CakeML, el lenguaje de programación funcional con compilador verificado

En el mundo del desarrollo de software, la búsqueda de la confiabilidad y la corrección de los programas es continua. Un proyecto que se destaca en este ámbito es CakeML, un lenguaje de programación funcional que no solo promete escribir código eficiente, sino que garantiza su correctitud a través de un ecosistema de pruebas y herramientas rigurosas. CakeML se basa en una subconjunto sustancial de Standard ML y su semántica formal está especificada en lógica de orden superior (HOL), presentada en un estilo funcional de grandes pasos.

• Un Ecosistema Integral

CakeML se distingue por ser más que un simple lenguaje de programación; es un ecosistema completo de herramientas y pruebas enfocadas en la seguridad y corrección del software. Central a este ecosistema es la definición del lenguaje, que adopta una variante amplia de Standard ML con su semántica formulada meticulosamente en lógica de orden superior (HOL) en un estilo de grandes pasos funcionales. Esto no solo establece una base sólida para el lenguaje, sino que también facilita la verificación formal y permite a la comunidad contribuir al desarrollo continuo del mismo, especialmente en la expansión de su biblioteca estándar.

El compilador de CakeML, completamente verificado, representa otro pilar fundamental del ecosistema. Este compilador ha sido demostrado formalmente que produce código máquina que respeta semánticamente los programas fuente. A través de un proceso de varias etapas que involucra múltiples lenguajes intermedios, el compilador no solo garantiza la fidelidad semántica, sino que también permite optimizaciones efectivas. Además, el proceso de autocompilación o bootstrapping dentro de HOL subraya la robustez y confiabilidad del compilador, demostrando que puede compilar su propio código fuente.

CakeML fomenta un entorno de desarrollo abierto y colaborativo, animando a investigadores y desarrolladores a participar en la mejora continua del lenguaje, su compilador y las herramientas asociadas. Este compromiso con la colaboración y la transparencia ayuda a avanzar la tecnología de compilación y verificación, manteniendo a CakeML a la vanguardia del desarrollo de software funcional seguro y verificado.

• Innovación en la Compilación

El proceso de compilación en CakeML destaca por su estructura dual y su rigor en la verificación, estableciendo un enfoque novedoso y robusto para la transformación del código fuente en ejecutables confiables. La primera parte del frente de compilación de CakeML es un traductor que funciona como una herramienta de síntesis que produce pruebas. Este traductor genera un Árbol de Sintaxis Abstracta (AST) de CakeML a partir de funciones que emulan a ML, definidas dentro del entorno de lógica de orden superior (HOL), y simultáneamente prueba que el AST generado conserva el mismo comportamiento que la función HOL original. Esta capacidad de sintetizar código verificado directamente desde especificaciones formales es fundamental para garantizar la seguridad y la corrección del software desde el inicio de su desarrollo.

La segunda parte del sistema de compilación consiste en un análisis sintáctico tradicional seguido de un inferenciador de tipos, ambos rigurosamente verificados en cuanto a su sonoridad y completitud respecto a las especificaciones declarativas. El parser de CakeML, basado en gramáticas PEG (Parsing Expression Grammar), garantiza que se puede encontrar un árbol de análisis correcto si existe uno según la gramática concreta del sintaxis de CakeML. La integridad y precisión del inferenciador de tipos aseguran que, si un programa es tipificable, el inferenciador identificará correctamente el tipo más general posible. Estas propiedades son cruciales para el desarrollo de software seguro, ya que errores en estas etapas pueden llevar a comportamientos impredecibles en tiempo de ejecución.

• Bootstrapping: Autocompilación Verificada

Uno de los logros más significativos en el desarrollo de CakeML es su capacidad de autocompilación, conocida como bootstrapping. Este proceso no solo demuestra la autosuficiencia del compilador, sino que también sirve como una validación profunda de su integridad y corrección. El bootstrapping en CakeML involucra que el compilador compile su propio código fuente, un desafío complejo que subraya la robustez del sistema completo de compilación.

El proceso se lleva a cabo al integrar el segundo frente del compilador, que incluye un parser y un inferenciador de tipos, con el backend verificado que traduce ASTs a código máquina. Esta integración se realiza dentro del marco de la lógica de orden superior (HOL), asegurando que todas las operaciones y transformaciones permanecen dentro de un entorno formalmente verificado. El resultado es un compilador auto-compilado cuya ejecución y resultados pueden ser formalmente probados para garantizar que cumplen con las especificaciones iniciales.

La importancia de este bootstrapping radica en su impacto en la confiabilidad del compilador. Al poder compilarse a sí mismo, CakeML demuestra que puede producir un ejecutable que no solo funciona correctamente según su especificación de diseño, sino que también es capaz de realizar la tarea compleja de procesar y recompilar su propio código fuente. Este nivel de verificación es crucial, ya que asegura que cualquier cambio en el código del compilador o en su entorno de compilación puede ser inmediatamente validado a través del mismo proceso de autocompilación, manteniendo la coherencia y la calidad del software a lo largo del tiempo.

