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[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass[]{kluwer}
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9 \usepackage[show]{ed}
10
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13 %\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
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15
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18
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74
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97
98 \bibliographystyle{plain}
99
100 \begin{document}
101
102 \begin{opening}
103
104  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
105
106 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
107 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
108 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
109 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
110 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
111  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
112
113 \runningtitle{The \MATITA{} proof assistant}
114 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
115
116 % \date{data}
117
118 \begin{motto}
119 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
120 \end{motto}
121
122 \begin{abstract}
123  abstract qui
124 \end{abstract}
125
126 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
127 Digital Libraries}
128
129 \end{opening}
130
131 % toc & co: to be removed in the final paper version
132 \tableofcontents
133 \listoffigures
134 \listoftables
135
136 \section{Introduction}
137 \label{sec:intro}
138 \MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{} team
139 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
140 Prof.~Asperti. \\
141 The paper describes the overall architecture of
142 the system, focusing on its most distinctive and innovative 
143 features.
144
145 \subsection{Historical Perspective}
146 The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
147 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
148 via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
149 library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
150 was chosen as a privileged test bench for our work, although experiments
151 have been also conducted with other systems, and notably 
152 with \NUPRL~\cite{nuprl-book}.
153 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
154 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
155 following steps:
156 \begin{itemize}
157 \item exporting the information from the internal representation of
158  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
159 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
160 a content-centric architecture\cite{content-centric} where the documents
161 of the library were the the main components around which everything else 
162 has to be build;
163 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
164  queries to the library; 
165 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
166 rendering of mathematical information\footnote{We have been 
167 active in the \MATHML{} Working group since 1999.}; 
168 \end{itemize}
169
170 According to our content-centric commitment, the library exported from
171 \COQ{} was conceived as being distributed and most of the tools were developed
172 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
173 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
174
175 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
176 to a set of software components, collectively called the \HELM{} components.
177 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
178 tools and software components:
179 \begin{itemize}
180 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
181 with components for parsing and saving mathematical objects in such a format
182 \cite{exportation-module};
183 \item metadata specifications with components for indexing and querying the
184 XML knowledge base;
185 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
186 implemented to check that we exported from the \COQ{} library all the 
187 logically relevant content;
188 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
189 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
190 mathematical notation \cite{disambiguation};
191 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
192 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
193 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
194 language \cite{remathematization};
195 \item an innovative, \MATHML-compliant rendering widget for the GTK 
196 graphical environment\cite{padovani}, supporting 
197 high-quality bidimensional
198 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
199 meaningful rendering expressions, and to paste the respective content into
200 a different text area.
201 \end{itemize}
202 Starting from all this, developing our own proof assistant was not
203 too far away: essentially, we ``just'' had to
204 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
205 overall management of the library, integrating everything into a
206 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
207
208 \subsection{The system}
209
210 \MATITA{} is a proof assistant (also called interactive theorem prover).
211 It is based on the Calculus of (Co)Inductive Constructions
212 (CIC)~\cite{Werner} that is a dependently typed lambda-calculus \`a la
213 Church enriched with primitive inductive and co-inductive data types.
214 Via the Curry-Howard isomorphism, the calculus can be seen as a very
215 rich higher order logic and proofs can be simply represented and
216 stored as lambda-terms. \COQ{} and Lego are other systems that adopt
217 (variations of) CIC as their foundation.
218
219 The proof language of \MATITA{} is procedural, in the tradition of the LCF
220 theorem prover. Coq, NuPRL, PVS, Isabelle are all examples of others systems
221 whose proof language is procedural. Traditionally, in a procedural system
222 the user interacts only with the \emph{script}, while proof terms are internal
223 records kept by the system. On the contrary, in \MATITA{} proof terms are
224 praised as declarative versions of the proof. With this role, they are the
225 primary mean of communication of proofs (once rendered to natural language
226 for human audiences).
227
228 The user interfaces now adopted by all the proof assistants based on a
229 procedural proof language have been inspired by the CtCoq pioneering
230 system~\cite{ctcoq1}. One successful incarnation of the ideas introduced
231 by CtCoq is the Proof General generic interface~\cite{proofgeneral},
232 that has set a sort of
233 standard way to interact with the system. Several procedural proof assistants
234 have either adopted or cloned Proof General as their main user interface.
