First-Class State Change in Karl Naden with Joshua - - PowerPoint PPT Presentation

First-­‑Class ¡State ¡Change ¡in ¡

Karl ¡Naden ¡ with ¡Joshua ¡Sunshine, ¡Sven ¡Stork ¡ Jonathan ¡Aldrich, ¡and ¡Éric ¡Tanter ¡ OOPSLA ¡10/27/2011 ¡ ¡

School ¡of ¡Computer ¡Science ¡

• Things ¡all ¡around ¡us ¡are ¡changing ¡state ¡
• BuBerfly: ¡Egg ¡ ¡Caterpillar ¡ ¡Chrysalis ¡ ¡Imago ¡

States ¡and ¡State ¡Change ¡

1

• Things ¡all ¡around ¡us ¡are ¡changing ¡state ¡
• BuBerfly: ¡Egg ¡ ¡Caterpillar ¡ ¡Chrysalis ¡ ¡Imago ¡
• You: ¡Awake ¡ ¡Asleep ¡

States ¡and ¡State ¡Change ¡

1

• Things ¡all ¡around ¡us ¡are ¡changing ¡state ¡
• BuBerfly: ¡Egg ¡ ¡Caterpillar ¡ ¡Chrysalis ¡ ¡Imago ¡
• You: ¡Awake ¡ ¡Asleep ¡
• In ¡Programming, ¡too ¡
• File: ¡Open ¡ ¡Closed ¡

States ¡and ¡State ¡Change ¡

1

• Things ¡all ¡around ¡us ¡are ¡changing ¡state ¡
• BuBerfly: ¡Egg ¡ ¡Caterpillar ¡ ¡Chrysalis ¡ ¡Imago ¡
• You: ¡Awake ¡ ¡Asleep ¡
• In ¡Programming, ¡too ¡
• File: ¡Open ¡ ¡Closed ¡
• Java ¡ExcepNon: ¡Cause ¡Not ¡Set ¡ ¡Cause ¡Set ¡

States ¡and ¡State ¡Change ¡

1

• Things ¡all ¡around ¡us ¡are ¡changing ¡state ¡
• BuBerfly: ¡Egg ¡ ¡Caterpillar ¡ ¡Chrysalis ¡ ¡Imago ¡
• You: ¡Awake ¡ ¡Asleep ¡
• In ¡Programming, ¡too ¡
• File: ¡Open ¡ ¡Closed ¡
• Java ¡ExcepNon: ¡Cause ¡Not ¡Set ¡ ¡Cause ¡Set ¡
• Different ¡abiliNes ¡depending ¡on ¡the ¡state ¡
• BuBerfly ¡can ¡only ¡fly ¡as ¡an ¡Imago ¡
• read() ¡only ¡available ¡in ¡the ¡Open ¡state ¡of ¡File ¡

States ¡and ¡State ¡Change ¡

1

• Things ¡all ¡around ¡us ¡are ¡changing ¡state ¡
• BuBerfly: ¡Egg ¡ ¡Caterpillar ¡ ¡Chrysalis ¡ ¡Imago ¡
• You: ¡Awake ¡ ¡Asleep ¡
• In ¡Programming, ¡too ¡
• File: ¡Open ¡ ¡Closed ¡
• Java ¡ExcepNon: ¡Cause ¡Not ¡Set ¡ ¡Cause ¡Set ¡
• Different ¡abiliNes ¡depending ¡on ¡the ¡state ¡
• BuBerfly ¡can ¡only ¡fly ¡as ¡an ¡Imago ¡
• read() ¡only ¡available ¡in ¡the ¡Open ¡state ¡of ¡File ¡
• Error ¡when ¡the ¡current ¡state ¡does ¡not ¡support ¡the ¡acNon ¡

States ¡and ¡State ¡Change ¡

1

¡

Describing ¡Objects ¡with ¡State ¡

2

• An ¡Object ¡Protocol ¡[Strom, Yemini ’86] ¡dictates ¡an ¡order ¡on ¡

method ¡calls: ¡

• Has ¡a ¡finite ¡number ¡of ¡abstract ¡states ¡in ¡which ¡different ¡

method ¡calls ¡are ¡valid; ¡

• Specifies ¡transi@ons ¡between ¡abstract ¡states ¡that ¡occur ¡as ¡

a ¡part ¡of ¡some ¡method ¡calls. ¡ ¡

Describing ¡Objects ¡with ¡State ¡

2

• An ¡Object ¡Protocol ¡[Strom, Yemini ’86] ¡dictates ¡an ¡order ¡on ¡

method ¡calls: ¡

• Has ¡a ¡finite ¡number ¡of ¡abstract ¡states ¡in ¡which ¡different ¡

method ¡calls ¡are ¡valid; ¡

• Specifies ¡transi@ons ¡between ¡abstract ¡states ¡that ¡occur ¡as ¡

a ¡part ¡of ¡some ¡method ¡calls. ¡

• State ¡Charts ¡[Harel ’87]: File ¡
• States: ¡File, ¡Open, ¡Closed ¡
• Methods: ¡read(), ¡open(), ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡closed() ¡

