diff --git a/src/HOL/Statespace/StateSpaceEx.thy b/src/HOL/Statespace/StateSpaceEx.thy --- a/src/HOL/Statespace/StateSpaceEx.thy +++ b/src/HOL/Statespace/StateSpaceEx.thy @@ -1,511 +1,511 @@ (* Title: HOL/Statespace/StateSpaceEx.thy Author: Norbert Schirmer, TU Muenchen, 2007 Author: Norbert Schirmer, Apple, 2021 *) section \Examples \label{sec:Examples}\ theory StateSpaceEx imports StateSpaceLocale StateSpaceSyntax begin (*<*) syntax "_statespace_updates" :: "('a \ 'b) \ updbinds \ ('a \ 'b)" ("_\_\" [900,0] 900) (*>*) text \Did you ever dream about records with multiple inheritance? Then you should definitely have a look at statespaces. They may be what you are dreaming of. Or at least almost \dots\ text \Isabelle allows to add new top-level commands to the system. Building on the locale infrastructure, we provide a command \<^theory_text>\statespace\ like this:\ statespace vars = n::nat b::bool print_locale vars_namespace print_locale vars_valuetypes print_locale vars text \\noindent This resembles a \<^theory_text>\record\ definition, but introduces sophisticated locale infrastructure instead of HOL type schemes. The resulting context postulates two distinct names \<^term>\n\ and \<^term>\b\ and projection~/ injection functions that convert from abstract values to \<^typ>\nat\ and \bool\. The logical content of the locale is:\ locale vars' = fixes n::'name and b::'name assumes "distinct [n, b]" fixes project_nat::"'value \ nat" and inject_nat::"nat \ 'value" assumes "\n. project_nat (inject_nat n) = n" fixes project_bool::"'value \ bool" and inject_bool::"bool \ 'value" assumes "\b. project_bool (inject_bool b) = b" text \\noindent The HOL predicate \<^const>\distinct\ describes distinctness of all names in the context. Locale \vars'\ defines the raw logical content that is defined in the state space locale. We also maintain non-logical context information to support the user: \<^item> Syntax for state lookup and updates that automatically inserts the corresponding projection and injection functions. \<^item> Setup for the proof tools that exploit the distinctness information and the cancellation of projections and injections in deductions and simplifications. This extra-logical information is added to the locale in form of declarations, which associate the name of a variable to the corresponding projection and injection functions to handle the syntax transformations, and a link from the variable name to the corresponding distinctness theorem. As state spaces are merged or extended there are multiple distinctness theorems in the context. Our declarations take care that the link always points to the strongest distinctness assumption. With these declarations in place, a lookup can be written as \s\n\, which is translated to \project_nat (s n)\, and an update as \s\n := 2\\, which is translated to \s(n := inject_nat 2)\. We can now establish the following lemma:\ lemma (in vars) foo: "s\b = s\b" by simp text \\noindent Here the simplifier was able to refer to distinctness of \<^term>\b\ and \<^term>\n\ to solve the equation. The resulting lemma is also recorded in locale \vars\ for later use and is automatically propagated to all its interpretations. Here is another example:\ statespace 'a varsX = NB: vars [n=N, b=B] + vars + x::'a text \\noindent The state space \varsX\ imports two copies of the state space \vars\, where one has the variables renamed to upper-case letters, and adds another variable \<^term>\x\ of type \<^typ>\'a\. This type is fixed inside the state space but may get instantiated later on, analogous to type parameters of an ML-functor. The distinctness assumption is now \distinct [N, B, n, b, x]\, from this we can derive both \<^term>\distinct [N,B]\ and \<^term>\distinct [n,b]\, the distinction assumptions for the two versions of locale \vars\ above. Moreover we have all necessary projection and