235 The authoring interface of \MATITA{} is a clone of the Proof General interface.
236
237 TODO
238 \begin{itemize}
239  \item sistema indipendente (da \COQ)
240  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
241 \end{itemize}
242
243 \subsection{Relationship with \COQ{}}
244
245 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
246 more the effect of the circumstances of its creation described 
247 above than the result of a deliberate design. In particular, we
248 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
249 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementation
250 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
251 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
252 two systems.
253
254 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
255 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
256 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
257 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
258 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
259 we could reduce our code even further in sensible way).
260
261 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
262 respect to \COQ. For instance, the API of the components of \MATITA{} comprise
263 989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
264
265 Finally, \MATITA{} has several innovative features over \COQ{} that derive
266 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
267 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
268 the parser for ambiguous mathematical notation.
269
270 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
271 historically. \COQ{} is a quite old
272 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
273 several developers have took over the code and several new research ideas
274 that were not considered in the original architecture have been experimented
275 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
276 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
277 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
278 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
279 unification), changing these functionalities maintaining backward compatibility
280 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
281 over the years; optimization reduces maintainability and rises the complexity
282 of the code.
283
284 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
285 we have took advantage of the research results and experiences previously
286 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
287 scratch, we have designed in advance the architecture and we have split
288 the code in coherent minimally coupled components.
289
290 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
291 extensions. Keeping the single components and the whole architecture as
292 simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
293 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
294
295 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
296 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
297 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
298
299 \section{Architecture}
300 \label{architettura}
301
302 \begin{figure}[!ht]
303  \begin{center}
304   \includegraphics[width=0.9\textwidth,height=0.8\textheight]{pics/libraries-clusters}
305   \caption[\MATITA{} components and related applications]{\MATITA{}
306    components and related applications, with thousands of line of
307    codes (klocs)}
308   \label{fig:libraries}
309  \end{center}
310 \end{figure}
311
312 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
313 (circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM
314 project. Each node is annotated with the number of lines of source code
315 (comprising comments).
316
317 Applications and \components{} depend over other \components{} forming a
318 directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
319 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
320
321 Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
322 at different scales. Applications that require only a few functionalities
323 depend on a restricted set of \components{}.
324
325 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
326 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
327 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
328 elsewhere. In particular:
329 \begin{itemize}
330  \item The \emph{\GETTER} is a Web service to retrieve an (XML) document
331    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
332    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
333    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
334    distributed on the network. More information on the Getter can be found
335    in~\cite{zack-master}.
336  \item \emph{\WHELP} is a search engine to index and locate mathematical
337    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
338    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
339    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
340    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
341    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
342    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
343    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
344    the query is only approximated in the sense that false matches can be
345    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
346  \item \emph{\UWOBO} is a Web service that, given the URI of a mathematical
347    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
348    two dimensional mathematical notation. \UWOBO{} may also embed the rendering
349    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
350    The Getter is used by \UWOBO{} to retrieve the document to be rendered.
351    \UWOBO{} has been described in~\cite{zack-master}.
352  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
353    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
354    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
355    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
356    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
357    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
358  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
359    a textual or graphical representation of the dependencies of an object.
360    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
361 \end{itemize}
362
363 The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
364 be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
365 For those \components{} whose functionalities are also provided by the
366 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
367 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
368 is just a wrapper to the \GETTER{} \component{} that allows the
369 \component{} to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code
370 of the \GETTER{} \component, or it can use a stub library with the same
371 API that forwards every request to the Getter.
372
373 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
374 \component, we can focus on the representation of the mathematical information.
375 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
376 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
377 formulae, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
378 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
379 a different set of functionalities. The four different levels are:
380 fully specified terms; partially specified terms; 
381 content level terms; presentation level terms.
382
383 \subsection{Fully specified terms}
384 \label{sec:fullyspec}
385
386  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
387    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
388    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
389    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
390    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
391    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
392    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
393    consumption.
394
395    The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
396    and provides a parser for terms stored in an XML format.