• TransiNons: ¡close(), ¡open() ¡

¡

Describing ¡Objects ¡with ¡State ¡

2

¡

Exis@ng ¡Support ¡for ¡States ¡

3

• States ¡exists ¡
• In ¡documentaNon ¡

¡

Exis@ng ¡Support ¡for ¡States ¡

3 /** @throws IllegalStateException if task was already scheduled or

* cancelled, timer was cancelled, or timer thread terminated. */ private void sched(TimerTask task, long time, long period) { … }

• States ¡exists ¡
• In ¡documentaNon ¡

¡

• Encoded ¡as ¡lower-­‑level ¡constructs ¡

Exis@ng ¡Support ¡for ¡States ¡

3 /** @throws IllegalStateException if task was already scheduled or

* cancelled, timer was cancelled, or timer thread terminated. */ private void sched(TimerTask task, long time, long period) { … } if (task.state != TimerTask.VIRGIN) throw new IllegalStateException(…);

• States ¡exists ¡
• In ¡documentaNon ¡

¡

• Encoded ¡as ¡lower-­‑level ¡constructs ¡
• Problems ¡
• States ¡from ¡design ¡are ¡obfuscated ¡
• Code ¡difficult ¡to ¡understand ¡
• If ¡checks ¡forgoBen, ¡results ¡difficult ¡to ¡debug, ¡e.g. ¡ ¡
• Non-­‑specific ¡NullPointerExcep@on ¡
• Data ¡corrupNon ¡(overwriBen ¡TimerTask) ¡

Exis@ng ¡Support ¡for ¡States ¡

3 /** @throws IllegalStateException if task was already scheduled or

* cancelled, timer was cancelled, or timer thread terminated. */ private void sched(TimerTask task, long time, long period) { … } if (task.state != TimerTask.VIRGIN) throw new IllegalStateException(…);

¡

Common ¡and ¡Complex ¡

4

• Common ¡[Beckman ¡‘11] ¡
• 7% ¡of ¡Java ¡classes ¡define ¡object ¡protocols ¡
• 3x ¡as ¡many ¡as ¡define ¡generics ¡
• 13% ¡use ¡them ¡

¡

Common ¡and ¡Complex ¡

4

• Common ¡[Beckman ¡‘11] ¡
• 7% ¡of ¡Java ¡classes ¡define ¡object ¡protocols ¡
• 3x ¡as ¡many ¡as ¡define ¡generics ¡
• 13% ¡use ¡them ¡
• Complex: ¡ ¡

¡

Common ¡and ¡Complex ¡

4

Overview ¡

• ¡ ¡

¡ ¡programming ¡language ¡

– First ¡class ¡states ¡and ¡transiNons ¡

5

Overview ¡

• ¡ ¡

¡ ¡programming ¡language ¡

– First ¡class ¡states ¡and ¡transiNons ¡

• Overview ¡

– Syntax ¡and ¡semanNcs ¡of ¡states ¡and ¡ transiNons ¡ – Trait-­‑based ¡reuse ¡

5

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

class File { private FileResource filePtr = null; } ¡

1) States

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

class File { private FileResource filePtr = null; } ¡

1) States substate of file determined by null-ness of filePtr field

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

state ¡Closed ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ } ¡ state ¡Open ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ } ¡ ¡ class File { private FileResource filePtr = null; } ¡ state ¡File ¡{ ¡ ¡ } ¡

¡ 1) States

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

state ¡Closed ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ } ¡ state ¡Open ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ } ¡ ¡ class File { private FileResource filePtr = null; pubic int read() {…} public void close() {…} public void open() {…} } ¡ state ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ } ¡

¡ 2) Methods

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

state ¡Closed ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡method ¡open() ¡{…} ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ } ¡ state ¡Open ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡method ¡read() ¡{…} ¡ ¡ ¡method ¡close() ¡{…} ¡ } ¡ ¡ class File { private FileResource filePtr = null; pubic int read() {…} public void close() {…} public void open() {…} } ¡ state ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ } ¡

¡ 2) Methods

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

state ¡Closed ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡method ¡open() ¡{…} ¡ ¡ ¡ } ¡ state ¡Open ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡method ¡read() ¡{…} ¡ ¡ ¡method ¡close() ¡{…} ¡ } ¡ ¡ class File { private FileResource filePtr = null; pubic int read() { if (filePtr == null) throw new IOException else … } public void close() {…} public void open() { if (filePtr == null) {…} } } ¡ state ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ } ¡

