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@@ -1,7 +1,496 @@
 #+TITLE: Generalizers: New Metaobjects for Generalized Dispatch
-#+AUTHOR: Christophe Rhodes
+#+AUTHOR: Christophe Rhodes, Jan Moringen, David Lichteblau
+#+OPTIONS: toc:nil
 
+#+LaTeX_HEADER: \usepackage[margin=1in]{geometry}
 
-#+BEGIN_ABSTRACT
-Foo
-#+END_ABSTRACT
+#+begin_abstract
+1. This paper introduces a new metaobject, the generalizer, which
+   complements the existing specializer metaobject.
+2. With the help of examples, we show that this metaobject allows for
+   the efficient implementation of complex non-class-based dispatch
+   within the framework of existing metaobject protocols
+3. We present the generalizer protocol, implemented within the SBCL
+   implementation of Common Lisp
+4. In combination with previous work, this produces a fully-functional
+   extension of the existing mechanism for method selection and
+   effective method computation, including support for standard and
+   user-defined method combination independent from method selection.
+#+end_abstract
+
+* Introduction
+  The revisions to the original Common Lisp language \cite{CLtL1}
+  included the detailed specification of an object system, known as
+  the Common Lisp Object System (CLOS), which was eventually
+  standardized as part of the ANSI Common Lisp standard \cite{CLtS}.
+  The object system as presented to the standardization committee was
+  formed of three parts, the first two of which covered XXX [what?]
+  and were incorporated into the final standard, and the third,
+  covering a Metaobject Protocol (MOP) for CLOS, was not.
+
+  Nevertheless, the CLOS MOP has proven to be a robust design, and
+  while many implementations have derived their implementations of
+  CLOS from either the Closette illustrative implementation in
+  \cite{AMOP}, or the Portable Common Loops implementation of CLOS
+  from Xerox Parc, there have been from-scratch reimplementations of
+  CLOS (in at least CLISP; check for others -- ABCL?  Lisp500?!)
+  incorporating the majority of the Metaobject Protocol as described.
+
+  Although it has stood the test of time, the MOP is neither without
+  issues (e.g. M-M-L considered harmful; slot-definition initargs
+  issue) nor a complete framework for the metaprogrammer to implement
+  all conceivable variations of object-oriented behaviour; indeed,
+  while metaprogramming offers some possibilities for customization of
+  the object system behaviour, those possibilities cannot extend
+  arbitrarily in all directions.  There is still an expectation that
+  functionality is implemented with methods on generic functions,
+  acting on objects with slots.  [XXX find Paepke picture here?  Not
+  Paepke; AMOP?].  XXX include typical examples of MOP: object
+  persistence; maybe ref. Kizcales "MOPs: why we want them and what
+  else they can do"? (Fig. 2 in that is good) ORMs; sparse slots.
+  jmoringe:
+  + introspection, e.g. documentation generation
+  + programmatic construction of classes and generic functions
+    e.g. for IDL compilers, model transformations
+
+  One area of functionality where there is scope for customization by
+  the metaprogrammer is in the mechanics and semantics of method
+  applicability and dispatch.  While in principle AMOP allows
+  customization of dispatch in various different ways (the
+  metaprogrammer can define methods on protocol functions such as
+  =compute-applicable-methods=,
+  =compute-applicable-methods-using-classes=), for example, in
+  practice implementation support for this was weak until relatively
+  recently (ref. closer, also check how ContextL and filtered dispatch
+  are implemented).
+  jmoringe: filtered dispatch uses a custom method combination, i
+  think
+
+  Another potential mechanism for customizing dispatch is implicit in
+  the class structure defined by AMOP: standard specializer objects
+  (instances of =class= and =eql-specializer=) are generalized
+  instances of the =specializer= protocol class, and in principle
+  there are no restrictions on the metaprogrammer constructing
+  additional subclasses.  Previous work [Newton/Rhodes] has explored
+  the potential for customizing generic function dispatch using
+  extended specializers, but as of that work the metaprogrammer must
+  override the entirety of the generic function invocation protocol
+  (from =compute-discriminating-function= on down), leading to toy
+  implementations and duplicated effort.
