Reuse Mechanisms and Concurrency: From Actors to Agent-Oriented Programming

La presente tesi è dedicata al riuso nel software. Eccettuata un'introduzione organica al tema, l'analisi è a livello dei meccanismi offerti dai linguaggi di programmazione e delle tecniche di sviluppo, con speciale attenzione rivolta al tema della concorrenza. Il primo capitolo fornisce un quadro generale nel quale il riuso del software è descritto, assieme alle ragioni che ne determinano l'importanza e ai punti cruciali relativi alla sua attuazione. Si individuano diversi livelli di riuso sulla base dell'astrazione e degli artefatti in gioco, e si sottolinea come i linguaggi contribuiscano alla riusabilità e alla realizzazione del riuso. In seguito, viene esplorato, con esempi di codice, il supporto al riuso da parte del paradigma ad oggetti, in termini di incapsulamento, ereditarietà, polimorfismo, composizione. La trattazione prosegue analizzando differenti feature – tipizzazione, interfacce, mixin, generics – offerte da vari linguaggi di programmazione, mostrando come esse intervengano sulla riusabilità dei componenti software. A chiudere il capitolo, qualche parola contestualizzata sull'inversione di controllo, la programmazione orientata agli aspetti, e il meccanismo della delega. Il secondo capitolo abbraccia il tema della concorrenza. Dopo aver introdotto l'argomento, vengono approfonditi alcuni significativi modelli di concorrenza: programmazione multi-threaded, task nel linguaggio Ada, SCOOP, modello ad Attori. Essi vengono descritti negli elementi fondamentali e ne vengono evidenziati gli aspetti cruciali in termini di contributo al riuso, con esempi di codice. Relativamente al modello ad Attori, viene presentata la sua implementazione in Scala/Akka come caso studio. Infine, viene esaminato il problema dell'inheritance anomaly, sulla base di esempi e delle tre classi principali di anomalia, e si analizza la suscettibilità del supporto di concorrenza di Scala/Akka a riscontrare tali problemi. Inoltre, in questo capitolo si nota come alcuni aspetti relativi al binomio riuso/concorrenza, tra cui il significato profondo dello stesso, non siano ancora stati adeguatamente affrontati dalla comunità informatica. Il terzo e ultimo capitolo esordisce con una panoramica dell'agent-oriented programming, prendendo il linguaggio simpAL come riferimento. In seguito, si prova ad estendere al caso degli agenti la nozione di riuso approfondita nei capitoli precedenti.

Engineering Concurrent and Event-driven Web Apps: An Agent-Oriented Approach based on the simpAL Language

Web is constantly evolving, thanks to the 2.0 transition, HTML5 new features and the coming of cloud-computing, the gap between Web and traditional desktop applications is tailing off. Web-apps are more and more widespread and bring several benefits compared to traditional ones. On the other hand reference technologies, JavaScript primarly, are not keeping pace, so a paradim shift is taking place in Web programming, and so many new languages and technologies are coming out. First objective of this thesis is to survey the reference and state-of-art technologies for client-side Web programming focusing in particular on what concerns concurrency and asynchronous programming. Taking into account the problems that affect existing technologies, we finally design simpAL-web, an innovative approach to tackle Web-apps development, based on the Agent-oriented programming abstraction and the simpAL language. == Versione in italiano: Il Web è in continua evoluzione, grazie alla transizione verso il 2.0, alle nuove funzionalità introdotte con HTML5 ed all’avvento del cloud-computing, il divario tra le applicazioni Web e quelle desktop tradizionali va assottigliandosi. Le Web-apps sono sempre più diffuse e presentano diversi vantaggi rispetto a quelle tradizionali. D’altra parte le tecnologie di riferimento, JavaScript in primis, non stanno tenendo il passo, motivo per cui la programmazione Web sta andando incontro ad un cambio di paradigma e nuovi linguaggi e tecnologie stanno spuntando sempre più numerosi. Primo obiettivo di questa tesi è di passare al vaglio le tecnologie di riferimento ed allo stato dell’arte per quel che riguarda la programmmazione Web client-side, porgendo particolare attenzione agli aspetti inerenti la concorrenza e la programmazione asincrona. Considerando i principali problemi di cui soffrono le attuali tecnologie passeremo infine alla progettazione di simpAL-web, un approccio innovativo con cui affrontare lo sviluppo di Web-apps basato sulla programmazione orientata agli Agenti e sul linguaggio simpAL.

