Mecanización de semántica de lenguajes de programación: teoría, implementación y desarrollo.

El presente proyecto se enmarca en el área de métodos formales para computación; el objetivo de los métodos formales es asegurar, a través de herramientas lógicas y matemáticas, que sistemas computacionales satisfacen ciertas propiedades. El campo de semántica de lenguajes de programación trata justamente de construir modelos matemáticos que den cuenta de las diferentes características de cada lenguaje (estado mutable, mecanismos de paso de parámetros, órdenes de ejecución, etc.); permitiendo razonar de una manera abstracta, en vez de lidiar con las peculiaridades de implementaciones o las vaguezas de descripciones informales. Como las pruebas formales de corrección son demasiado intrincadas, es muy conveniente realizar estos desarrollos teóricos con la ayuda de asistentes de prueba. Este proceso de formalizar y corrobar aspectos semánticos a través de un asistente se denomina mecanización de semántica. Este proyecto – articulado en tres líneas: semántica de teoría de tipos, implementación de un lenguaje con tipos dependientes y semántica de lenguajes imperativos con alto orden - se propone realizar avances en el estudio semántico de lenguajes de programación, mecanizar dichos resultados, e implementar un lenguaje con tipos dependientes con la intención de que se convierta, en un mediano plazo, en un asistente de pruebas. En la línea de semántica de teoría de tipos los objetivos son: (a) extender el método de normalización por evaluación para construcciones no contempladas aun en la literatura, (b) probar la adecuación de la implementación en Haskell de dicho método de normalización, y (c) construir nuevos modelos categóricos de teoría de tipos. El objetivo de la segunda línea es el diseño e implementación de un lenguaje con tipos dependientes con la intención de que el mismo se convierta en un asistente de pruebas. Una novedad de esta implementación es que el algoritmo de chequeo de tipos es correcto y completo respecto al sistema formal, gracias a resultados ya obtenidos; además la implementación en Haskell del algoritmo de normalización (fundamental para el type-checking) también tendrá su prueba de corrección. El foco de la tercera línea está en el estudio de lenguajes de programación que combinan aspectos imperativos (estado mutable) con características de lenguajes funcionales (procedimientos y funciones). Por un lado se avanzará en la mecanización de pruebas de corrección de compiladores para lenguajes Algollike. El segundo aspecto de esta línea será la definición de semánticas operacional y denotacional del lenguaje de programación Lua y la posterior caracterización del mismo a partir de ellas. Para lograr dichos objetivos hemos dividido las tareas en actividades con metas graduales y que constituyen en sí mismas aportes al estado del arte de cada una de las líneas. La importancia académica de este proyecto radica en los avances teóricos que se propone en la línea de semántica de teoría de tipos, en las contribución para la construcción de pruebas mecanizadas de corrección de compiladores, en el aporte que constituye la definición de una semántica formal para el lenguaje Lua, y en el desarrollo de un lenguaje con tipos dependientes cuyos algoritmos más importantes están respaldados por pruebas de corrección. Además, a nivel local, este proyecto permitirá incorporar cuatro integrantes al grupo de “Semántica de la programación”.

Desarrollo Riguroso de Sistemas Tolerantes a Fallas

Los sistemas críticos son aquellos utilizados en áreas en las cuales las fallas, o los eventos inesperados, pueden ocasionar grandes perdidas de dinero; o quizás peor aún, daños a vidas humanas. Esta clase de sistemas juegan un rol importante en actividades esenciales de la sociedad tales como la medicina y las comunicaciones. Los sistemas críticos, cada vez son más usuales en la vida real, algunos ejemplos de estos son los sistemas de aviones, sistemas para automóviles y sistemas utilizados en telefonia móvil. Para minimizar las fallas, y las perdidas materiales o humanas ocasionadas por el funcionamiento incorrecto de dichos sistemas, se utilizan técnicas de tolerancia a fallas. Estas técnicas permiten que los sistemas continúen funcionando aún bajo la ocurrencia de fallas, o eventos inesperados. Existen diversas técnicas para lograr tolerancia a fallas utilizando, por ejemplo, redundancia a diferentes niveles de abstracción, como, por ejemplo, al nivel de hardware. Sin embargo, estas técnicas dependen fuertemente del sistema, y del contexto en las que se utilizan. Más aún, la mayoría de la técnicas de tolerancia a fallas son usadas a bajo nivel (código fuente o hardware), estimamos que el uso de formalismos rigurosos (con fundamentos matemáticos) pueden llevar al diseño de sistemas tolerantes a fallas y robustos a un nivel de abstracción más alto, a la vez que la utilización de técnicas de verificación que han sido exitosas en la práctica tales como model checking, o la síntesis de controladores, pueden llevar a una verificación y producción automática de sistemas robustos. El objetivo del presente proyecto es estudiar tanto marcos teóricos, que permitan la construcción de sistemas más robustos, como también herramientas automáticas que hagan posible la utilización de estos formalismos en escenarios complejos. Para lograr estos objetivos, será necesario considerar casos de estudios de diferente complejidad, y además que sean relevantes en la práctica. Por ejemplo: bombas de insulina, protocolos de comunicación, sistemas de vuelo y sistemas utilizados con fines médicos. Planeamos obtener prototipos de algunos de estos casos de estudio para evaluar los marcos teóricos propuestos. En los últimos años diferentes formalismos han sido utilizados para razonar sobre sistemas tolerantes a fallas de una forma rigurosa, sin embargo, la mayoría de estos son ad hoc, por lo cual sólo son aplicables a contextos específicos. Planeamos utilizar ciertas lógicas modales, en conjunto con nociones probabilísticas, para obtener un conjunto de herramientas suficientemente generales para que puedan ser utilizadas en diferentes contextos y aplicaciones. Los materiales a utilizar son equipos informáticos, en particular computadoras portátiles para el equipo de trabajo y computadoras más potentes para el testeo y desarrollo del software necesario para lograr los objetivos del proyecto. Para construir los prototipos mencionados se utilizarán equipos de computación estándar (el equipo investigación cuenta con computadoras intel y mac) en conjunto con lenguajes de programación modernos como JAVA o C#. En el caso de que los sistemas de software sean sistemas embebidos; se piensa desarrollar un motor de simulación que permita evaluar el desempeño del software cuando es ejecutado en el dispositivo mencionado. Se espera desarrollar, e investigar, las propiedades de formalismos matemáticos que permitan el desarrollo de sistemas tolerantes a fallas. Además, se desarrollarán herramientas de software para que estos sistemas tolerantes a fallas puedan verificarse, o obtenerse automáticamente. Los resultados obtenidos serán difundidos por medio de publicaciones en revistas del área. El desarrollo de sistemas tolerantes a fallas por medio de técnicas rigurosas, a diferentes niveles de abstracción (captura de requisitos, diseño, implementación y validación), permitirá minimizar los riesgos inherentes en actividades críticas.