+
+  This paper introduces a protocol for efficient and controlled
+  handling of arbitrary subclasses of =specializer=.  In particular,
+  it introduces the =generalizer= protocol class, which generalizes
+  (ahem) the return value of =class-of=, and allows the metaprogrammer
+  to hook into cacheing schemes to avoid needless recomputation of
+  effective methods for sufficiently similar generic function
+  arguments (See Figure\nbsp\ref{fig:dispatch}).
+
+  #+CAPTION:    Dispatch Comparison
+  #+LABEL:      fig:dispatch
+  #+ATTR_LATEX: width=0.9\linewidth float
+  [[file:figures/dispatch-comparison.pdf]]
+
+  The remaining sections in this paper can be read in any order.  We
+  give some motivating examples in section XX, including
+  reimplementations of examples from previous work, as well as
+  examples which are poorly supported by previous protocols.  We
+  describe the protocol itself in section YY, describing each protocol
+  function in detail and, where applicable, relating it to existing
+  protocol functions within the CLOS MOP.  We survey related work in
+  more detail in section ZZ, touching on work on customized dispatch
+  schemes in other environments.  Finally, we draw our conclusions
+  from this work, and indicate directions for further development, in
+  section WW; reading that section before the others indicates
+  substantial trust in the authors' work.
+* Examples
+  In this section, we present a number of examples of dispatch
+  implemented using our protocol, which we describe in section YY.
+  For reasons of space, the metaprogram code examples in this section
+  do not include some of the necessary support code to run; complete
+  implementations of each of these cases are included in an appendix /
+  in the accompanying repository snapshot / at this location.
+
+  A note on terminology: we will attempt to distinguish between the
+  user of an individual case of generalized dispatch (the
+  “programmer”), the implementor of a particular case of generalized
+  dispatch (the “metaprogrammer”), and the authors as the designers
+  and implementors of our generalized dispatch protocol (the
+  “metametaprogammer”, or more likely ”we”).
+
+  - [ ] =cons-specializer= (can be done using filtered dispatch)
+  - [ ] factorial (like filtered dispatch)
+  - [ ] HTTP Accept header
+  - [ ] xpattern
+  - [ ] prototype/multimethod
+** car-of-cons
+   We start by presenting our original use case, performing
+   dispatching on the first element of lists.  Semantically, we allow
+   the programmer to specialize any argument of methods with a new
+   kind of specializer, =cons-specializer=, which is applicable if and
+   only if the corresponding object is a =cons= whose =car= is =eql=
+   to the symbol associated with the =cons-specializer=; these
+   specializers are more specific than the =cons= class, but less
+   specific than an =eql-specializer= on any given =cons=.
+
+   One motivation for the use of this specializer is in an extensible
+   code walker: a new special form can be handled simply by writing an
+   additional method on the walking generic function, seamlessly
+   interoperating with all existing methods.
+   The programmer code using these specializers is unchanged from
+   \cite{Newton.Rhodes.2008}; the benefits of the protocol described
+   here are centered on performance: in an application such as walking
+   source code, we would expect to encounter special forms
+   (distinguished by particular atoms in the =car= position) multiple
+   times, and hence to dispatch to the same effective method
+   repeatedly.