Además, la capacidad de bootstrapping de CakeML sirve como un excelente testamento de la madurez y estabilidad del proyecto. Proporciona un marco de referencia claro para que otros proyectos de compiladores y sistemas de lenguajes de programación evalúen su propia confiabilidad y eficacia. En última instancia, el bootstrapping verificado no solo mejora la confianza en el compilador de CakeML, sino que también establece un sólido precedente para el desarrollo futuro de tecnologías de compilación verificadas y seguras.

• Verificación de Aplicaciones con CakeML

La verificación de aplicaciones es un componente esencial del ecosistema CakeML, donde se aplica un marco de verificación adaptado para garantizar la corrección y seguridad de los programas desarrollados. Este aspecto del proyecto utiliza el marco de verificación CFML (Charguéraud's Compositional Framework for Modular Logic), adaptado específicamente para el contexto de CakeML. Este enfoque permite la aplicación de razonamientos al estilo de Hoare dentro de la lógica de separación, lo que es crucial para el manejo efectivo de características complejas como referencias, arreglos, excepciones e I/O (Entrada/Salida).

La integración de CFML en CakeML no solo enriquece la capacidad del lenguaje para manejar verificaciones detalladas de segmentos críticos de código, sino que también facilita una metodología más accesible y flexible para verificar partes de la biblioteca estándar de CakeML y aplicaciones de usuario. Tradicionalmente, mientras que el código CakeML puede ser generado y verificado a través de la síntesis de pruebas en el primer frente del compilador, el uso de CFML ofrece una alternativa valiosa para aquellos casos en los que se necesita verificar código que hace uso intensivo de estado mutable y operaciones de I/O.

El valor de este enfoque es doble. Primero, permite a los desarrolladores realizar verificaciones formales post-hoc, es decir, después de que el código ha sido escrito, lo que es especialmente útil en entornos donde las modificaciones del código son frecuentes y se requiere una validación rápida de la corrección del mismo. Segundo, la flexibilidad de CFML y su compatibilidad con las construcciones de CakeML posibilitan que incluso las aplicaciones complejas y con un alto grado de interacción con el entorno puedan ser verificadas de manera formal.

• Aplicaciones y Compiladores Verificados

El alcance y la utilidad del ecosistema CakeML se extienden mucho más allá de su lenguaje y compilador, abarcando una serie de aplicaciones y compiladores completamente verificados que demuestran la capacidad del sistema para producir software confiable y seguro. La herramienta de síntesis que produce pruebas del primer frente del compilador permite generar código CakeML a partir de funciones especificadas en HOL, lo que garantiza que el código producido es formalmente correcto y seguro de ejecutar.

Entre las aplicaciones verificadas desarrolladas utilizando CakeML, encontramos herramientas de línea de comandos al estilo Unix, como grep, sort, cat, diff y patch, que son esenciales para la manipulación de datos y archivos en sistemas operativos. Estas aplicaciones no solo han sido construidas para realizar sus funciones específicas eficientemente, sino que también han sido verificadas para asegurar que operan sin errores, lo que es fundamental en entornos donde la fiabilidad y la precisión son críticas.

Además, CakeML ha sido utilizado para desarrollar aplicaciones más complejas como un verificador de artículos de OpenTheory y un verificador de certificados para límites de errores en punto flotante, así como herramientas para la verificación de pruebas SAT y otros formatos similares. Estos ejemplos destacan la capacidad de CakeML para manejar y procesar lógicamente estructuras de datos complejas y algoritmos críticos en contextos donde los errores pueden tener consecuencias significativas.

En el ámbito de los compiladores verificados, CakeML ha servido como base para la creación de otros sistemas de compilación especializados. Ejemplos notables incluyen Kalas, un compilador para un lenguaje coreográfico, Pancake, destinado a la programación de sistemas, y PureCake, una variante de Haskell funcional perezosa. Estos proyectos aprovechan la robustez del compilador de CakeML y su infraestructura de verificación para proporcionar garantías similares de corrección y seguridad en sus propios dominios específicos.

Esta diversidad de aplicaciones y compiladores construidos sobre la plataforma CakeML no solo subraya la versatilidad y potencia del lenguaje y su entorno de desarrollo, sino que también refuerza la visión de CakeML como una herramienta integral para la creación de software verificado. El éxito de estas iniciativas refleja la viabilidad de CakeML para una amplia gama de usos prácticos, consolidando su posición como una tecnología clave en el futuro del desarrollo de software seguro y confiable.

• Conclusión

CakeML representa un hito en la programación funcional y la verificación de software, ofreciendo una plataforma sólida para desarrollar aplicaciones seguras y correctas desde su concepción hasta su ejecución. Su compromiso con la verificación formal no solo aumenta la seguridad del software, sino que también impulsa el avance de las tecnologías de compilación y verificación hacia nuevos horizontes. Para los entusiastas de la tecnología y los profesionales del desarrollo, CakeML ofrece una visión fascinante del potencial de los lenguajes de programación y los compiladores verificados en el futuro de la informática.

- Zant.