大规模Tierless Web编程中的模块化与分离编译的支持

to respect a common interface between the two programs. Thisconstraint is usually not checked automatically, and it is the respon-sibility of the programmer to ensure that the two programs behavein a coherent manner. Of course, such checking is often error-prone.This issue, present in the Web since its inception, has become evenmore relevant in modern Web applications. Furthermore, the unit ofcomposition here is a whole file (or compilation unit): files containeither client code or server code but cannot be composed of bothclient and server code. Such composition is very coarse-grainedand hinders the modularity of Web programming libraries.One goal of a modern client-server Web application frameworkshould be to make it possible to build dynamic Web pages in acomposable way. One should be able to define on the server a func-tion that creates a fragment of a page together with its associatedclient-side behavior; this behavior might depend on the functionparameters. The so-called tierless languages aim to solve such mod-ularity issues by allowing to compose tiers inside expressions, byallowing to freely intersperse the client and server parts of the ap-plication in one language with seamless communication. For mostof these languages, the program is sliced in two: a part which runson the server and a part which is compiled to JavaScript and runson the client. This allows to write libraries and widgets with bothclient and server behaviors. It also provides static guarantees aboutclient-server separation and a fine-grained notion of composition.However, programming large-scale software and libraries stillrequires a form of larger-scale composition. Indeed, parts of a li-brary could be entirely on the server or on the client. Most tierlesslanguages do not support such modular approach to program ar-chitecture. Even worse, almost no tierless programming languagessupport separate compilation. Separate compilation, or its weakerform incremental compilation, is an essential-productivity boostfor programmers working on medium to large scale software.To solve these problems, we propose to leverage a well-knowntool: ML-style modules. By doing so, we gain a convenient para-digm for organizing large-scale software and support for separatecompilation on top of the gains provided by tierless programminglanguages. Our module system is built as a complement to Eliom,a tierless web programming language built on top of OCaml, andretains its good properties such as static typing of client-servercommunications and an efficient excution model.6810大规模Tierless Web编程0Gabriel Radanne University ofFreiburg Germanyradanne@informatik.uni-freiburg.de0Jérôme Vouillon IRIF UMR 8243 CNRS UnivParis Diderot, Sorbonne Paris Cité – CNRSBeSport, Paris, France jerome.vouillon@irif.fr0摘要0TierlessWeb编程语言允许在单个程序中结合客户端和服务器端编程。