Avant Projet Compose

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Fondements scientifiques

 

Mots-clés : évaluation partielle, spécialisation, transformation de programmes, systèmes adaptatifs, génie logiciel


Évaluation partielle: c'est une transformation de programmes qui a pour but de spécialiser un programme en fonction de certaines de ses données d'entrée.

Résumé : Le projet s'intéresse à la conception de systèmes adaptatifs. Notre démarche consiste à rendre performant un programme générique en le spécialisant en fonction d'un contexte donné d'utilisation. Plus précisément, notre objectif est d'étudier les techniques de spécialisation et leur utilisation pour des applications de taille réelle. En particulier, l'évaluation partielle est à la base de notre approche de conception de programmes et systèmes adaptatifs.

L'adaptabilité est devenue une caractéristique incontournable dans la conception des nouveaux logiciels pour leur permettre de répondre à des besoins fondamentaux tels que :

Des techniques de conception de logiciels adaptatifs existent déjà ; elles consistent généralement à structurer un logiciel de telle sorte qu'il puisse évoluer en fonction de son contexte d'utilisation. Cette structuration prend, traditionnellement, la forme de modules et de couches logicielles. L'évolution de ces techniques s'est traduite par un réel engouement pour les langages à objets dont l'un des objectifs principaux est d'offrir des mécanismes d'organisation et de généralisation de composants logiciels. Plus récemment, des approches reposant sur la notion de bus logiciel ont été proposées pour permettre la composition de composants logiciels indépendants, mais dont l'interface est spécifiée.

Toutefois, les approches existantes sont incomplètes car, bien qu'elles prennent en compte les aspects conceptuels d'un logiciel, elles négligent ses aspects relatifs à l'implémentation. Par faute de méthodes et d'outils adéquats, l'adaptabilité se traduit souvent par l'introduction, dans la mise en oeuvre, de mécanismes tels que l'interprétation (de paramètres ou d'un état global), la protection des données et du code, et la copie de données entre différentes couches logicielles. Ces mécanismes complexifient les algorithmes et entraînent une inefficacité importante qui conduit bien souvent à spécialiser manuellement un logiciel pour un contexte d'utilisation donné afin d'obtenir des performances acceptables. Cette spécialisation manuelle est bien évidemment fastidieuse et source d'erreurs. De plus, elle multiplie les versions d'un même logiciel entraînant du même coup des problèmes de maintenance. Plus généralement, elle annule les efforts d'adaptabilité du logiciel déployés lors de sa conception.

Notre objectif est d'étudier la généralisation et la systématisation des techniques de spécialisation et leur utilisation pour des applications de taille réelle.

L'évaluation partielle est à la base de notre approche de conception de programmes et systèmes adaptatifs, nous en présentons maintenant ses aspects fondamentaux.

L'évaluation partielle

L'évaluation partielle a pour but de spécialiser un programme en fonction de certaines de ses données d'entrée. Cette transformation de programmes préserve la sémantique initiale dans la mesure où le programme spécialisé, appliqué aux données manquantes, produit le même résultat que le programme original appliqué à toutes les données. Comme on aime à le souligner, la calculabilité de l'évaluation partielle repose sur le théorème $S^m_n$ de Kleene [JSS89,Kle52].

À la différence d'une stratégie de transformation de programmes générale à la Burstall et Darlington [BD77], l'évaluation partielle a pour unique objectif la spécialisation de programmes. Un évaluateur partiel consiste en un ensemble réduit de règles de transformation de programmes visant à évaluer les expressions qui manipulent des données disponibles et à reconstruire les expressions dépendant des données manquantes.

Bien que simple dans son principe, la notion de spécialisation s'applique à une vaste classe de problèmes. En effet, l'évaluation partielle a été utilisée pour des applications aussi variées que la génération de compilateurs à partir d'interpréteurs [JSS89], l'optimisation de programmes numériques [Ber90], le filtrage [CD89] et l'instrumentation de programmes [KHC91].

Aspects extensionnels

Pour présenter l'évaluation partielle, il est important d'établir une distinction entre un programme et la fonction (c'est-à-dire l'objet mathématique) que ce programme dénote. Pour ce faire nous utilisons la convention suivante : lorsque le nom d'une variable apparaît en majuscule, cette variable dénote un programme, sinon elle dénote une fonction. Nous ne définissons pas la correspondance entre un programme et la fonction qu'il dénote ; nous supposons que cette correspondance est donnée par la sémantique formelle du langage. Nous supposons de plus qu'il existe un évaluateur eval tel que :

\begin{displaymath} eval(P,d) = p~ d \end{displaymath}

Etant donné un programme $P$ à deux entrées et une valeur $v$, un évaluateur partiel est un programme, noté $PE$,calculant le programme résiduel $P_v$

\begin{displaymath} P_v = eval(PE, (P,v)) \end{displaymath}
tel que, lorsque le programme résiduel est appliqué à la donnée manquante $w$
\begin{displaymath} eval(P_v, w) \equiv eval(P, (v,w)) \end{displaymath}
le programme original et le programme spécialisé produisent le même résultat. D'un point de vue fonctionnel, ceci peut être écrit comme suit :
\begin{displaymath} p_v(w) \equiv p(v,w) ~\mbox{\em o\`{u}}~ P_v = pe(P,v) \end{displaymath}
Les données disponibles pendant l'évaluation partielle sont dites statiques   (la donnée $v$). Les données manquantes sont dites dynamiques (la donnée $w$)[JSS89]. On dit que $P_v$ est la version spécialisée de $P$ en fonction de $v$.

