7))
Principiile de optimizare sunt descrise pe larg în schelet, dar întotdeauna când prelucrăm o anumită regiune, trebuie să optimizăm mai întâi recursiv subregiunile. Prima optimizare propriu-zisă se produce la nivelul subarborelui Transform (Scaling 4) (Transform (Scaling 2) (Circle 5)), care conține două scalări succesive, care pot fi alipite în Transform (Scaling 8) (Circle 5), iar întregul AST este acum:
Union (Transform (Combine [ Translation 1 2 , Combine [ Translation 3 4 , Scaling 2 ] , Scaling 3 ]) (Complement (Transform (Scaling 8) (Circle 5)))) (Transform (Translation 4 6) (Rectangle 6 7))
În continuare, mergem un nivel mai sus, la subarborele Complement (Transform (Scaling 8) (Circle 5)). Pentru a permite eventuala alipire a scalării cu 8 cu o altă transformare de deasupra, este util să extragem transformarea în fața complementului, ca în Transform (Scaling 8) (Complement (Circle 5)), iar întregul AST devine:
Union (Transform (Combine [ Translation 1 2 , Combine [ Translation 3 4 , Scaling 2 ] , Scaling 3 ]) (Transform (Scaling 8) (Complement (Circle 5)))) (Transform (Translation 4 6) (Rectangle 6 7))
Mergem iarăși un nivel mai sus, la subarborele Transform (Combine …) (Transform (Scaling 8) (Complement (Circle 5))), unde observăm că transformările din secvența Combine, și anume două translații, respectiv două scalări consecutive, pot fi alipite; mai departe, scalările mai pot fuziona cu scalarea cu 8 din fața complementului. Din păcate, secvența Combine conține transformări imbricate, care trebuie mai întâi liniarizate pentru a putea fi ușor alipite. În urma liniarizării, se obține lista [Translation 1 2, Translation 3 4, Scaling 2, Scaling 3], iar dacă la aceasta adăugăm și prima transformare de mai jos, Scaling 8, și fuzionăm, obținem lista [Translation 4 6, Scaling 48], iar întregul AST devine:
Union (Transform (Combine [Translation 4 6, Scaling 48]) (Complement (Circle 5))) (Transform (Translation 4 6) (Rectangle 6 7))
Rămâne să prelucrăm întreaga reuniune. Obiectivul este același: să înlesnim eventuale alipiri cu transformări de deasupra, extrăgând în fața reuniunii transformările de dedesubt, dacă este posibil, cum am procedat mai sus la complement. Din moment ce avem acum două ramuri, nu putem să extragem decât cel mai lung prefix de transformări comune, lăsând sufixele necomune dedesubt. Prefixul cu pricina este [Translation 4 6], iar AST-ul devine în final:
Transform (Translation 4 6) (Union (Transform (Scaling 48) (Complement (Circle 5))) (Rectangle 6 7))
Modulul de interes din schelet este Deep, care conține reprezentarea AST-urilor regiunilor și a transformărilor, precum și operațiile pe care trebuie să le implementați. De asemenea, trebuie să aveți în același director și modulul Shallow din etapa 1. Găsiți detaliile despre funcționalitate și despre constrângerile de implementare, precum și exemple, direct în schelet. Aveți de completat definițiile care încep cu *** TODO ***.
Pentru rularea testelor, încărcați în interpretor modulul TestDeep și evaluați main.
Este suficient ca arhiva pentru vmchecker să conțină modulele Deep și Shallow.
În etapa 2, am văzut cum interpretarea deep embeddings (AST-urilor) ale transformărilor și regiunilor prin funcțiile toTransformation și toRegion a permis recuperarea shallow embeddings din etapa 1. Mai precis, paralela dintre implementările celor două etape este următoarea:
toRegion (Union region1 region2) = … din etapa 2 corespunde funcției union region1 region2 = … din etapa 1.union region1 region2 = … region1 … region2 …, în care parametrii sunt utilizați ca atare, în timp ce în etapa 2, un caz are forma toRegion (Union region1 region2) = … (toRegion region1) … (toRegion region2) …, în care parametrii trebuie interpretați în prealabil.Din cele de mai sus decurg natural două întrebări, pe care le vom discuta în continuare:
toRegion pe region1 și region2)?Pentru a răspunde la întrebarea 1, introducem distincția dintre operații compoziționale și necompoziționale:
length (x : xs) depinde doar de length xs, nu și de alt aspect al lui xs, cum ar fi xs însuși, primul element al lui xs sau suma elementelor lui xs. Alte exemple de operații compoziționale sunt calculul sumei elementelor unei liste, al înălțimii unui arbore binar (funcția height din laboratorul 8) și funcția toRegion din etapa 2.average (x : xs) doar pe baza lui average xs, având nevoie separat de suma elementelor și de lungimea listei. De asemenea, funcția isBalanced din laboratorul 8, care verifică dacă un arbore binar este echilibrat, este o operație necompozițională, întrucât isBalanced (Node key left right) depinde nu numai de isBalanced left și isBalanced right, ci și de height left și height right.