397
398    The most important \component{} that deals with fully specified terms is
399    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
400    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
401    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
402    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
403
404    Terms may reference other mathematical notions in the library.
405    One commitment of our project is that the library should be physically
406    distributed. The \GETTER{} \component{} manages the distribution,
407    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
408    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
409    data type and several utility functions over URIs. The
410    \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \GETTER{}
411    \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
412    notion referenced by a term that is being type-checked. 
413
414    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
415    to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
416
417    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
418    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
419    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
420    mathematical formula. Thus we need to collect metadata over the fully
421    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
422    database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
423    a simplified
424    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
425    metadata. The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the
426    metadata
427    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
428    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
429    The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
430    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
431    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
432    (that will be described later on and that is implemented in the
433     \texttt{cic\_unification} \component). Not performing any actual matching
434    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
435    candidates. The process that has issued the query is responsible of
436    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
437    out false matches if interested in doing so.
438
439    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
440    the \texttt{whelp} \component.
441
442    According to our vision, the library is developed collaboratively so that
443    changing or removing a notion can invalidate other notions in the library.
444    Moreover, changing or removing a notion requires a corresponding change
445    in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
446    of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
447    when a notion is removed, all the notions that depend on it and their
448    metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
449    in Sect.~\ref{sec:libmanagement}.
450    
451 \subsection{Partially specified terms}
452 \label{sec:partspec}
453
454 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
455 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
456 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
457 linearly. The latters may occur multiple times and are called
458 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
459 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
460 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
461 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
462 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
463 value for the variable bound by the hypothesis.
464
465 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
466 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
467 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
468 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
469 partially specified term well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
470 in the \texttt{cic\_unification} \component. As the type checker is based on
471 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
472 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
473 as few as possible metavariables that occur in them.
474
475 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
476 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
477 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
478 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
479 prove.
480
481 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
482 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
483 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
484 \texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
485 unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
486
487 The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
488 commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
489 Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
490 and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA{}.
491 It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
492 from status to status.  It implements also an undo function to go back to
493 previous statuses.
494
495 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
496 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
497 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
498 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
499 information that can be inferred by the refiner.
500
501 \subsection{Content level terms}
502 \label{sec:contentintro}
503
504 The language used to communicate proofs and especially formulae with the
505 user does not only needs to be extendible and accommodate the usual mathematical
506 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
507 ambiguity that the mathematical language provides.
508
509 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
510 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
511 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
512 or for their computational properties. For instance equality over real
513 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
514 rational numbers.
515
516 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
517 properties without caring about their representation. However the computational
518 properties of addition over the binary representation are very different from
519 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
520 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
521
522 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
523 very precise on the types he is using and their representation. However,
524 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
525 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
526 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
527 the \emph{content level} representation of formulae.
528
529 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
530 to content level terms and the other way around. The first translation can also
531 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
532 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
533
534 The translation from partially specified terms to content level terms must
535 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
536 formulae. The firsts are translated to a content level representation of
537 proof steps that can easily be rendered in natural language. The representation
538 adopted has greatly influenced the OMDoc~\cite{omdoc} proof format that is now
539 isomorphic to it. Terms that represent formulae are translated to \MATHML{}
540 Content formulae. \MATHML{} Content~\cite{mathml} is a W3C standard
541 for the representation of content level formulae in an XML extensible format.
542
543 The translation to content level is implemented in the
544 \texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
545 specified terms}, that are maximally unshared
546 partially specified terms enriched with additional typing information for each
547 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
548 proofs and terms that represent formulae. Part of it is also stored at the
549 content level since it is required to generate the natural language rendering
550 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
551 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
552 two different positions we need to associate different typing informations.
553 This association is made easier when the term is represented as a tree since
554 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
555 the typing information using a map on the identifiers.
556 The \texttt{cic\_acic} \component{} unshares and annotates terms. It is used
557 by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
558 in the library in their annotated form.
559
560 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
561 partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
562 the reverse translation for formulae. The mapping from
563 content level formulae to partially specified terms is not unique due to
564 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
565 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
566 every ambiguous formula one partially specified term. The
567 \texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
568 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
569 responsible of building in an efficient way the set of all ``correct''
570 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
571 obtained using the interpretation is refinable.