这样可以定义具有客户端和服务器部分的表达式，并同时提供关于客户端-服务器通信的良好静态保证。然而，这些良好的特性是有代价的：大多数Tierless语言对模块化和分离编译的支持非常差。为了恢复这种模块化并提供更大规模的组合概念，我们提议利用一个众所周知的工具：ML风格的模块。在现代ML语言中，模块系统是与表达式语言分离的一层。Eliom是OCaml的扩展，用于TierlessWeb编程，它提供了类型安全的通信和高效的执行模型。在本文中，我们介绍了Eliom模块系统如何将TierlessWeb编程语言的灵活性与强大的模块系统相结合，从而为抽象、模块化和分离编译提供良好的支持。我们还展示了在提供与OCaml及其生态系统的无缝集成的同时，我们可以提供所有这些优势。0CCS概念0• 软件及其工程 → 函数式语言；0关键词0Web；客户端/服务器；OCaml；ML；Eliom；函数式；模块0ACM参考格式：Gabriel Radanne和JérômeVouillon。2018年。大规模TierlessWeb编程。在2018年Web会议伴侣，2018年4月23日至27日，法国里昂。ACM，美国纽约，9页。https://doi.org/10.1145/3184558.318595301 引言0本论文采用知识共享署名4.0国际许可证（CC BY4.0）发布。作者保留在个人和公司网站上传播作品的权利，并附有适当的归属。WWW'18Companion，2018年4月23日至27日，法国里昂，© 2018IW3C2（国际万维网会议委员会），根据创作共用CC BY 4.0许可证发布。ACM ISBN978-1-4503-5640-4/18/04。https://doi.org/10.1145/3184558.318595301.1 模块0在现代ML语言中，模块语言与表达式语言是分开的。虽然表达式语言允许进行“小规模”编程，但模块语言允许进行“大规模”编程。在大多数语言中，模块是编译单元：一个文件中的简单类型和值声明的集合。SML模块语言[19]使用了这个声明集合的概念，并通过类型（模块规范或签名）、函数（参数化模块或函数器）和函数应用来扩展它，形成了一个小型的类型化函数语言。这样的模块系统可以实现分离编译[16]，并提供数据类型抽象的支持[8,17]，从而允许隐藏给定类型的实现以强制执行某些不变量。在ML编程语言的历史中，ML风格的模块已经被非正式地证明是非常有表现力的软件架构工具。特别是，函数器允许通过抽象整个模块来编写通用实现。OCaml语言提供了这样一个模块系统，还扩展了各种其他构造，如包类型[32]（也称为一级模块）。一个独特的特点是OCaml中的模块是运行时实体。与MLton [23]等系统相比，它们不会在编译时被消除。0Track: Web Programming WWW 2018, 2018年4月23日至27日，法国里昂Eliom [29, 30] is an extension of OCaml for tierless programmingthat supports composable and typesafe client-server interactions. Itprovides fine-grained modularity by allowing to manipulate on theserver, as first class values, fragments of code which will be executedon the client. Eliom is part of the larger Ocsigen [2, 11] project,which also includes the compiler js_of_ocaml [38], a Web server,and various related libraries to build client-server applications.Besides the language presented here, Eliom comes with a completeset of modules, for server and/or client side Web programming,such as RPCs; a functional reactive library for Web programming;a GUI toolkit [25]; a powerful session mechanism and an advancedservice identification mechanism [1]. The Ocsigen project startedin 2004, as a research project, with the goal of building a completeindustrial-strength framework.6820Eliom[29,30]是用于无层次编程的OCaml扩展，支持可组合和类型安全的客户端-服务器交互。它通过允许在服务器上操作代码片段作为一等值来提供细粒度的模块化，这些代码片段将在客户端上执行。Eliom是更大的Ocsigen[2,11]项目的一部分，该项目还包括编译器js_of_ocaml[38]、Web服务器和各种相关库，用于构建客户端-服务器应用程序。除了这里介绍的语言，Eliom还提供了一套完整的模块，用于服务器端和/或客户端Web编程，例如RPC；用于Web编程的函数反应库；GUI工具包[25]；强大的会话机制和先进的服务识别机制[1]。Ocsigen项目始于2004年，作为一个研究项目，旨在构建一个完整的工业级框架。01.2 Eliom01.3 用于无层次Web编程的模块0Ocsigen中的所有模块和库，特别是Eliom框架中的模块和库，都是在由Radanne等人描述的核心语言之上实现的[30]。这个核心语言的设计受到四个互补目标的指导：客户端和服务器代码的易组合性、客户端和服务器之间的类型安全通信、易于推理的显式通信和高效的执行模型。我们引入了驱动我们模块语言设计的其他属性：0与宿主语言的集成。Eliom是OCaml的扩展。我们应该能够利用OCaml的语言和生态系统。