+#+begin_src lisp
+(defclass cons-specializer (specializer)
+  ((%car :reader %car :initarg :car)))
+(defclass cons-generalizer (generalizer)
+  ((%car :reader %car :initarg :car)))
+(defmethod generalizer-of-using-class ((gf cons-generic-function) arg)
+  (typecase arg
+    ((cons symbol) (make-instance 'cons-generalizer :car (car arg)))
+    (t (call-next-method))))
+(defmethod generalizer-equal-hash-key ((gf cons-generic-function)
+                                       (g cons-generalizer))
+  (%car g))
+(defmethod specializer-accepts-generalizer-p ((gf cons-generic-function)
+                                              (s cons-specializer)
+                                              (g cons-generalizer))
+  (if (eql (%car s) (%car g))
+      (values t t)
+      (values nil t)))
+(defmethod specializer-accepts-p ((s cons-specializer) o)
+  (and (consp o) (eql (car o) (%car s))))
+
+#| less interesting methods elided: jmoringe: (un)parsing, specializer<?, more? |#
+#+end_src
+#+begin_src
+(defgeneric walk (form env vars)
+  (:generic-function-class cons-generic-function))
+(defmethod walk ((expr (cons lambda)) env call-stack)
+  (let ((lambda-list (cadr expr))
+        (body (cddr expr)))
+    (with-checked-bindings ((bindings-from-ll lambda-list) env call-stack)
+      (dolist (form body)
+        (walk form env (cons form call-stack))))))
+(defmethod walk ((expr (cons let)) env call-stack)
+  (with-checked-bindings ((mapcar (lambda (x) (walk (cadr x) env (cons (cadr x) call-stack)) (cons (car  x) (make-instance 'binding))) (cadr expr)) env call-stack)
+    (dolist (form (cddr expr))
+      (walk form env (cons form call-stack)))))
+#+end_src
+
+   | implementation        | time (ms / 100k calls) | overhead |
+   |-----------------------+------------------------+----------|
+   | cons-gf/no-cache      |                   9000 |   +2700% |
+   | cons-gf               |                   1500 |    +370% |
+   | cons-gf/one-arg-cache |                    740 |    +130% |
+   | gf/methods            |                    360 |     +14% |
+   | function              |                    317 |          |
+
+   Note that in this example there is no strict need for
+   =cons-specializer= and =cons-generalizer= to be distinct classes –
+   just as in the normal protocol involving
+   =compute-applicable-methods= and
+   =compute-applicable-methods-using-classes=, the specializer object
+   for mediating dispatch contains the same information as the object
+   representing the equivalence class of objects to which that
+   specializer is applicable: here it is the =car= of the =cons=
+   object; in the standard dispatch it is the =class= of the object.
+   This feature also characterizes those use cases where the
+   metaprogrammer could straightforwardly use filtered dispatch
+   \cite{Costanza.etal:2008} to implement their dispatch semantics.
+   We will see in section XX.x an example of a case where filtered
+   dispatch is incapable of efficiently implementing the dispatch, but
+   first we present our implementation of the motivating case from
+   \cite{Costanza.etal:2008}.
+** signum
+   Our second example of the implementation and use of generalized
+   specializers is a reimplementation of one of the examples in
+   \cite{Costanza.etal:2008}: specifically, the factorial function.
+   Here, we will perform dispatch based on the =signum= of the
+   argument, and again, at most one method with a =signum= specializer
+   will be appliable to any given argument, which makes the structure
+   of the specializer implementation very similar to the =cons=
+   specializers in the previous section.
+
+   We have chosen to compare signum values using \texttt{=}, which
+   means that a method with specializer =(signum 1)= will be
+   applicable to positive floating-point arguments (see the first
+   method on =specializer-accepts-generalizer-p= and the method on
+   =specializer=accepts-p= below).  This leads to one subtle
+   difference in behaviour compared to that of the =cons=
+   specializers: in the case of =signum= specializers, the /next/
+   method after any =signum= specializer can be different, depending
+   on the class of the argument.  This aspect of the dispatch is
+   handled by the second method on =specializer-accepts-generalizer-p=
+   below.