572
573 In Sect.~\ref{sec:partspec} the last section we described the semantics of a
574 command as a
575 function from status to status. We also suggested that the formulae in a
576 command are encoded as partially specified terms. However, consider the
577 command ``\texttt{replace} $x$ \texttt{with} $y^2$''. Until the occurrence
578 of $x$ to be replaced is located, its context is unknown. Since $y^2$ must
579 replace $x$ in that context, its encoding as a term cannot be computed
580 until $x$ is located. In other words, $y^2$ must be disambiguated in the
581 context of the occurrence $x$ it must replace.
582
583 The elegant solution we have implemented consists in representing terms
584 in a command as functions from a context to a partially refined term. The
585 function is obtained by partially applying our disambiguation function to
586 the content term to be disambiguated. Our solution should be compared with
587 the one adopted in the Coq system, where ambiguity is only relative to De Brujin
588 indexes. In Coq variables can be bound either by name or by position. A term
589 occurring in a command has all its variables bound by name to avoid the need of
590 a context during disambiguation.  Moreover, this makes more complex every
591 operation over terms (i.e. according to our architecture every module that
592 depends on \texttt{cic}) since the code must deal consistently with both kinds
593 of binding. Also, this solution cannot cope with other forms of ambiguity (as
594 the context dependent meaning of the exponent in the previous example).
595
596 \subsection{Presentation level terms}
597
598 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
599 formulae and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
600 is called \emph{presentation level}.
601
602 The main important difference between the content level language and the
603 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
604 the presentation level language is a finite language that comprises all
605 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
606 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
607
608 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
609 standard languages. In particular, for formulae we have adopt \MATHML{}
610 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
611 visually
612 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
613 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
614 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
615 \BOXML.
616
617 The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
618 translation from content level terms to presentation level terms. The
619 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
620 the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
621 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} \MATHML+\BOXML{} tree from our
622 presentation
623 level terms. \GDOME{} \MATHML+\BOXML{} trees can be rendered by the
624 \GTKMATHVIEW{}
625 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
626 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
627 selection}.
628
629 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
630 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
631 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
632 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
633 correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
634 fully specified term.
635 Once the rendering of a lower level term is
636 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
637 lower level term. An example of applications of semantic selection is
638 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
639 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
640 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
641 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
642
643 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
644 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
645 Differently from the translation from content level terms to partially
646 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
647 parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
648 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
649 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
650 This means that the user must fix once and for all the associativity and
651 precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
652 does not seem too strong. The reason is that the target of the
653 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
654 to every content level term several different interpretations (as a
655 partially specified term).
656
657 Both the direct and reverse translation from presentation to content level
658 terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
659 The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
660 that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
661 of commands to declare and activate new notations and it implements the
662 semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
663 actions. Among the commands there are hints to the
664 disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
665 These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{sec:disambiguation}.
666
667 Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
668 the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser process a stream
669 of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
670 defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
671 by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
672 the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
673 process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
674 level, it invokes the already described parser for terms contained in
675 \texttt{content\_pres}.
676
677 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
678 against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
679 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
680 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
681 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.  However,
682 only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
683 \texttt{tactics} components (summing up to a total of 11'200 lines of code)
684 since \WHELP{} can only execute those ASTs that correspond to queries
685 (implemented in the \texttt{whelp} component).
686
687 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
688 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
689 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
690 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
691 it to the presentation level passing through the content level. Finally
692 it returns the result document to be rendered by the user's
693 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
694
695
696 The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
697 \texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
698 minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
699 services missing from the standard library of the programming language.
700 %In particular, the \texttt{xml} \component{} is used to easily represent,
701 %parse and pretty-print XML files.
702
703
704 \section{The interface to the library}
705 \label{sec:library}
706
707 A proof assistant provides both an interface to interact with its library and
708 an \emph{authoring} interface to develop new proofs and theories. According
709 to its historical origins, \MATITA{} strives to provide innovative
710 functionalities for the interaction with the library. It is more traditional
711 in its script based authoring interface.
712
713 In the remaining part of the paper we focus on the user view of \MATITA{}.
714 This section is devoted to the aspects of the tool that arise from the
715 document centric approach to the library. Sect.~\ref{sec:authoring} describes
716 the peculiarities of the authoring interface.