OCaml库可以在服务器端、客户端或两者上都很有用。因此，任何OCaml文件，即使使用常规的OCaml编译器编译，也是一个有效的Eliom模块。此外，我们可以指定是否要在客户端、服务器端或全局使用给定的库。抽象化。模块语言是非常强大的抽象化工具。通过只公开模块的一部分，程序员可以安全地隐藏实现细节并强制执行特定属性。Eliom利用模块抽象化为小部件和库提供封装和关注点分离。通过结合模块抽象化和无层次特性，库的作者可以提供良好的API，而不会向用户公开客户端-服务器通信的细节。0模块化和分离编译。现代Web应用程序远非简单的网站，其规模与常规桌面程序相当。模块化和分离编译是使程序员能够为大型应用程序提高生产力的关键工具。Eliom是唯一提供静态切片、高效执行和分离编译的无层次编程语言。0在本文的其余部分，我们将介绍Eliom模块系统如何为层次应用程序提供抽象和模块化。作为我们对Eliom语言探索的指导性示例，我们考虑一个评论系统的情况，这种系统可以在许多网站上找到。评论是由用户编写的HTML片段，并由唯一标识符标识。这样的评论库既具有服务器方面（存储和渲染评论）又具有客户端交互（浏览和搜索评论）。我们首先回顾一下OCaml模块系统（第2节）和小规模层次编程（第3节）。然后我们介绍Eliom模块语言（第4节）和其在实现中面临的挑战（第5节）。最后，我们在第6节中与现有工作进行了快速比较。02 评论和骆驼OCAML模块简介0OCaml模块系统形成了一个与表达式语言分开的第二种语言。虽然表达式语言允许“小规模”编程，但模块语言允许“大规模”编程。OCaml所属的ML风格的模块系统显著扩展了通常的模块语言，提供了模块类型（称为签名）和从模块到模块的函数（称为函数器）。模块系统隐式地用于任何类型的OCaml或Eliom编程：每个.ml和.eliom文件形成一个包含文件中包含的声明列表的结构。还可以通过添加.mli或eliomi文件为这样的模块指定签名。我们可以在OCaml模块中做更多的事情。例如，假设我们正在编写一个HTML库。我们想要将与事件相关的属性集中在一个单独的模块中。我们可以使用以下结构轻松实现这一点。01 module  On =  struct02 let  click = ...03 let  keypress = ...04 结束0然后可以通过限定访问来使用这些函数：01 open  Html02 let  mywidget = div ~a:[On.click myclickhandler] [ ... ]0我们HTML库的一些用户可能希望尝试使用新的自定义HTML元素。他们可以通过扩展Html模块轻松实现这一点：01 module  HtmlPlus =  struct02 include  Html03 let  blink elems = ...04 结束0在这里，我们声明了一个新的模块HtmlPlus，在其中包含了Html并定义了新的blink函数。include操作简单地将模块的所有字段添加到封闭模块中。这样，我们就得到了一个新的HtmlPlus模块，它可以在任何Html可以使用的地方使用，但也包括了新的函数。0Track: Web Programming WWW 2018, 2018年4月23日至27日，法国里昂3(* ... *)3(* ... *)One important thing to note here is that, to the outer world,these two modules have exactly the same type and can not bedistinguished. The type that implements the identifiers in the IDsignature is abstract: its implementation is only visible inside themodule and can not be used outside. It is also useful to note thatsuch abstraction can be provided after the fact. Declaring a moduleand abstracting its interface are completely distinct operations.Hiding the internal details of our ID modules is not only usefulfor modularity: it also allows to enforce abstraction boundaries. Forexample in the case of SequentialID, it is impossible to inadver-tently use the ID as an integer, since the fact that it is an integeris not revealed! We can use this fact to enforce numerous complexproperties, as we see in the next section.To implement our comment system, we sometimes need to findcomments by their ID. The idiomatic OCaml solution is to use maps,also called dictionaries. Such maps are implemented with BinarySearch Trees which require a comparison function on the keys ofthe map. Map.Make is a pre-defined functor in the OCaml standardlibrary that takes a module implementing the COMPARABLE signatureas argument and returns a module that implements dictionarieswhose keys are of the type t in the provided module. In Fig. 2, we usethis functor to create the IDMap