Il ruolo delle architetture di controllo nella progettazione e sviluppo di applicazioni web: Un confronto fra event-loop e control-loop utilizzando il linguaggio dart e linguaggi agent-oriented

Quando si parla di architetture di controllo in ambito Web, il Modello ad Eventi è indubbiamente quello più diffuso e adottato. L’asincronicità e l’elevata interazione con l’utente sono caratteristiche tipiche delle Web Applications, ed un architettura ad eventi, grazie all’adozione del suo tipico ciclo di controllo chiamato Event Loop, fornisce un'astrazione semplice ma sufficientemente espressiva per soddisfare tali requisiti. La crescita di Internet e delle tecnologie ad esso associate, assieme alle recenti conquiste in ambito di CPU multi-core, ha fornito terreno fertile per lo sviluppo di Web Applications sempre più complesse. Questo aumento di complessità ha portato però alla luce alcuni limiti del modello ad eventi, ancora oggi non del tutto risolti. Con questo lavoro si intende proporre un differente approccio a questa tipologia di problemi, che superi i limiti riscontrati nel modello ad eventi proponendo un architettura diversa, nata in ambito di IA ma che sta guadagno popolarità anche nel general-purpose: il Modello ad Agenti. Le architetture ad agenti adottano un ciclo di controllo simile all’Event Loop del modello ad eventi, ma con alcune profonde differenze: il Control Loop. Lo scopo di questa tesi sarà dunque approfondire le due tipologie di architetture evidenziandone le differenze, mostrando cosa significa affrontare un progetto e lo sviluppo di una Web Applications avendo tecnologie diverse con differenti cicli di controllo, mettendo in luce pregi e difetti dei due approcci.

OGRE: analisi di un motore grafico 3D

In questa tesi descriveremo e analizzeremo il motore grafico OGRE, acronimo di Object-Oriented Graphics Rendering Engine. La scelta di analizzare proprio questo motore grafico è legata a diverse considerazioni. Innanzitutto, OGRE è rilasciato con licenza open source e quindi rende disponibile il suo codice sorgente. Questo è molto importante, in un contesto di studio e sperimentazione come quello universitario, perché permette di comprendere e analizzare anche il funzionamento interno del motore grafico. Inoltre, OGRE è un progetto maturo e stabile con una vasta comunità di sviluppatori e utilizzatori alle spalle. Esiste molta documentazione a riguardo, tra wiki, libri e manuali, e un forum molto attivo per la richiesta di aiuto e consigli. A conferma, sia della bontà del progetto che delle ottime prestazioni del motore grafico, basta dire che OGRE è utilizzato anche da applicazioni commerciali, come videogame, editor 3D e simulatori. Infine, la caratteristica che contraddistingue OGRE da tutti gli altri motori grafici è il fatto di essere "solamente" un motore di rendering puro. Ciò significa che qualsiasi funzionalità non direttamente legata al rendering, come ad esempio la gestione degli input dell'utente, non è supportata da OGRE. Anche se questo può sembrare un difetto, in realtà ciò permetterà di concentrarci solamente sugli aspetti legati al rendering che, in un motore grafico, costituiscono la parte fondamentale.

Il linguaggio Alloy come ausilio nella specifica formale di modelli UML

UML è ampiamente considerato lo standard de facto nella fase iniziale di modellazione di sistemi software basati sul paradigma Object-Oriented; il suo diagramma delle classi è utilizzato per la rappresentazione statica strutturale di entità e relazioni che concorrono alla definizione delle specifiche del sistema; in questa fase viene utilizzato il linguaggio OCL per esprimere vincoli semantici sugli elementi del diagramma. Il linguaggio OCL però soffre della mancanza di una verifica formale sui vincoli che sono stati definiti. Il linguaggio di modellazione Alloy, inserendosi in questa fase, concettualmente può sopperire a questa mancanza perchè può descrivere con le sue entità e relazioni un diagramma delle classi UML e, tramite propri costrutti molto vicini all'espressività di OCL, può specificare vincoli semantici sul modello che verranno analizzati dal suo ambiente l'Alloy Analyzer per verificarne la consistenza. In questo lavoro di tesi dopo aver dato una panoramica generale sui costrutti principali del linguaggio Alloy, si mostrerà come è possibile creare una corrispondenza tra un diagramma delle classi UML e un modello Alloy equivalente. Si mostreranno in seguito le analogie che vi sono tra i costrutti Alloy e OCL per la definizione di vincoli formali, e le differenze, offrendo nel complesso soluzioni e tecniche che il modellatore può utilizzare per sfruttare al meglio questo nuovo approccio di verifica formale. Verranno mostrati anche i casi di incompatibilità. Infine, come complemento al lavoro svolto verrà mostrata, una tecnica per donare una dinamicità ai modelli statici Alloy.

ROP Gadgets hiding techniques in Open Source Projects

Today there are many techniques that allows to exploit vulnerabilities of an application; there are also many techniques that are designed to stop these exploit attacks. This thesis wants to highlight how a specific type of attack, based on a technique called Return Oriented Programming (ROP), can be easily applied to binaries with particular characteristics. A new method that allows the injection of "useful" code in an Open Source projects without arousing suspicions is presented; this is possible because of the harmless aspects of the injected code. This useful code facilitate a ROP attack against an executable that contains vulnerable bugs. The injection process can be visualized in environment where an user can contribute with own code to a particular Open Source project. This thesis also highlights how current software protections are not correctly applied to Open Source project, thus enabling the proposed approach.