injection assumptions available. These assumptions together allow us to establish state space \<^term>\varsX\ as an interpretation of both instances of locale \<^term>\vars\. Hence we inherit both variants of theorem \foo\: \s\N := 2\\B = s\B\ as well as \s\n := 2\\b = s\b\. These are immediate consequences of the locale interpretation action. The declarations for syntax and the distinctness theorems also observe the morphisms generated by the locale package due to the renaming \<^term>\n = N\:\ lemma (in varsX) foo: "s\N := 2\\x = s\x" by simp text \To assure scalability towards many distinct names, the distinctness predicate is refined to operate on balanced trees. Thus we get logarithmic certificates for the distinctness of two names by the distinctness of the paths in the tree. Asked for the distinctness of two names, our tool produces the paths of the variables in the tree (this is implemented in Isabelle/ML, outside the logic) and returns a certificate corresponding to the different paths. Merging state spaces requires to prove that the combined distinctness assumption implies the distinctness assumptions of the components. Such a proof is of the order $m \cdot \log n$, where $n$ and $m$ are the number of nodes in the larger and smaller tree, respectively.\ text \We continue with more examples.\ statespace 'a foo = f::"nat\nat" a::int b::nat c::'a lemma (in foo) foo1: shows "s\a := i\\a = i" by simp lemma (in foo) foo2: shows "(s\a:=i\)\a = i" by simp lemma (in foo) foo3: shows "(s\a:=i\)\b = s\b" by simp lemma (in foo) foo4: shows "(s\a:=i,b:=j,c:=k,a:=x\) = (s\b:=j,c:=k,a:=x\)" by simp statespace bar = b::bool c::string lemma (in bar) bar1: shows "(s\b:=True\)\c = s\c" by simp text \You can define a derived state space by inheriting existing state spaces, renaming of components if you like, and by declaring new components. \ statespace ('a,'b) loo = 'a foo + bar [b=B,c=C] + X::'b lemma (in loo) loo1: shows "s\a:=i\\B = s\B" proof - thm foo1 txt \The Lemma @{thm [source] foo1} from the parent state space is also available here: \begin{center}@{thm foo1}\end{center}\ have "s\a = i" by (rule foo1) thm bar1 txt \Note the renaming of the parameters in Lemma @{thm [source] bar1}: \begin{center}@{thm bar1}\end{center}\ have "s\C = s\C" by (rule bar1) show ?thesis by simp qed statespace 'a dup = FA: 'a foo [f=F, a=A] + 'a foo + x::int lemma (in dup) shows "s\x = s\x" by simp lemma (in dup) shows "s\a = s\a" by simp lemma (in dup) shows "s\x = s\x" by simp text \There were known problems with syntax-declarations. They only worked when the context is already completely built. This is now overcome. e.g.:\ locale fooX = foo + assumes "s\b = k" text \ We can also put statespaces side-by-side by using ordinary @{command locale} expressions (instead of the @{command statespace}). \ locale side_by_side = foo + bar where b="B::'a" and c=C for B C context side_by_side begin text \Simplification within one of the statespaces works as expected.\ lemma "s\C = s\C" by simp lemma "s\b = s\b" by simp text \In contrast to the statespace @{locale loo} there is no 'inter' statespace distinctness between the names of @{locale foo} and @{locale bar}.\ end text \Sharing of names in side-by-side statespaces is also possible as long as they are mapped -to the same type.}\ +to the same type.\ statespace vars1 = n::nat m::nat statespace vars2 = n::nat k::nat locale vars1_vars2 = vars1 + vars2 context vars1_vars2 begin text \Note that the distinctness theorem for @{locale vars1} is selected here to do the proof.\ lemma "s\m = s\m" by simp text \Note that the distinctness theorem for @{locale vars2} is selected here to do the proof.\ lemma "s\k = s\k" by simp text \Still there is no inter-statespace distinctness.\ lemma "s\m = s\m" (* apply simp *) oops end statespace merge_vars1_vars2 = vars1 + vars2 context merge_vars1_vars2 begin text \When defining a statespace instead of a side-by-side locale we get the distinctness of all variables.