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 Agent-Oriented Technologies and Programming Languages for Computer Programming and Software Development

Mainstream hardware is becoming parallel, heterogeneous, and distributed on every desk, every home and in every pocket. As a consequence, in the last years software is having an epochal turn toward concurrency, distribution, interaction which is pushed by the evolution of hardware architectures and the growing of network availability. This calls for introducing further abstraction layers on top of those provided by classical mainstream programming paradigms, to tackle more effectively the new complexities that developers have to face in everyday programming. A convergence it is recognizable in the mainstream toward the adoption of the actor paradigm as a mean to unite object-oriented programming and concurrency. Nevertheless, we argue that the actor paradigm can only be considered a good starting point to provide a more comprehensive response to such a fundamental and radical change in software development. Accordingly, the main objective of this thesis is to propose Agent-Oriented Programming (AOP) as a high-level general purpose programming paradigm, natural evolution of actors and objects, introducing a further level of human-inspired concepts for programming software systems, meant to simplify the design and programming of concurrent, distributed, reactive/interactive programs. To this end, in the dissertation first we construct the required background by studying the state-of-the-art of both actor-oriented and agent-oriented programming, and then we focus on the engineering of integrated programming technologies for developing agent-based systems in their classical application domains: artificial intelligence and distributed artificial intelligence. Then, we shift the perspective moving from the development of intelligent software systems, toward general purpose software development. Using the expertise maturated during the phase of background construction, we introduce a general-purpose programming language named simpAL, which founds its roots on general principles and practices of software development, and at the same time provides an agent-oriented level of abstraction for the engineering of general purpose software systems.

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.

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.

Towards agent-oriented model-driven architecture

Model Driven Architecture supports the transformation from reusable models to executable software. Business representations, however, cannot be fully and explicitly represented in such models for direct transformation into running systems. Thus, once business needs change, the language abstractions used by MDA (e.g. Object Constraint Language / Action Semantics), being low level, have to be edited directly. We therefore describe an Agent-oriented Model Driven Architecture (AMDA) that uses a set of business models under continuous maintenance by business people, reflecting the current business needs and being associated with adaptive agents that interpret the captured knowledge to behave dynamically. Three contributions of the AMDA approach are identified: 1) to Agent-oriented Software Engineering, a method of building adaptive Multi-Agent Systems; 2) to MDA, a means of abstracting high level business-oriented models to align executable systems with their requirements at runtime; 3) to distributed systems, the interoperability of disparate components and services via the agent abstraction.

Strange, But True? Object-oriented Programming Is Best Taught, And Learnt, While Sitting On The Floor.

There is a perception amongst some of those learning computer programming that the principles of object-oriented programming (where behaviour is often encapsulated across multiple class files) can be difficult to grasp, especially when taught through a traditional, didactic ‘talk-and-chalk’ method or in a lecture-based environment.
We propose a non-traditional teaching method, developed for a government funded teaching training project delivered by Queen’s University, we call it bigCode. In this scenario, learners are provided with many printed, poster-sized fragments of code (in this case either Java or C#). The learners sit on the floor in groups and assemble these fragments into the many classes which make-up an object-oriented program.
Early trials indicate that bigCode is an effective method for teaching object-orientation. The requirement to physically organise the code fragments imitates closely the thought processes of a good software developer when developing object-oriented code.
Furthermore, in addition to teaching the principles involved in object-orientation, bigCode is also an extremely useful technique for teaching learners the organisation and structure of individual classes in Java or C# (as well as the organisation of procedural code). The mechanics of organising fragments of code into complete, correct computer programs give the users first-hand practice of this important skill, and as a result they subsequently find it much easier to develop well-structured code on a computer.
Yet, open questions remain. Is bigCode successful only because we have unknowingly predominantly targeted kinesthetic learners? Is bigCode also an effective teaching approach for other forms of learners, such as visual learners? How scalable is bigCode: in its current form can it be used with large class sizes, or outside the classroom?