Cu toate acestea, o operație necompozițională poate fi transformată într-una compozițională, o metodă fiind îmbogățirea rezultatului calculat. De exemplu, funcția isBalanced de mai sus poate fi rescrisă compozițional dacă, în loc să întoarcă doar rezultatul boolean, întoarce o pereche cu rezultatul boolean și înălțimea arborelui; în acest fel, am avea la dispoziție toată informația necesară doar din aplicațiile recursive isBalanced left și isBalanced right.
În concluzie, având în vedere că în cadrul unui shallow embedding avem direct la dispoziție o anumită reprezentare concretă a entităților noastre (de exemplu, regiuni ca funcții caracteristice în etapa 1), din care în general nu putem recupera alte caracteristici (de exemplu, nu putem recupera secvența operațiilor care au construit o regiune având la dispoziție doar funcția ei caracteristică), shallow embeddings corespund exclusiv interpretărilor compoziționale ale deep embeddings (cum este toRegion din etapa 2). Aceasta înseamnă că un shallow embedding poate fi privit întotdeauna ca o interpretare a deep embeddings, dar nu și viceversa (cel puțin nu direct).
Mergând mai departe la întrebarea 2, regăsim ideea de fold (reducere). De exemplu, pe liste, funcționala foldr are tocmai scopul de a încapsula prelucrarea recursivă a restului listei, permițându-i programatorului să se concentreze doar pe maniera de îmbinare a elementului curent cu rezultatul prelucrării recursive (acumulatorul), prin funcția binară trimisă ca parametru către foldr. Având în vedere că funcția de combinare, pe care o vom denumi de acum înainte combiner, primește ca parametru direct rezultatul prelucrării recursive a restului listei, operațiile implementabile ca reduceri (prin funcționala foldr) sunt întotdeauna compoziționale.
Pasul următor este să vedem cum putem extinde ideea de reducere pe alte tipuri de date, în afară de liste; în particular, pe transformări și regiuni. În laboratorul 9, ați descoperit că funcționala foldr aparține clasei Foldable, instanțiată inclusiv de constructorul listă. Din păcate, tipul funcției este inspirat de constructorii de date ai tipului listă (cons și lista vidă) și nu este suficient de expresiv pentru a permite implementarea oricărei operații compoziționale pe un tip de date oarecare. De exemplu, deși pentru un tip de arbore binar poate fi dată o definiție a funcționalei foldr (ca în laboratorul 9), unele operații compoziționale, ca determinarea numărului de chei sau a sumei cheilor pot fi implementate prin foldr, în timp ce alte operații compoziționale, ca determinarea înălțimii arborelui, nu pot fi implementate prin foldr. Motivul este că combiner-ul ia ca parametru un singur acumulator, în timp ce pentru determinarea înălțimii ar fi necesari doi acumulatori, aferenți celor doi subarbori.
Pentru a ne da seama cum putem defini un mecanism de reducere particularizat pe un anumit tip de date, care să permită exprimarea oricărei operații compoziționale pe acesta, să ne amintim cum au fost aleși parametrii funcționalei foldr, inițial dedicată listelor. Listele posedă doi constructori de date, cons și lista vidă; pentru fiecare constructor de date, definim câte un parametru al funcționalei foldr, al cărui tip se obține înlocuind referirile recursive la tipul listă cu tipul acumulatorului. Mai precis:
(:) :: e → [e] → [e], unde e este tipul elementelor. Înlocuind referirile recursive la [e] cu tipul a al acumulatorului, obținem tipul primului parametru al lui foldr, și anume e → a → a.[] :: [e]. În urma aceleiași înlocuiri, obținem tipul celui de-al doilea parametru al lui foldr, și anume a.
Astfel, se obține binecunoscutul tip al lui foldr particularizat pe liste, și anume (e → a → a) → a → [e] → a.
Dacă dorim să adaptăm această idee pentru tipul RegionAST, trebuie să inventăm o nouă funcțională de reducere, foldRegionAST, și, la fel ca mai sus, să asociem fiecărui constructor de date câte un parametru al acestei funcții. De exemplu:
FromPoints are tipul [Point] → RegionAST. Înlocuind referirea recursivă la RegionAST cu tipul a al acumulatorului, obținem tipul parametrului aferent al lui foldRegionAST, și anume [Point] → a.Union are tipul RegionAST → RegionAST → RegionAST. În urma aceleiași înlocuiri, obținem tipul parametrului aferent al lui foldRegionAST, și anume a → a → a ș.a.m.d.