\ lemma "s\m = s\m" by simp end subsection \Benchmarks\ text \Here are some bigger examples for benchmarking.\ ML \ fun make_benchmark n = writeln (Active.sendback_markup_command ("statespace benchmark" ^ string_of_int n ^ " =\n" ^ (cat_lines (map (fn i => "A" ^ string_of_int i ^ "::nat") (1 upto n))))); \ text "0.2s" statespace benchmark100 = A1::nat A2::nat A3::nat A4::nat A5::nat A6::nat A7::nat A8::nat A9::nat A10::nat A11::nat A12::nat A13::nat A14::nat A15::nat A16::nat A17::nat A18::nat A19::nat A20::nat A21::nat A22::nat A23::nat A24::nat A25::nat A26::nat A27::nat A28::nat A29::nat A30::nat A31::nat A32::nat A33::nat A34::nat A35::nat A36::nat A37::nat A38::nat A39::nat A40::nat A41::nat A42::nat A43::nat A44::nat A45::nat A46::nat A47::nat A48::nat A49::nat A50::nat A51::nat A52::nat A53::nat A54::nat A55::nat A56::nat A57::nat A58::nat A59::nat A60::nat A61::nat A62::nat A63::nat A64::nat A65::nat A66::nat A67::nat A68::nat A69::nat A70::nat A71::nat A72::nat A73::nat A74::nat A75::nat A76::nat A77::nat A78::nat A79::nat A80::nat A81::nat A82::nat A83::nat A84::nat A85::nat A86::nat A87::nat A88::nat A89::nat A90::nat A91::nat A92::nat A93::nat A94::nat A95::nat A96::nat A97::nat A98::nat A99::nat A100::nat text "2.4s" statespace benchmark500 = A1::nat A2::nat A3::nat A4::nat A5::nat A6::nat A7::nat A8::nat A9::nat A10::nat A11::nat A12::nat A13::nat A14::nat A15::nat A16::nat A17::nat A18::nat A19::nat A20::nat A21::nat A22::nat A23::nat A24::nat A25::nat A26::nat A27::nat A28::nat A29::nat A30::nat A31::nat A32::nat A33::nat A34::nat A35::nat A36::nat A37::nat A38::nat A39::nat A40::nat A41::nat A42::nat A43::nat A44::nat A45::nat A46::nat A47::nat A48::nat A49::nat A50::nat A51::nat A52::nat A53::nat A54::nat A55::nat A56::nat A57::nat A58::nat A59::nat A60::nat A61::nat A62::nat A63::nat A64::nat A65::nat A66::nat A67::nat A68::nat A69::nat A70::nat A71::nat A72::nat A73::nat A74::nat A75::nat A76::nat A77::nat A78::nat A79::nat A80::nat A81::nat A82::nat A83::nat A84::nat A85::nat A86::nat A87::nat A88::nat A89::nat A90::nat A91::nat A92::nat A93::nat A94::nat A95::nat A96::nat A97::nat A98::nat A99::nat A100::nat A101::nat A102::nat A103::nat A104::nat A105::nat A106::nat A107::nat A108::nat A109::nat A110::nat A111::nat A112::nat A113::nat A114::nat A115::nat A116::nat A117::nat A118::nat A119::nat A120::nat A121::nat A122::nat A123::nat A124::nat A125::nat A126::nat A127::nat A128::nat A129::nat A130::nat A131::nat A132::nat A133::nat A134::nat A135::nat A136::nat A137::nat A138::nat A139::nat A140::nat A141::nat A142::nat A143::nat A144::nat A145::nat A146::nat A147::nat A148::nat A149::nat A150::nat A151::nat A152::nat A153::nat A154::nat A155::nat A156::nat A157::nat A158::nat A159::nat A160::nat A161::nat A162::nat A163::nat A164::nat A165::nat A166::nat A167::nat A168::nat A169::nat A170::nat A171::nat A172::nat A173::nat A174::nat A175::nat A176::nat A177::nat A178::nat A179::nat A180::nat A181::nat A182::nat A183::nat A184::nat A185::nat A186::nat A187::nat A188::nat A189::nat A190::nat A191::nat A192::nat A193::nat A194::nat A195::nat A196::nat A197::nat A198::nat A199::nat A200::nat A201::nat A202::nat A203::nat A204::nat A205::nat A206::nat A207::nat A208::nat A209::nat A210::nat A211::nat A212::nat A213::nat A214::nat A215::nat A216::nat A217::nat A218::nat A219::nat A220::nat A221::nat A222::nat A223::nat A224::nat A225::nat A226::nat A227::nat A228::nat A229::nat A230::nat A231::nat A232::nat A233::nat A234::nat A235::nat A236::nat A237::nat A238::nat A239::nat A240::nat A241::nat A242::nat A243::nat A244::nat A245::nat A246::nat A247::nat A248::nat A249::nat A250::nat A251::nat A252::nat A253::nat A254::nat A255::nat A256::nat A257::nat A258::nat A259::nat A260::nat A261::nat A262::nat