717
718 The library of \MATITA{} comprises mathematical concepts (theorems,
719 axioms, definitions) and notation. The concepts are authored sequentially
720 using scripts that are (ordered) sequences of procedural commands.
721 However, once they are produced we store them independently in the library.
722 The only relation implicitly kept between the notions are the logical,
723 acyclic dependencies among them. This way the library forms a global (and
724 distributed) hypertext. Several useful operations can be implemented on the
725 library only, regardless of the scripts. Examples of such operations
726 implemented in \MATITA{} are: searching and browsing (see Sect.~\ref{sec:indexing});
727 disambiguation of content level terms (see Sect.~\ref{sec:disambiguation});
728 automatic proof searching (see Sect.~\ref{sec:automation}).
729
730 The key requisite for the previous operations is that the library must
731 be fully accessible and in a logically consistent state. To preserve
732 consistency, a concept cannot be altered or removed unless the part of the
733 library that depends on it is modified accordingly. To allow incremental
734 changes and cooperative development, consistent revisions are necessary.
735 For instance, to modify a definition, the user could fork a new version
736 of the library where the definition is updated and all the concepts that
737 used to rely on it are absent. The user is then responsible to restore
738 the removed part in the new branch, merging the branch when the library is
739 fully restored.
740
741 To implement the proposed versioning system on top of a standard one
742 it is necessary to implement \emph{invalidation} first. Invalidation
743 is the operation that locates and removes from the library all the concepts
744 that depend on a given one. As described in Sect.~\ref{sec:libmanagement} removing
745 a concept from the library also involves deleting its metadata from the
746 database.
747
748 For non collaborative development, full versioning can be avoided, but
749 invalidation is still required. Since nobody else is relying on the
750 user development, the user is free to change and invalidate part of the library
751 without branching. Invalidation is still necessary to avoid using a
752 concept that is no longer valid.
753 So far, in \MATITA{} we address only this non collaborative scenario
754 (see Sect.~\ref{sec:libmanagement}). Collaborative development and versioning
755 is still under design.
756
757 Scripts are not seen as constituents of the library. They are not published
758 and indexed, so they cannot be searched or browsed using \HELM{} tools.
759 However, they play a central role for the maintenance of the library.
760 Indeed, once a notion is invalidated, the only way to restore it is to
761 fix the possibly broken script that used to generate it.
762 Moreover, during the authoring phase, scripts are a natural way to
763 group notions together. They also constitute a less fine grained clustering
764 of notions for invalidation.
765
766 In the rest of this section we present in more details the functionalities of
767 \MATITA{} related to library management and exploitation.
768 Sect.~\ref{sec:authoring} is devoted to the description of the peculiarities of
769 the \MATITA{} authoring interface.
770
771 \subsection{Indexing and searching}
772 \label{sec:indexing}
773
774 \subsection{Disambiguation}
775 \label{sec:disambiguation}
776
777 Software applications that involve input of mathematical content should strive
778 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
779 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
780 Being that drift in general very large when inputing
781 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
782 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
783 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
784 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
785 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
786
787 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
788 implemented in the \texttt{disambiguation} component of Fig.~\ref{fig:libraries}
789 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
790 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
791 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
792 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
793 expressiveness.
794
795 \subsubsection{Disambiguation aliases}
796 \label{sec:disambaliases}
797
798 Consider the following command to state a theorem over integer numbers.
799
800 \begin{grafite}
801 theorem Zlt_compat:
802   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
803 \end{grafite}
804
805 The symbol ``\texttt{<}'' is likely to be overloaded in the library
806 (at least over natural numbers). 
807 Thus, according to the disambiguation algorithm, two different
808 refinable partially specified terms could be associated to it.
809 \MATITA{} asks the user what interpretation he meant. However, to avoid
810 posing the same question in case of a future re-execution (e.g. undo/redo),
811 the choice must be recorded. Scripts need to be re-executed after invalidation.
812 Therefore the choice record must be permanently stored somewhere. The most
813 natural place is in the script itself.