Din păcate, RegionAST posedă șapte constructori de date (ar putea fi și mai mulți), și transmiterea unui număr atât de mare de parametri funcționalei foldRegionAST devine greoaie. Din fericire, se poate recurge la următorul artificiu:
RegionShape a, cu aceiași constructori de date ca RegionAST, dar care utilizează tipul a pentru câmpuri. De exemplu, constructorul Union este acum definit prin Union a a în loc de Union RegionAST RegionAST. Rolul lui RegionShape este de a constitui un eșafodaj comun, atât pentru construcția AST-urilor, cât și pentru mecanismul de reducere.RegionAST poate fi recuperat particularizând parametrul de tip a al constructorului de tip RegionShape la RegionAST însuși. Mai precis, RegionAST este definit prin ecuația de punct fix RegionAST = RegionShape RegionAST.RegionShape a, cu tipul a particularizat în raport cu rezultatul dorit al operației de reducere. De exemplu, dacă se dorește reducerea unui RegionAST la o descriere textuală a sa, combiner-ul poate căpăta tipul RegionShape String. Aceasta înseamnă că, atunci când combiner-ul tratează prin pattern matching cazul Union string1 string2, presupune că cele două câmpuri ale constructorului Union conțin deja rezultatele reducerilor recursive ale subarborilor la șiruri de caractere, astfel încât se poate concentra direct pe combinarea lor pentru a obține reprezentarea ca șir de caractere a întregii regiuni (exact ca la funcționala foldr pe liste).
În final, în loc ca funcționala foldRegionAST să primească drept parametri șapte combiner-e, câte unul pentru fiecare constructor de date al tipului RegionAST, primește un singur combiner, care tratează prin pattern matching șapte cazuri, asigurând o mult mai bună modularizare.
O întrebare pertinentă este dacă beneficiile abordării bazate pe reduceri (folds), prezentate mai sus, justifică efortul de elaborare. Dincolo de simplificarea implementărilor operațiilor compoziționale, prin ascunderea interpretării recursive a substructurilor, care sporește lizibilitatea, există avantaje mai puțin evidente: reducerile au multe proprietăți matematice cunoscute, și descrierea explicită a unei operații ca o reducere poate înlesni demonstrarea formală a corectitudinii unui program și chiar aplicarea de optimizări la nivelul compilatorului.
În cadrul etapei 3, veți instanția diverse clase și veți implementa mecanismul de reducere descris mai sus. Mai precis, veți scrie funcții care:
ShowNumFunctorConstrucțiile și mecanismele noi de limbaj pe care le veți exploata în rezolvare, pe lângă cele din etapa 2, sunt:
Modulul de interes din schelet este Folds, care conține definițiile tipurilor de date necesare, precum și operațiile pe care trebuie să le implementați. De asemenea, trebuie să aveți în același director și modulul Shallow din etapa 1. Găsiți detaliile despre funcționalitate și despre constrângerile de implementare, precum și exemple, direct în schelet. Aveți de completat definițiile care încep cu *** TODO ***.
Pentru rularea testelor, încărcați în interpretor modulul TestFolds și evaluați main.
Este suficient ca arhiva pentru vmchecker să conțină modulele Folds și Shallow.
Secțiunea prezintă niște informații suplimentare despre etapa 3, și nu afectează rezolvarea temei.
Mecanismul de reducere din schelet poate fi generalizat în felul următor. În primul rând, ideea de definire a unui AST (precum RegionAST) ca punct fix al unui Functor (precum RegionShape), poate fi surprinsă explicit:
newtype Fix f = C (f (Fix f)) type TransformationAST = Fix TransformationShape type RegionAST = Fix RegionShape
În acest fel, poate fi definită o unică funcțională foldAST, cu tipul mai general Functor f ⇒ (f a → a) → Fix f → a, pentru care funcționalele foldTransformationAST și foldRegionAST devin cazuri particulare. Constrângerea Functor f este necesară pentru utilizarea lui fmap în implementare, ca în cerința temei, care știe să propage idiosincratic reducerea la substructuri. Combiner-ul are acum tipul mai general f a → a și poartă numele de algebră asociată functorului f.
Data.List. Este foarte posibil ca o funcție de prelucrare de care aveți nevoie să fie deja definită aici.case și gărzi, în locul if-urilor imbricate.combineTransformations, pentru evidențierea corespondenței cu aplicările individuale ale transformărilor din listă.