Winâ Foy : functional object-oriented programming language

This thesis will introduce a new strongly typed programming language utilizing Self types, named Win--*Foy, along with a suitable user interface designed specifically to highlight language features. The need for such a programming language is based on deficiencies found in programming languages that support both Self types and subtyping. Subtyping is a concept that is taken for granted by most software engineers programming in object-oriented languages. Subtyping supports subsumption but it does not support the inheritance of binary methods. Binary methods contain an argument of type Self, the same type as the object itself, in a contravariant position, i.e. as a parameter. There are several arguments in favour of introducing Self types into a programming language (11. This rationale led to the development of a relation that has become known as matching [4, 5). The matching relation does not support subsumption, however, it does support the inheritance of binary methods. Two forms of matching have been proposed (lJ. Specifically, these relations are known as higher-order matching and I-bound matching. Previous research on these relations indicates that the higher-order matching relation is both reflexive and transitive whereas the f-bound matching is reflexive but not transitive (7]. The higher-order matching relation provides significant flexibility regarding inheritance of methods that utilize or return values of the same type. This flexibility, in certain situations, can restrict the programmer from defining specific classes and methods which are based on constant values [21J. For this reason, the type This is used as a second reference to the type of the object that cannot, contrary to Self, be specialized in subclasses. F-bound matching allows a programmer to define a function that will work for all types of A', a subtype of an upper bound function of type A, with the result type being dependent on A'. The use of parametric polymorphism in f-bound matching provides a connection to subtyping in object-oriented languages. This thesis will contain two main sections. Firstly, significant details concerning deficiencies of the subtype relation and the need to introduce higher-order and f-bound matching relations into programming languages will be explored. Secondly, a new programming language named Win--*Foy Functional Object-Oriented Programming Language has been created, along with a suitable user interface, in order to facilitate experimentation by programmers regarding the matching relation. The construction of the programming language and the user interface will be explained in detail.

An exploratory study of the effect of aspect-oriented programming on maintainability

In this paper we describe an exploratory assessment of the effect of aspect-oriented programming on software maintainability. An experiment was conducted in which 11 software professionals were asked to carry out maintenance tasks on one of two programs. The first program was written in Java and the second in AspectJ. Both programs implement a shopping system according to the same set of requirements. A number of statistical hypotheses were tested. The results did seem to suggest a slight advantage for the subjects using the object-oriented system since in general it took the subjects less time to answer the questions on this system. Also, both systems appeared to be equally difficult to modify. However, the results did not show a statistically significant influence of aspect-oriented programming at the 5% level. We are aware that the results of this single small study cannot be generalized. We conclude that more empirical research is necessary in this area to identify the benefits of aspect-oriented programming and we hope that this paper will encourage such research.

Exploring behavioural change through an agent-oriented system dynamics model: the use of personal protective equipment among pesticide applicators in Colombia

The misuse of Personal Protective Equipment results in health risk among smallholders in developing countries, and education is often proposed to promote safer practices. However, evidence point to limited effects of education. This paper presents a System Dynamics model which allows the identification of risk-minimizing policies for behavioural change. The model is based on the IAC framework and survey data. It represents farmers' decision-making from an agent-oriented standpoint. The most successful intervention strategy was the one which intervened in the long term, targeted key stocks in the systems and was diversified. However, the results suggest that, under these conditions, no policy is able to trigger a self sustaining behavioural change. Two implementation approaches were suggested by experts. One, based on constant social control, corresponds to a change of the current model's parameters. The other, based on participation, would lead farmers to new thinking, i.e. changes in their decision-making structure.

Agent-Oriented Data Curation in Bioinformatics

The practitioners of bioinformatics require increasing sophistication from their software tools to take into account the particular characteristics that make their domain complex. For example, there is a great variation of experience of researchers, from novices who would like guidance from experts in the best resources to use to experts that wish to take greater management control of the tools used in their experiments. Also, the range of available, and conflicting, data formats is growing and there is a desire to automate the many trivial manual stages of in-silico experiments. Agent-oriented software development is one approach to tackling the design of complex applications. In this paper, we argue that, in fact, agent-oriented development is a particularly well-suited approach to developing bioinformatics tools that take into account the wider domain characteristics. To illustrate this, we design a data curation tool, which manages the format of experimental data, extend it to better account for the extra requirements placed by the domain characteristics, and show how the characteristics lead to a system well suited to an agent-oriented view.