814
815 In \MATITA{} disambiguation is governed by \emph{disambiguation aliases}.
816 They are mappings, stored in the library, from ambiguity sources
817 (identifiers, symbols and literal numbers at the content level) to partially
818 specified terms. In case of overloaded sources there exists multiple aliases
819 with the same source. It is possible to record \emph{disambiguation
820 preferences} to select one of the aliases of an overloaded source.
821
822 Preferences can be explicitely given in the script (using the
823 misleading \texttt{alias} commands), but
824 are also implicitly added when a new concept is introduced (\emph{implicit
825 preferences}) or after a sucessfull disambiguation that did not require
826 user interaction. Explicit preferences are added automatically by \MATITA{} to
827 record the disambiguation choices of the user. For instance, after the
828 disambiguation of the command above, the script is altered as follows:
829
830 \begin{grafite}
831 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
832 theorem Zlt_compat:
833   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
834 \end{grafite}
835
836 The ``alias'' command in the example sets the preferred alias for the
837 ``\texttt{lt}'' symbol.
838
839 Implicit preferences for new concepts are set since a concept just defined is
840 likely to be the preferred one in the rest of the script. Implicit preferences
841 learned from disambiguation of previous commands grant the coherence of
842 the disambiguation in the rest of the script and speed up disambiguation
843 reducing the search space.
844
845 Disambiguation preferences are included in the lexicon status
846 (see Sect.~\ref{???}) that is part of the authoring interface status.
847 Unlike aliases, they are not part of the library.
848
849 When starting a new authoring session the set of disambiguation preferences
850 is empty. Until it contains a preference for each overloaded symbol to be
851 used in the script, the user can be faced with questions from the disambiguator.
852 To reduce the likelyhood of user interactions, we introduced
853 the \texttt{include} command. With \texttt{include} it is possible to import
854 at once in the current session the set of preferences that was in effect
855 at the end of the execution of a given script.
856
857 Preferences can be changed. For instance, at the start of the development
858 of integer numbers the preference for the symbol ``\texttt{<}'' is likely
859 to be the one over natural numbers; sooner or later it will be set to the one
860 over integer numbers.
861
862 Nothing forbids the set of preferences to become incoherent. For this reason
863 the disambiguator cannot always respect the user preferences.
864 For example consider:
865
866 \begin{grafite}
867 theorem Zlt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
868 \end{grafite}
869
870 No refinable partially specified term corresponds to the preferences:
871 \OP{+} over natural numbers, \OP{<} over integer numbers.
872 When the disambiguator fails, disambiguation is tried again with a less
873 strict set of preferences. Thus disambiguation is organized in
874 multiple \emph{passes}. In the first pass, called \emph{mono-preferences},
875 we consider only the aliases corresponding to the current preferences.
876 In the second pass, called \emph{multi-preferences},
877 we consider every alias corresponding to a current or past preference.
878 For instance, in the example above disambiguation succeeds in the
879 multi-preference pass 
880 TODO: CAMBIATO SOLO FINO A QUI
881
882
883 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
884 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
885 refinable partially specified term matching the term could be found.
886
887 For this reason we chose to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
888 first pass attempts to disambiguate using the last available disambiguation
889 aliases (\emph{mono aliases} pass); in case of failure the next pass tries
890 disambiguation again forgetting the aliases and using the whole library to
891 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
892 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
893 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
894 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
895 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
896 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
897 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
898
899 \subsubsection{Operator instances}
900
901 Let us suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
902 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
903 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
904
905 \begin{grafite}
906 include "Z/z.ma".
907 include "nat/orders.ma".
908 ..
909 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
910   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
911 \end{grafite}
912
913 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
914 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
915 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
916 different interpretations for it have to be used in order to obtain a refinable
917 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
918 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
919 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
920 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
921 \emph{fresh instances}.
922
923 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
924 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
925 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
926 attempting a non-fresh one.
927
928 \paragraph{One-shot aliases} Disambiguation aliases as seen so far are
929 instance-independent. However, aliases obtained as a result of a disambiguation
930 pass which uses fresh instances ought to be instance-dependent, that is: to
931 ensure a term can be disambiguated in a batch fashion we may need to state that
932 an \emph{i}-th instance of a symbol should be mapped to a given partially
933 specified term. Instance-depend aliases are meaningful only for the term whose
934 disambiguation generated it. For this reason we call them \emph{one-shot
935 aliases} and \MATITA{} does not use it to disambiguate further terms down in the
936 script.
