CLASS: A Logical Foundation for Typeful Programming with Shared State

Abstract

Software construction depends on imperative state sharing and concurrency, which are naturally present in several application domains and are also exploited to improve the structure and efficiency of computer programs. However, reasoning about concurrency and shared mutable state is hard, error-prone and the source of many programming bugs, such as memory leaks, data corruption, deadlocks and non-termination. In this thesis, we develop CLASS: a core session-based language with a lightweight substructural type system, that results from a principled extension of the propositions-astypes correspondence with second-order classical linear logic. More concretely, CLASS offers support for session-based communication, mutex-protected first-class reference cells, dynamic state sharing, generic polymorphic algorithms, data abstraction and primitive recursion. CLASS expresses and types significant realistic programs, that manipulate memoryefficient linked data structures (linked lists, binary search trees) with support for updates in-place, shareable concurrent ADTs (counters, stacks, functional and imperative queues), resource synchronisation methods (fork-joins, barriers, dining philosophers, generic corecursive protocols). All of these examples are guaranteed to be safe, a result that follows by the logical approach. The linear logical foundations guarantee that well-typed CLASS programs do not go wrong: they never deadlock on communication or reference cell acquisition, do not leak memory and always terminate, even if they share complex data structures protected by synchronisation primitives. Furthermore, since we follow a propositions-as-types approach, we can reason about the behaviour of concurrent stateful processes by algebraic program manipulation. The feasibility of our approach is witnessed by the implementation of a type checker and interpreter for CLASS, which validates and guides the development of many realistic programs. The implementation is available with an open-source license, together with several examples.

A construção de software depende de estado partilhado imperativo e concorrência, que estão naturalmente presentes em vários domínios de aplicação e que também são explorados para melhorar o a estrutura e o desempenho dos programas. No entanto, raciocinar sobre concorrência e estado mutável partilhado é difícil e propenso à introdução de erros e muitos bugs de programação, tais como fugas de memória, corrupção de dados, programas bloqueados e programas que não terminam a sua execução. Nesta tese, desenvolvemos CLASS: uma linguagem baseada em sessões, com um sistema de tipos leve e subestrutural, que resulta de uma extensão metodológica da correspondência proposições-como-tipos com a lógica linear clássica de segunda ordem. Mais concretamente, a linguagem CLASS oferece suporte para comunicação baseada em sessões, células de memória protegidas com mutexes de primeira classe, partilha dinâmica de estado, algoritmos polimórficos genéricos, abstração de dados e recursão primitiva. A linguagem CLASS expressa e tipifica programas realistas significativos, que manipulam estruturas de dados ligadas eficientes (listas ligadas, árvores de pesquisa binária) suportando actualização imperativa local, TDAs partilhados e concorrentes (contadores, pilhas, filas funcionais e imperativas), métodos de sincronização e partilha de recursos (bifurcar-juntar, barreiras, jantar de filósofos, protocolos genéricos corecursivos). Todos estes exemplos são seguros, uma garantia que resulta da nossa abordagem lógica. Os fundamentos, baseados na lógica linear, garantem que programas em CLASS bem tipificados não incorrem em erros: nunca bloqueiam, quer na comunicação, quer na aquisição de células de memória, nunca causam fugas de memória e terminam sempre, mesmo que compartilhem estruturas de dados complexas protegidas por primitivas de sincronização. Além disso, uma vez que seguimos uma abordagem de proposições-comotipos, podemos raciocinar sobre o comportamento de processos concorrentes, que usam estado, através de manipulação algébrica. A viabilidade da nossa abordagem é evidenciada pela implementação de um verificador de tipos e interpretador para a linguagem CLASS, que valida e orienta o desenvolvimento de vários programs realistas. A implementação está disponível com uma licença de acesso livre, juntamente com inúmeros exemplos.