+#+begin_src lisp
+(defclass signum-specializer (specializer)
+  ((%signum :reader %signum :initarg :signum)))
+(defclass signum-generalizer (generalizer)
+  ((%signum :reader %signum :initarg :signum)))
+(defmethod generalizer-of-using-class ((gf signum-generic-function) arg)
+  (typecase arg
+    (real (make-instance 'signum-generalizer :signum (signum arg)))
+    (t (call-next-method))))
+(defmethod generalizer-equal-hash-key ((gf signum-generic-function)
+                                       (g signum-specializer))
+  (%signum g)) ; this will create multiple entries for the same emf, but that's OK
+(defmethod specializer-accepts-generalizer-p ((gf signum-generic-function)
+                                              (s signum-specializer)
+                                              (g signum-generalizer))
+  (if (= (%signum s) (%signum g)) ; or EQL?
+      (values t t)
+      (values nil t)))
+
+;; this method is perhaps interesting enough to talk about?
+(defmethod specializer-accepts-generalizer-p ((gf signum-generic-function) (specializer sb-mop:specializer) (thing signum-specializer))
+  (specializer-accepts-generalizer-p gf specializer (class-of (%signum thing))))
+
+
+(defmethod specializer-accepts-p ((s signum-specializer) o)
+  (and (realp o) (= (%signum s) (signum o))))
+
+#| again elide more boring methods |#
+#+end_src
+
+   Given these definitions, and some more straightforward ones elided
+   for reasons of space, we can implement the factorial function as
+   follows:
+
+#+begin_src lisp
+(defgeneric fact (n)
+  (:generic-function-class signum-generic-function))
+(defmethod fact ((n (signum 0))) 1)
+(defmethod fact ((n (signum 1))) (* n (fact (1- n))))
+#+end_src
+
+   We do not need to include a method on =(signum -1)=, as the
+   standard =no-applicable-method= protocol will automatically apply to
+   negative real or non-real arguments.
+
+   Benchmarketing: we chose to benchmark 20! because that is the
+   largest factorial whose answer fits in SBCL's 63-bit fixnums, so as
+   to attempt to measure the maximum effect of dispatch (unobscured by
+   allocation / gc issues)
+
+#+begin_src lisp
+(progn (gc :full t) (time (dotimes (i 10000) (%fact 20))))
+#+end_src
+
+   | implementation          | time (ms/10k calls) | overhead |
+   |-------------------------+---------------------+----------|
+   | signum-gf/no-cache      |                2400 |  +41000% |
+   | signum-gf               |                 230 |   +3800% |
+   | signum-gf/one-arg-cache |                  75 |   +1100% |
+   | gf/fixnum               |                  12 |    +100% |
+   | function                |                 6.0 |          |
+
+   We could allow the metaprogrammer to improve on the one-argument
+   performance by constructing a specialized cache: for =signum=
+   arguments of =rational= arguments, the logical cache structure is
+   to index a three-element vector with =(1+ signum)=.  The current
+   protocol does not provide a way of eliding the two generic function
+   calls for the generic cache; we discuss possible approaches in
+   section WW.
+** HTTP Accept header
+   In this section, we implement a non-trivial form of dispatch.  The
+   application in question is a web server, and specifically to allow
+   the programmer to support RFC 2616 \cite{rfc2616} content
+   negotiation, of particular interest to publishers and consumers of
+   REST-style Web APIs.
+
+   The basic mechanism in content negotiation is as follows: the web
+   client sends an HTTP request with an =Accept:= header, which is a
+   string describing the media types it is willing to receive as a
+   response to the request, along with numerical preferences.  The web
+   server compares these stated client preferences with the resources
+   it has available to satisfy this request, and sends the best
+   matching resource in its response.
+
+   In the case where there are static files on the filesystem, and the
+   web server must merely select between them, there is not much more
+   to say.  However, it is not unusual for a web service to be backed
+   by some other form of data, and responses computed and sent on the
+   fly, and in these circumstances the web server must compute which
+   of its known output formats it can use to satisfy the request
+   before actually generating the best matching response.
+
+   The =accept-specializer= below implements the dispatch.  It depends
+   on a lazily-computed =tree= slot to represent the information in
+   the accept header (generated by =parse-accept-string=), and a
+   function =q= to compute the (defaulted) preference level for a
+   given content-type and =tree=; then, method selection and ordering
+   involves finding the =q= for each =accept-specializer='s content
+   type given the =tree=, and sorting them according to the preference
+   level.
