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[paper-els-specializers.git] / els-specializers.org
index d7e129df5a32090cae7ee9c98e8ac209ad957948..e2230e6b53244e33faa1364fd7365085ca9d289d 100644 (file)
   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
+  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
   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
-   NB this example can be done using filtered dispatch, with a filter
-   calling =car= on cons arguments.
-
-   Note also that there's no real need for =cons-specializer= and
-   =cons-generalizer= to be distinct classes (as with =class= and
-   =class=).  Also true for =signum=, below; but more interesting
-   dispatch reveals the need to split.
+   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)))
   (and (consp o) (eql (car o) (%car s))))
 
 #| less interesting methods elided: jmoringe: (un)parsing, specializer<?, more? |#
-
-#| XXX insert motivating example from Newton/Rhodes here |#
 #+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
 #| 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:
+   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)
@@ -203,57 +269,65 @@ reasons of space, we can implement the factorial function as follows:
 (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)
-
-| fact (signum-gf) | %fact (fun) | %%fact (gf / 1meth) | fact (signum-gf / 1arg hash-special-case) |
-|------------------+-------------+---------------------+-------------------------------------------|
-|            0.284 |       0.004 |               0.016 |                                     0.032 |
-|            0.076 |       0.008 |               0.012 |                                     0.024 |
-|            0.072 |       0.004 |               0.012 |                                     0.116 |
-|            0.264 |       0.004 |               0.008 |                                     0.120 |
-|            0.292 |       0.008 |               0.012 |                                     0.120 |
-|            0.264 |       0.004 |               0.016 |                                     0.084 |
-|            0.276 |       0.008 |               0.012 |                                     0.092 |
-|            0.264 |       0.008 |               0.012 |                                     0.036 |
-|            0.276 |       0.008 |               0.004 |                                     0.104 |
-|            0.272 |       0.004 |               0.012 |                                     0.020 |
+   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.
 
-#+begin_src lisp
-(progn (gc :full t) (time (dotimes (i 10000) (%fact 20))))
-#+end_src
-** HTTP Accept header
-   implement RFC2616 content negotiation
+   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)
 
-   NB this definitely can't be done with filtered dispatch, except by
-   generating anonymous classes with all the right mime-types as
-   direct superclasses in dispatch order,so the filter does
 #+begin_src lisp
-(ensure-class nil :direct-superclasses '(text/html image/webp ...))
+(progn (gc :full t) (time (dotimes (i 10000) (%fact 20))))
 #+end_src
-   and dispatch is defined by using those classes.  And that's even
-   more awkward than it sounds, because that means that in principle
-   all the mime types in the universe need an existence as classes, to
-   cater for arbitrary mime types in accept headers.  And handling
-   wildcards is pretty much impossible, too.  See that in
-   =specializer<= which involves a nontrivial ordering of methods
-   (whereas in two above previous cases only a single extended
-   specializer could be applicable to any given argument)
-
-   Also of interest: note that we can have these
-   specializer/generalizers handle arbitrary objects: the =string= and
-   =tbnl:request= methods are independent of each other; this
-   generalizes to dealing with multiple web server libraries.
 
-   jmoringe: the name =accept-specializer=, while sensible, may
-   confusing in this context because "accept" occurs as part of the
-   protocol with a different semantic.
+   | 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)
@@ -282,8 +356,9 @@ mop:specializer) (generalizer accept-generalizer))
            ((= q1 q2) '=)
            ((< q1 q2) '>)
            (t '<))))))
+#+end_src
 
-;; here are the only methods that actually know about TBNL
+#+begin_src
 (defmethod generalizer-of-using-class ((gf accept-generic-function) (arg tbnl:request))
   (make-instance 'accept-generalizer
                  :header (tbnl:header-in :accept arg)
@@ -292,8 +367,38 @@ mop:specializer) (generalizer accept-generalizer))
 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.
 
-;; we can define methods on STRING too, for debugging/simulation purposes
+#+begin_src lisp
 (defmethod generalizer-of-using-class ((gf accept-generic-function) (s string))
   (make-instance 'accept-generalizer
                  :header s
@@ -301,13 +406,9 @@ est))
 (defmethod specializer-accepts-p ((s accept-specializer) (string string))
   (q (media-type s) (parse-accept-string string)))
 #+end_src
-
-   jmoringe: The role of =accept-generalizer.tree= and the =q=
-   function are hard to understand and may require some
-   explanation. However, the example with its distinct, asymmetric
-   specializers/generalizers, =accept-generalizer.next= and
-   =specializer<= is likely worth it.
-
+   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
@@ -357,7 +458,7 @@ est))
      think, we didn't finish the discussion regarding special
      variables vs. environment vs. new protocol function
 * Related Work
-  - [ ] Newton/Rhodes
+  - [ ] 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
@@ -378,6 +479,18 @@ est))
     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