¡ 2) Methods

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

state ¡Closed ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡method ¡open() ¡{…} ¡ ¡ ¡ } ¡ state ¡Open ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡val ¡filePtr; ¡ ¡ ¡method ¡read() ¡{…} ¡ ¡ ¡method ¡close() ¡{…} ¡ } ¡ ¡ class File { private String filename; private FileResource filePtr = null; pubic int read() { if (filePtr == null) throw new IOException else … } public void close() {…} public void open() { if (filePtr == null) {…} } } ¡ state ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡val ¡filename; ¡ } ¡

¡ 3) Representation

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

state ¡Closed ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡method ¡open() ¡{…} ¡ ¡ ¡ } ¡ state ¡Open ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡val ¡filePtr; ¡ ¡ ¡method ¡read() ¡{…} ¡ ¡ ¡method ¡close() ¡{…} ¡ } ¡ ¡ class File { private String filename; private FileResource filePtr = null; pubic int read() { if (filePtr == null) throw new IOException else … } public void close() {…; filePrt = null;} public void open() { if (filePtr == null) { filePtr = … } } } ¡ state ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡val ¡filename; ¡ } ¡

¡ 4) Transitions

Two ¡Encodings ¡of ¡File ¡

6

state ¡Closed ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡method ¡open() ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡this ¡ ¡Open ¡{ ¡val ¡filePtr ¡= ¡… ¡}; ¡ ¡ ¡ ¡ ¡} ¡ } ¡ state ¡Open ¡case ¡of ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡val ¡filePtr; ¡ ¡ ¡method ¡read() ¡{…} ¡ ¡ ¡method ¡close() ¡{…; ¡this ¡ ¡Closed;} ¡ } ¡ ¡ class File { private String filename; private FileResource filePtr = null; pubic int read() { if (filePtr == null) throw new IOException else … } public void close() {…; filePrt = null;} public void open() { if (filePtr == null) { filePtr = … } } } ¡ state ¡File ¡{ ¡ ¡ ¡val ¡filename; ¡ } ¡

¡ 4) Transitions

• ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡encoding ¡advantages: ¡

– Design ¡salient ¡in ¡the ¡code ¡ – Succinct: ¡fewer ¡explicit ¡checks ¡ – Errors ¡handled ¡safely ¡and ¡informaNvely ¡

Comparison ¡

7

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

• Goal: ¡flexibility ¡of ¡Traits ¡[Ducasse ¡‘06] ¡with ¡benefits ¡of ¡

protocols ¡

– Break ¡protocols ¡up ¡into ¡elemental ¡protocols ¡ – Compose ¡them ¡ 8

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

• ReadStream ¡= ¡PosiNon ¡+ ¡Reader ¡

9

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

• ReadStream ¡= ¡PosiNon ¡+ ¡Reader ¡

9 +

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

• ReadStream ¡= ¡PosiNon ¡+ ¡Reader ¡

9 + Protocols in two separate dimensions

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

• ReadStream ¡= ¡PosiNon ¡+ ¡Reader ¡

¡ 9

state ¡Reading ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡method ¡read() ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡/* ¡read ¡character ¡*/ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡this.next(); ¡ ¡ ¡ ¡ ¡} ¡ } ¡

+

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

• ReadStream ¡= ¡PosiNon ¡+ ¡Reader ¡

¡ 9

state ¡Reading ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡method ¡read() ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡/* ¡read ¡character ¡*/ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡this.next(); ¡ ¡ ¡ ¡ ¡} ¡ } ¡ state ¡NotEnd ¡case ¡of ¡PosiNon ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡method ¡next() ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡/* ¡move ¡posi1on ¡forward ¡*/ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡if ¡(/* ¡at ¡the ¡end ¡*/) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡{ ¡this ¡ ¡End ¡} ¡ ¡ ¡ ¡ ¡} ¡ } ¡

+

+

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

10

val ¡rs ¡= ¡new ¡Reading ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡NotEnd ¡{ ¡val ¡coll ¡= ¡[1,2]; ¡… ¡}; ¡

1 2

+

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

10

val ¡rs ¡= ¡new ¡Reading ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡NotEnd ¡{ ¡val ¡coll ¡= ¡[1,2]; ¡… ¡}; ¡ rs.read(); ¡ ¡

1 2

+

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

10

val ¡rs ¡= ¡new ¡Reading ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡NotEnd ¡{ ¡val ¡coll ¡= ¡[1,2]; ¡… ¡}; ¡ rs.read(); ¡//no ¡state ¡change ¡

1 2

+

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

10

val ¡rs ¡= ¡new ¡Reading ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡NotEnd ¡{ ¡val ¡coll ¡= ¡[1,2]; ¡… ¡}; ¡ rs.read(); ¡//no ¡state ¡change ¡ rs.read(); ¡

1 2

+

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

10

val ¡rs ¡= ¡new ¡Reading ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡NotEnd ¡{ ¡val ¡coll ¡= ¡[1,2]; ¡… ¡}; ¡ rs.read(); ¡//no ¡state ¡change ¡ rs.read(); ¡// ¡this ¡ ¡End ¡

1 2 No change in the Reader dimension!