+
+#+begin_src lisp
+(defclass accept-specializer (extended-specializer)
+  ((media-type :initarg :media-type :reader media-type)))
+(defclass accept-generalizer ()
+  ((header :initarg :header :reader header)
+   (tree)
+   (next :initarg :next :reader next)))
+(defmethod generalizer-equal-hash-key
+    ((gf accept-generic-function) (g accept-generalizer))
+   `(accept-generalizer ,(header g)))
+(defmethod specializer-accepts-generalizer-p ((gf accept-generic-function) (s acc
+ept-specializer) (generalizer accept-generalizer))
+  (values (q (media-type s) (tree generalizer)) t))
+(defmethod specializer-accepts-generalizer-p ((gf accept-generic-function) (s sb-
+mop:specializer) (generalizer accept-generalizer))
+  (specializer-accepts-generalizer-p gf s (next generalizer)))
+
+(defmethod specializer< ((gf accept-generic-function) (s1 accept-specializer) (s2
+ accept-specializer) generalizer)
+  (cond
+    ((string= (media-type s1) (media-type s2)) '=)
+    (t (let ((q1 (q (media-type s1) (tree generalizer)))
+             (q2 (q (media-type s2) (tree generalizer))))
+         (cond
+           ((= q1 q2) '=)
+           ((< q1 q2) '>)
+           (t '<))))))
+#+end_src
+
+#+begin_src
+(defmethod generalizer-of-using-class ((gf accept-generic-function) (arg tbnl:request))
+  (make-instance 'accept-generalizer
+                 :header (tbnl:header-in :accept arg)
+                 :next (class-of arg)))
+(defmethod specializer-accepts-p ((specializer accept-specializer) (obj tbnl:requ
+est))
+  (q (media-type specializer) (parse-accept-string (tbnl:header-in :accept obj)))
+)
+#+end_src
+
+   This dispatch can't be done with filtered dispatch, except by
+   generating anonymous classes with all the right mime-types as
+   direct superclasses in dispatch order; the filter would generate
+#+begin_src lisp
+(ensure-class nil :direct-superclasses '(text/html image/webp ...))
+#+end_src
+   and dispatch the operates using those anonymous classes.
+
+   While this is possible to do, it is awkward to express content-type
+   negotiation in this way, as it means that the dispatcher must know
+   about the universe of mime-types that clients might declare that
+   they accept, rather than merely the set of mime-types that a
+   particular generic function is capable of serving; handling
+   wildcards in accept strings is particularly awkward in the
+   filtering paradigm.
+
+   Note that in this example, the method on =specializer<= involves a
+   nontrivial ordering of methods based on the =q= values specified in
+   the accept header (whereas in sections XX.1 and XX.2 only a single
+   extended specializer could be applicable to any given argument).
+
+   Also note that the accept specializer protocol is straightforwardly
+   extensible to other suitable objects; for example, one simple
+   debugging aid is to define that an =accept-specializer= should be
+   applicable to =string= objects.  This can be done in a modular
+   fashion (see source example NN), and generalizes to dealing with
+   multiple web server libraries, so that content-negotiation methods
+   are applicable to each web server's request objects.
+
+#+begin_src lisp
+(defmethod generalizer-of-using-class ((gf accept-generic-function) (s string))
+  (make-instance 'accept-generalizer
+                 :header s
+                 :next (class-of s)))
+(defmethod specializer-accepts-p ((s accept-specializer) (string string))
+  (q (media-type s) (parse-accept-string string)))
+#+end_src
+   jmoringe: the name =accept-specializer=, while sensible, may
+   confusing in this context because "accept" occurs as part of the
+   protocol with a different semantic.