module which defines dictionarieswith IDs as keys. This is very easy, since the ID signature is alreadya super-set of the COMPARABLE signature. We then define register,a function which associates a fresh id to a comment c.The Map.Make functor uses abstraction in two important ways.First, since the type of the map is abstract, it is impossible to modifyit through means not provided by the module. In particular, thisenforces that the binary tree is always balanced. Second, since thecomparison function is provided in advance by the argument ofthe functor, it is impossible to mix different comparison functions51let%server s = ...2let%client c = ...Track: Web Programming WWW 2018, April 23-27, 2018, Lyon, France68302.1 抽象和封装0现在我们想要构建一个简单的库来处理互联网评论。在我们的库中，评论是由唯一的数字标识的HTML片段（使用Html模块构建）。我们还不确定是否应该使用简单的顺序ID、基于日期的ID还是像UUID和Hashids [12]这样的其他东西。幸运的是，我们不必立即做出这个决定！为了编写我们引擎的其余部分，我们所需要的只是一个用于创建和使用标识符的接口。我们可以使用OCaml在模块中声明这样的接口，使用一个签名来描述实现唯一标识符的模块应该是什么样子的。下面，我们声明了ID签名，描述了一个实现唯一标识符的模块应该具有的特征。01 module type  ID =  sig02 type  t  (* id的类型 *)03 val  compare : t -> t -> int  (* 比较id *)04 val  create : unit -> t  (* 创建新的id *)05 val  to_string : t -> string  (* 显示id *)06 结束0然后我们可以创建实现这个规范的各种模块。在这里，我们声明了SequentialID和DateID模块。然后我们可以轻松地切换一个模块到另一个模块。01模块SequentialID：ID = struct02类型t = int04结束01模块DateID：ID = struct02类型t = date04结束02.2函数子01模块类型COMPARABLE = sig02类型t03 val compare：t -> t -> int04结束06模块Make（Key：COMPARABLE）：sig07类型'a t08 val empty：'a t09 val add：Key.t -> 'a -> 'a t -> 'a t010结束 图1：Map模块01模块TheID = DateID（*我们选择的ID*）02模块IDMap = Map.Make（TheID）03让register c map：Html.t IDMap.t =04 IDMap.add（TheID.create（））c map0图2：从ID到评论的字典0错误地应用函数子。实际上，将不同的模块应用于函数子将产生不同类型的映射。02.3进一步0这只是模块的一个简单示例。有关模块的更长（更好）的介绍，请参阅OCaml手册[18]或Real World OCaml书[22]。03层小部件0到目前为止，我们介绍了如何编写对我们的评论系统有用的库的各种元素。为此，我们以各种方式利用了OCaml模块系统的强大功能。现在我们想要编写呈现评论的小部件。为此，我们需要定义客户端和服务器代码，以及一些客户端-服务器通信，这正是层次化语言的优势所在。通过这个例子，我们提供了Eliom表达式语言的快速概述，以及有关层次化Web编程的一些基本概念。03.1 部分0部分注释允许程序员指定声明应该在哪里执行。程序员可以指定声明是在服务器上执行还是在客户端上执行，如下所示：0特别是，部分允许将相关代码分组在同一个文件中，而不管它在哪里执行。在本文的其余部分，我们使用以下颜色约定：客户端为黄色，服务器为蓝色，混合为绿色。然而，颜色对于理解本文的其余部分并不是必需的。03.2 客户端片段0虽然部分注释允许程序员在不同位置收集代码，但它们不允许方便的通信。为此，Eliom允许在服务器部分中包含客户端表达式：放置在[% client...]中的表达式将在接收到页面时在客户端上计算；但是表达式的最终客户端值可以立即作为一个黑盒在服务器上传递。这些表达式称为客户端片段。1let%server x : int fragment = [% client 1 + 3 ]1let%server s : int = 1 + 22let%client c : int = ~%s + 11let%server x : int fragment = [% client 1 + 3 ]2let%client c : int = 3 + ~%x1let%server make_comment commentid =2let content =3p ~a:[a_id commentid] [text (Comment.get commentid)]4in5let author = text ("Author: " ^ Comment.author commentid) in6let handler = [% client fun _ ->7let elem = get_element_by_id ~% commentid in8Css.toggle_hidden elem]9in10div ~a:[On.click handler] [author; content]1val%server make_comment : id -> Html.element1