Deadlock analysis of asynchronous sequential processes

In this thesis we present ad study an object-oriented language, characterized by two different types of objects, passive and active objects, of which we define the operational syntax and semantics. For this language we also define the type system, that will be used for the type checking and for the extraction of behavioral types, which are an abstract description of the behavior of the methods, used in deadlock analysis. Programs can manifest deadlock due to the errors of the programmer. To statically identify possible unintended behaviors we studied and implemented a technique for the analysis of deadlock based on behavioral types.

Strumenti informatici per l'analisi spaziale: Ipotesi di applicazione allo studio della densita e dei tessuti urbani

Questa tesi si prepone di indagare quali ricadute positive potrebbe avere, nei confronti della pianificazione urbanistica e il monitoraggio a scala territoriale, l’applicazione delle tecnologie di analisi spaziale assistita dal computer, con particolare riferimento all’analisi tipomorfologica delle forme insediative, sia a scala di quartiere (distinguendo tessuto compatto, a grana fine, grossa, ecc.), che a scala urbana (analisi della densità e delle aggregazioni extraurbane). A tal fine sono state elaborate due ipotesi applicative delle recenti tecnologie di elaborazione object-oriented, sperimentandole sulle principali città romagnole che si collocano sull’asse della via Emilia.

REST SERVER IN JOLIE - Practical Case

The aim of this thesis is to merge two of the emerging paradigms about web programming: RESTful Web Development and Service-Oriented Programming. REST is the main architectural paradigm about web applications, they are characterised by procedural structure which avoid the use of handshaking mechanisms. Even though REST has a standard structure to access the resources of the web applications, the backend side is usually not very modular if not complicated. Service-Oriented Programming, instead, has as one of the fundamental principles, the modularisation of the components. Service-Oriented Applications are characterised by separate modules that allow to simplify the devel- opment of the web applications. There are very few example of integration between these two technologies: it seems therefore reasonable to merge them. In this thesis the methodologies studied to reach this results are explored through an application that helps to handle documents and notes among several users, called MergeFly. The MergeFly practical case, once that all the specifics had been set, will be utilised in order to develop and handle HTTP requests through SOAP. In this document will be first defined the 1) characteristics of the application, 2) SOAP technology, partially introduced the 3) Jolie Language, 4) REST and finally a 5) Jolie-REST implementation will be offered through the MergeFly case. It is indeed implemented a token mechanism for authentication: it has been first discarded sessions and cookies algorithm of authentication in so far not into the pure RESTness theory, even if often used). In the final part the functionality and effectiveness of the results will be evaluated, judging the Jolie-REST duo.

Programmazione ad Agenti - Un Caso di Studio nel Linguaggio Sarl

Agent-oriented programming (AOP) è un paradigma di programmazione che concepisce un software come insieme di agenti che possiedono caratteristiche di autonomia, proattività e che sono in grado di comunicare con altri agenti. Sebbene sia stato impiegato soprattutto nell'ambito dell'intelligenza artificiale questo tipo di programmazione si rivela utile per lo sviluppo di sistemi distribuiti riuscendo a gestire agilmente problemi di concorrenza. Lo scopo di questa tesi è analizzare le caratteristiche del paradigma e dei software basati su agenti, utilizzando come caso di studio Sarl, un linguaggio general-purpose molto recente. La parte principale del lavoro consiste nella descrizione dei modelli teorici che hanno portato alla nascita della programmazione ad agenti, in particolare del modello BDI, e dei principali framework per lo sviluppo di sistemi multi-agente.

Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

Structure learning of graphical models for task-oriented robot grasping

In the collective imaginaries a robot is a human like machine as any androids in science fiction. However the type of robots that you will encounter most frequently are machinery that do work that is too dangerous, boring or onerous. Most of the robots in the world are of this type. They can be found in auto, medical, manufacturing and space industries. Therefore a robot is a system that contains sensors, control systems, manipulators, power supplies and software all working together to perform a task. The development and use of such a system is an active area of research and one of the main problems is the development of interaction skills with the surrounding environment, which include the ability to grasp objects. To perform this task the robot needs to sense the environment and acquire the object informations, physical attributes that may influence a grasp. Humans can solve this grasping problem easily due to their past experiences, that is why many researchers are approaching it from a machine learning perspective finding grasp of an object using information of already known objects. But humans can select the best grasp amongst a vast repertoire not only considering the physical attributes of the object to grasp but even to obtain a certain effect. This is why in our case the study in the area of robot manipulation is focused on grasping and integrating symbolic tasks with data gained through sensors. The learning model is based on Bayesian Network to encode the statistical dependencies between the data collected by the sensors and the symbolic task. This data representation has several advantages. It allows to take into account the uncertainty of the real world, allowing to deal with sensor noise, encodes notion of causality and provides an unified network for learning. Since the network is actually implemented and based on the human expert knowledge, it is very interesting to implement an automated method to learn the structure as in the future more tasks and object features can be introduced and a complex network design based only on human expert knowledge can become unreliable. Since structure learning algorithms presents some weaknesses, the goal of this thesis is to analyze real data used in the network modeled by the human expert, implement a feasible structure learning approach and compare the results with the network designed by the expert in order to possibly enhance it.