State ¡Members ¡

¡ 11 Solution: State Members allow the incoming state to be determined dynamically

State ¡Members ¡

¡ 11

state ¡PosiNon ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡val ¡endState ¡= ¡End; ¡ ¡ ¡ ¡ ¡/* ¡… ¡*/ ¡ } ¡

Solution: State Members allow the incoming state to be determined dynamically

State ¡Members ¡

¡ 11

state ¡PosiNon ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡val ¡endState ¡= ¡End; ¡ ¡ ¡ ¡ ¡/* ¡… ¡*/ ¡ } ¡

Solution: State Members allow the incoming state to be determined dynamically

state ¡NotEnd ¡case ¡of ¡PosiNon ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡method ¡next() ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡/* ¡… ¡*/ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡if ¡(/* ¡at ¡the ¡end ¡*/) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡{ ¡this ¡ ¡this.endState ¡} ¡ ¡ ¡ ¡ ¡} ¡ } ¡

+

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

12

val ¡rs ¡= ¡new ¡Reading ¡with ¡ ¡ ¡ ¡NotEnd ¡{ ¡val ¡coll ¡= ¡[1,2]; ¡…; ¡ ¡ ¡ ¡ ¡val ¡endState ¡= ¡ReadEnd ¡with ¡End; ¡}; ¡ rs.read(); ¡//no ¡state ¡change ¡ rs.read(); ¡

1 2

+

Reuse ¡and ¡Composi@on ¡

12

val ¡rs ¡= ¡new ¡Reading ¡with ¡ ¡ ¡ ¡NotEnd ¡{ ¡val ¡coll ¡= ¡[1,2]; ¡…; ¡ ¡ ¡ ¡ ¡val ¡endState ¡= ¡ReadEnd ¡with ¡End; ¡}; ¡ rs.read(); ¡//no ¡state ¡change ¡ rs.read(); ¡// ¡this ¡ ¡ReadEnd ¡with ¡End ¡

1 2 Both dimensions change together!

Reuse ¡

• ReadStream ¡= ¡Reader ¡+ ¡PosiNon ¡

13 +

state ¡Reading ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡method ¡read() ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡/* ¡read ¡character ¡*/ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡this.next(); ¡ ¡ ¡ ¡ ¡} ¡ } ¡ state ¡ReadStream ¡= ¡PosiNon ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡val ¡endState ¡= ¡ReadEnd ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡End; ¡ } ¡with ¡Reader ¡

Reuse ¡

• Reuse ¡as ¡a ¡WriteStream ¡= ¡Writer ¡+ ¡PosiNon ¡

state ¡WriNng ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡method ¡write() ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡/* ¡write ¡character ¡*/ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡this.next(); ¡ ¡ ¡ ¡ ¡} ¡ } ¡ state ¡WriteStream ¡= ¡PosiNon ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡val ¡endState ¡= ¡WriteEnd ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡End; ¡ } ¡with ¡Writer ¡

+ 14

Reuse ¡

• Or ¡as ¡a ¡ReadWriteStream ¡= ¡Reader ¡+ ¡Writer ¡+ ¡PosiNon ¡

state ¡ReadWriteStream ¡= ¡PosiNon ¡{ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡val ¡endState ¡= ¡ReadEnd ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡WriteEnd ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡End; ¡ } ¡with ¡Reader ¡with ¡Writer; ¡

+ 15 +

Conclusion ¡

• Object ¡Protocols ¡in ¡Plaid ¡are ¡

– More ¡concise, ¡understandable, ¡and ¡safer ¡ – Reusable ¡and ¡composable ¡

16

Conclusion ¡

• Object ¡Protocols ¡in ¡Plaid ¡are ¡

– More ¡concise, ¡understandable, ¡and ¡safer ¡ – Reusable ¡and ¡composable ¡

• Open ¡up ¡new ¡possibiliNes ¡

– VisualizaNon ¡tools ¡ – More ¡helpful ¡error ¡messages ¡ ¡ – StaNc ¡checking ¡

16

Conclusion ¡

• Object ¡Protocols ¡in ¡Plaid ¡are ¡

– More ¡concise, ¡understandable, ¡and ¡safer ¡ – Reusable ¡and ¡composable ¡

• Open ¡up ¡new ¡possibiliNes ¡

– VisualizaNon ¡tools ¡ – More ¡helpful ¡error ¡messages ¡ ¡ – StaNc ¡checking ¡

– ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Demo, ¡2pm ¡Galleria ¡III ¡

16