937
938 \subsubsection{Implicit coercions}
939
940 Let us now consider a theorem about derivation:
941
942 \begin{grafite}
943 theorem power_deriv:
944   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
945 \end{grafite}
946
947 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
948 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
949 Mathematicians would write the term that way since it is well known that the
950 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
951 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
952 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
953 level term, it will return a partially specified term where in place of
954 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
955 (assuming it has been defined as such of course).
956
957 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
958 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we do not want the term which uses
959 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
960 among the possible partially specified term choices. For this reason in
961 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
962 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
963 coercion-enabled pass.
964
965 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
966 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
967 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
968 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
969 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
970 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
971 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
972 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
973 prefer fresh instances over implicit coercions, i.e. we always attempt
974 disambiguation passes with fresh instances and no implicit coercions before
975 attempting passes with implicit coercions.
976
977 \subsubsection{Disambiguation passes}
978
979 According to the criteria described above in \MATITA{} we choose to perform the
980 sequence of disambiguation passes depicted in Tab.~\ref{tab:disambpasses}. In
981 our experience that choice gives reasonable performance and minimize the need of
982 user interaction during the disambiguation.
983
984 \begin{table}[ht]
985  \caption{Sequence of disambiguation passes used in \MATITA.\strut}
986  \label{tab:disambpasses} 
987  \begin{center}
988   \begin{tabular}{c|c|c|c}
989    \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
990    & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
991    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
992    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
993    \hline
994    \PASS & Mono aliases   & Shared          & Disabled \\
995    \PASS & Multi aliases  & Shared          & Disabled \\
996    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Disabled \\
997    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Disabled \\
998    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Enabled  \\
999    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Enabled  \\
1000    \PASS & Library aliases& Fresh instances & Enabled
1001   \end{tabular}
1002  \end{center}
1003 \end{table}
1004
1005
1006
1007 \subsection{Generation and Invalidation}
1008 \label{sec:libmanagement}
1009
1010 The aim of this section is to describe the way \MATITA{} 
1011 preserves the consistency and the availability of the library
1012 using the \WHELP{} technology, in response to the user alteration or 
1013 removal of mathematical objects.
1014
1015 As already sketched in Sect.~\ref{sec:fullyspec} what we generate 
1016 from a script is split among two storage media, a
1017 classical filesystem and a relational database. The former is used to
1018 store the XML encoding of the objects defined in the script, the
1019 disambiguation aliases and the interpretation and notational convention defined,
1020 while the latter is used to store all the metadata needed by
1021 \WHELP{}.
1022
1023 While the consistency of the data store in the two media has
1024 nothing to do with the nature of
1025 the content of the library and is thus uninteresting (but really
1026 tedious to implement and keep bug-free), there is a deeper
1027 notion of mathematical consistency we need to provide. Each object
1028 must reference only defined object (i.e. each proof must use only
1029 already proved theorems). 
1030
1031 We will focus on how \MATITA{} ensures the interesting kind
1032 of consistency during the formalization of a mathematical theory, 
1033 giving the user the freedom of adding, removing, modifying objects
1034 without loosing the feeling of an always visible and browsable
1035 library.
1036
1037 \subsubsection{Compilation}
1038
1039 The typechecker component guarantees that if an object is well typed
1040 it depends only on well typed objects available in the library,
1041 that is exactly what we need to be sure that the logic consistency of
1042 the library is preserved. We have only to find the right order of
1043 compilation of the scripts that compose the user development.
1044
1045 For this purpose we provide a tool called \MATITADEP{}
1046 that takes in input the list of files that compose the development and
1047 outputs their dependencies in a format suitable for the GNU \texttt{make} tool.
1048 The user is not asked to run \MATITADEP{} by hand, but
1049 simply to tell \MATITA{} the root directory of his development (where all
1050 script files can be found) and \MATITA{} will handle all the compilation
1051 related tasks, including dependencies calculation.
1052 To compute dependencies it is enough to look at the script files for
1053 inclusions of other parts of the development or for explicit
1054 references to other objects (i.e. with explicit aliases, see
1055 \ref{sec:disambaliases}). 