A263::nat A264::nat A265::nat A266::nat A267::nat A268::nat A269::nat A270::nat A271::nat A272::nat A273::nat A274::nat A275::nat A276::nat A277::nat A278::nat A279::nat A280::nat A281::nat A282::nat A283::nat A284::nat A285::nat A286::nat A287::nat A288::nat A289::nat A290::nat A291::nat A292::nat A293::nat A294::nat A295::nat A296::nat A297::nat A298::nat A299::nat A300::nat A301::nat A302::nat A303::nat A304::nat A305::nat A306::nat A307::nat A308::nat A309::nat A310::nat A311::nat A312::nat A313::nat A314::nat A315::nat A316::nat A317::nat A318::nat A319::nat A320::nat A321::nat A322::nat A323::nat A324::nat A325::nat A326::nat A327::nat A328::nat A329::nat A330::nat A331::nat A332::nat A333::nat A334::nat A335::nat A336::nat A337::nat A338::nat A339::nat A340::nat A341::nat A342::nat A343::nat A344::nat A345::nat A346::nat A347::nat A348::nat A349::nat A350::nat A351::nat A352::nat A353::nat A354::nat A355::nat A356::nat A357::nat A358::nat A359::nat A360::nat A361::nat A362::nat A363::nat A364::nat A365::nat A366::nat A367::nat A368::nat A369::nat A370::nat A371::nat A372::nat A373::nat A374::nat A375::nat A376::nat A377::nat A378::nat A379::nat A380::nat A381::nat A382::nat A383::nat A384::nat A385::nat A386::nat A387::nat A388::nat A389::nat A390::nat A391::nat A392::nat A393::nat A394::nat A395::nat A396::nat A397::nat A398::nat A399::nat A400::nat A401::nat A402::nat A403::nat A404::nat A405::nat A406::nat A407::nat A408::nat A409::nat A410::nat A411::nat A412::nat A413::nat A414::nat A415::nat A416::nat A417::nat A418::nat A419::nat A420::nat A421::nat A422::nat A423::nat A424::nat A425::nat A426::nat A427::nat A428::nat A429::nat A430::nat A431::nat A432::nat A433::nat A434::nat A435::nat A436::nat A437::nat A438::nat A439::nat A440::nat A441::nat A442::nat A443::nat A444::nat A445::nat A446::nat A447::nat A448::nat A449::nat A450::nat A451::nat A452::nat A453::nat A454::nat A455::nat A456::nat A457::nat A458::nat A459::nat A460::nat A461::nat A462::nat A463::nat A464::nat A465::nat A466::nat A467::nat A468::nat A469::nat A470::nat A471::nat A472::nat A473::nat A474::nat A475::nat A476::nat A477::nat A478::nat A479::nat A480::nat A481::nat A482::nat A483::nat A484::nat A485::nat A486::nat A487::nat A488::nat A489::nat A490::nat A491::nat A492::nat A493::nat A494::nat A495::nat A496::nat A497::nat A498::nat A499::nat A500::nat text "9.0s" statespace benchmark1000 = A1::nat A2::nat A3::nat A4::nat A5::nat A6::nat A7::nat A8::nat A9::nat A10::nat A11::nat A12::nat A13::nat A14::nat A15::nat A16::nat A17::nat A18::nat A19::nat A20::nat A21::nat A22::nat A23::nat A24::nat A25::nat A26::nat A27::nat A28::nat A29::nat A30::nat A31::nat A32::nat A33::nat A34::nat A35::nat A36::nat A37::nat A38::nat A39::nat A40::nat A41::nat A42::nat A43::nat A44::nat A45::nat A46::nat A47::nat A48::nat A49::nat A50::nat A51::nat A52::nat A53::nat A54::nat A55::nat A56::nat A57::nat A58::nat A59::nat A60::nat A61::nat A62::nat A63::nat A64::nat A65::nat A66::nat A67::nat A68::nat A69::nat A70::nat A71::nat A72::nat A73::nat A74::nat A75::nat A76::nat A77::nat A78::nat A79::nat A80::nat A81::nat A82::nat A83::nat A84::nat A85::nat A86::nat A87::nat A88::nat A89::nat A90::nat A91::nat A92::nat A93::nat A94::nat A95::nat A96::nat A97::nat A98::nat A99::nat A100::nat A101::nat A102::nat A103::nat A104::nat A105::nat A106::nat A107::nat A108::nat A109::nat A110::nat A111::nat A112::nat A113::nat A114::nat A115::nat A116::nat A117::nat A118::nat A119::nat A120::nat A121::nat A122::nat A123::nat A124::nat A125::nat A126::nat A127::nat A128::nat A129::nat A130::nat A131::nat A132::nat A133::nat A134::nat A135::nat A136::nat A137::nat A138::nat A139::nat A140::nat A141::nat A142::nat A143::nat A144::nat A145::nat A146::nat A147::nat A148::nat A149::nat A150::nat A151::nat A152::nat 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