+** Pattern / xpattern / regex / optima
+   Here's the /really/ interesting bit, but on the other hand we're
+   probably going to run out of space, and the full description of
+   these is going to take us into =make-method-lambda= territory.
+   A second paper?  Future work?
+* Protocol
+** Generalizer
+   - [ ] =generalizer-of-using-class= (NB class of gf not class of object)
+   - [ ] =compute-applicable-methods-using-generalizers=
+   - [ ] =generalizer-equal-hash-key=
+   - [ ] =specializer-accepts-generalizer-p=
+   - [ ] =specializer-accepts-p=
+   - [ ] =specializer<=
+     jmoringe: If I remember correctly, closette has
+     =method-more-specific-p= should we aim for parity with that and
+     use =specializer-more-specific-p=? The downside would be that
+     =-p= indicates a Boolean return value which is not the case here.
+** Full protocol
+   Description and specification left for reasons of space (we'll see?)
+   - [ ] =same-specializer-p=
+   - [ ] =parse/unparse-specializer-using-class=
+   - [ ] =make-method-specializers-form=
+   - [ ] jmoringe: In an email, I suggested
+     =make-specializer-form-using-class=:
+
+     #+begin_quote
+     Could we change =make-method-specializers-form='s default
+     behaviour to call a new generic function
+     #+begin_src
+       make-specializer-form-using-class gf method name env
+     #+end_src
+     with builtin methods on =sb-mop:specializer=, =symbol=, =cons= (for
+     eql-specializers)? This would make it unnecessary to repeat
+     boilerplate along the lines of
+     #+begin_src lisp
+     (flet ((make-parse-form (name)
+              (if <name-is-interesting>
+                <handle-interesting-specializer>
+                <repeat-handling-of-standard-specializers>)))
+       `(list ,@(mapcar #'make-parse-form specializer-names)))
+     #+end_src
+     for each generic function class.
+     #+end_quote
+   - [ ] =make-method-lambda= revision (use environment arg?)
+
+     jmoringe: would only be relevant for pattern dispatch, right? I
+     think, we didn't finish the discussion regarding special
+     variables vs. environment vs. new protocol function
+* Related Work
+  - [ ] Newton/Rhodes, obv
+  - [ ] filtered dispatch -- the point is that our work continues to
+    be useful in cases where there are unbounded numbers of
+    equivalence classes but each given invokation involves a small
+    number of methods.
+  - [ ] ContextL / context-oriented programming -- dispatch occurs on
+    hidden layer argument being an instance of an anonymous class with
+    suitably arranged superclasses -- OK because set of layers is
+    bounded and under programmer control
+  - [ ] http://soft.vub.ac.be/Publications/2010/vub-tr-soft-10-04.pdf
+  - [ ] http://soft.vub.ac.be/lambic/files/lambic-ilc09.pdf
+  - [ ] http://soft.vub.ac.be/Publications/2011/vub-soft-phd-11-03.pdf
+  - [ ] Prototypes with Multiple Dispatch
+    http://sauerbraten.org/lee/ecoop.pdf -- extension of Self-style
+    object system to handle multiple equally-privileged "receivers".
+    A good test case for our protocol; handled adequately with
+    generalizer being the tuple of (roles,delegations), with some
+    thought needed for method redefinitions but otherwise working
+    fine.
+  - [ ] Sheeple
+* Conclusions
+  - protocol for straightforward definition of custom dispatch
+    + interoperates seamlessly with rest of CLOS: method combination,
+      etc.
+    + tolerably efficient: two extra standard gf invokations and one
+      hash table lookup per call on the fast path (but more to be
+      done)
+    + expressive: handles foms of dispatch not handled elsewhere; all
+      the usual niceties of redefinition, modularity, introspection
+** Future Work
+   - compute-cache-handling-functions (and general speed issues)
+   - automatic pattern-specializer generalizer computation
+   - prototype-oriented progamming a la Slate.
+** Acknowledgments
+   We thank Lee Salzman, Pascal Costanza, Mikel Evins for their
+   helpful discussions