Il est également possible d'optimiser le processus même d'évaluation partielle par auto-application de l'évaluateur partiel.

Les stratégies d'évaluation partielle

On distingue communément deux stratégies d'évaluation partielle : en ligne et hors ligne. La première stratégie consiste à déterminer le traitement du programme au fur et à mesure de la phase d'évaluation partielle. Les évaluateurs partiels basés sur ce principe ont l'avantage de manipuler des valeurs concrètes, et donc, peuvent déterminer précisément le traitement de chaque expression d'un programme. Toutefois, ce processus est coûteux : l'évaluateur partiel doit analyser le contexte du calcul (c'est-à-dire les données disponibles) pour sélectionner la transformation de programmes appropriée. Cette opération est effectuée de façon répétitive dans le cas de fonctions récursives, par exemple. Il n'est donc pas surprenant de constater que les performances d'un évaluateur partiel en ligne se dégradent rapidement lorsque de nouvelles transformations de programmes sont introduites.

La deuxième stratégie d'évaluation partielle, introduite par le groupe Mix dirigé par Neil Jones, comporte deux phases : une analyse de temps de liaison et une phase de spécialisation [JSS89]. Étant donné un programme et une description de ses entrées (statique/dynamique), l'analyse de temps de liaison détermine les expressions qui peuvent être évaluées lors de la phase d'évaluation partielle et celles qui doivent être reconstruites : les premières sont dites statiques, les autres dynamiques. Les informations de temps de liaison sont valides tant que la description des entrées du programme reste inchangée. Les expressions statiques et dynamiques étant connues à l'avance, la phase de spécialisation est plus efficace. Toutefois, l'analyse de temps de liaison, manipulant des valeurs abstraites, permet d'effectuer certaines approximations. Ainsi, le degré de spécialisation d'une stratégie hors ligne peut être moindre que celui d'une stratégie en ligne.

L'activité importante qui s'est développée dans le domaine de l'évaluation partielle a conduit à la réalisation de nombreux prototypes pour une variété de langages de programmation tels que Scheme [Bon90], C [And94] et Pascal [Mey91].

Évaluation partielle à l'exécution

Traditionnellement, l'évaluation partielle est une transformation effectuée sur le texte d'un programme. De ce fait, elle intervient à la compilation et ne peut exploiter que les valeurs disponibles à ce stade.

Nous avons développé un cadre de travail général permettant de réaliser la spécialisation de programmes impératifs à l'exécution [5]. Le processus de spécialisation que nous avons conçu a pour point de départ un programme annoté d'actions. Ces actions décrivent les transformations à effectuer sur chaque construction du programme à spécialiser et, de fait, peuvent être vues comme une description de l'ensemble des programmes qui peuvent être produits par spécialisation. Notons que ce point de départ n'est pas spécifique à la spécialisation à l'exécution ; dans notre approche, les actions sont également utilisées pour guider la spécialisation à la compilation.

À partir d'un programme annoté d'actions, nous produisons automatiquement à la compilation des fragments de code source. Ces fragments de code source sont incomplets dans la mesure où les invariants ne sont connus qu'à l'exécution. Ils sont transformés de manière à pouvoir être traités par un compilateur standard. À l'exécution, il ne reste plus qu'à sélectionner et copier certains de ces fragments de code, insérer les valeurs dynamiques et reloger certains sauts pour obtenir une spécialisation donnée.

Ces opérations sont simples et permettent donc un processus de spécialisation très efficace qui ne nécessite qu'un nombre limité d'exécutions du programme spécialisé avant d'être amorti.

Analyses et outils

Les principes d'évaluation partielle décrits plus haut permettent le développement rigoureux d'analyses de programmes performantes [Con93] [1] et la conception de transformations de programmes [CD91] [2,7,3] pour des langages fonctionnels et impératifs. Nos études conduisent à l'élaboration d'outils de spécialisation. Ces outils ont un rôle crucial dans la validation de la technologie que nous développons. Nos efforts portent sur deux systèmes d'évaluation partielle : l'un pour des langages fonctionnels, Schism, et l'autre pour le langage C, Tempo. Par ailleurs, nous avons entrepris le développement d'un frontal à Tempo, permettant la spécialisation de programmes Java.


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