1056
1057 The output of the compilation is immediately available to the user
1058 trough the \WHELP{} technology, since all metadata are stored in a
1059 user-specific area of the database where the search engine has read
1060 access, and all the automated tactics that operates on the whole
1061 library, like \AUTO, have full visibility of the newly defined objects.
1062
1063 Compilation is rather simple, and the only tricky case is when we want
1064 to compile again the same script, maybe after the removal of a
1065 theorem. Here the policy is simple: clean the output before recompiling.
1066 As we will see in the next section cleaning will ensure that
1067 there will be no theorems in the development that depends on the
1068 removed items.
1069
1070 \subsubsection{Cleaning}
1071
1072 With the term ``cleaning'' we mean the process of removing all the
1073 results of an object compilation. In order to keep the consistency of
1074 the library, cleaning an object requires the (recursive) cleaning
1075 of all the objects that depend on it (\emph{reverse dependencies}).
1076
1077 The calculation of the reverse dependencies can be computed in two
1078 ways, using the relational database or using a simpler set of metadata
1079 that \MATITA{} saves in the filesystem as a result of compilation. The
1080 former technique is the same used by the \emph{Dependency Analyzer}
1081 described in \cite{zack-master} and really depends on a relational
1082 database.
1083
1084 The latter is a fall-back in case the database is not
1085 available.\footnote{Due to the complex deployment of a large piece of
1086 software like a database, it is a common practice for the \HELM{} team
1087 to use a shared remote database, that may be unavailable if the user
1088 workstation lacks network connectivity.} This facility has to be
1089 intended only as a fall-back, since the queries of the \WHELP{}
1090 technology depend require a working database.
1091
1092 Cleaning guarantees that if an object is removed there are no dandling
1093 references to it, and that the part of the library still compiled is
1094 consistent. Since cleaning involves the removal of all the results of
1095 the compilation, metadata included, the library browsable trough the
1096 \WHELP{} technology is always kept up to date.
1097
1098 \subsubsection{Batch vs Interactive}
1099
1100 \MATITA{} includes an interactive authoring interface and a batch
1101 ``compiler'' (\MATITAC). Only the former is intended to be used directly by the
1102 user, the latter is automatically invoked when a
1103 part of the user development is required (for example issuing an
1104 \texttt{include} command) but not yet compiled.
1105
1106 While they share the same engine for compilation and cleaning, they
1107 provide different granularity. The batch compiler is only able to
1108 compile a whole script and similarly to clean only a whole script
1109 (together with all the other scripts that rely on an object defined in
1110 it). The interactive interface is able to execute single steps of
1111 compilation, that may include the definition of an object, and
1112 similarly to undo single steps. Note that in the latter case there is
1113 no risk of introducing dangling references since the \MATITA{} user
1114 interface inhibit undoing a step which is not the last executed.
1115
1116 \subsection{Automation}
1117 \label{sec:automation}
1118
1119 \subsection{Naming convention}
1120 A minor but not entirely negligible aspect of \MATITA{} is that of
1121 adopting a (semi)-rigid naming convention for identifiers, derived by 
1122 our studies about metadata for statements. 
1123 The convention is only applied to identifiers for theorems 
1124 (not definitions), and relates the name of a proof to its statement.
1125 The basic rules are the following:
1126 \begin{itemize}
1127 \item each identifier is composed by an ordered list of (short)
1128 names occurring in a left to right traversal of the statement; 
1129 \item all identifiers should (but this is not strictly compulsory) 
1130 separated by an underscore,
1131 \item identifiers in two different hypothesis, or in an hypothesis
1132 and in the conclusion must be separated by the string ``\verb+_to_+'';
1133 \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
1134 single or double apostrophe.
1135
1136 \end{itemize}
1137 Take for instance the theorem
1138 \[\forall n:nat. n = plus \; n\; O\]
1139 Possible legal names are: \verb+plus_n_O+, \verb+plus_O+, 
1140 \verb+eq_n_plus_n_O+ and so on. 
1141 Similarly, consider the theorem 
1142 \[\forall n,m:nat. n<m \to n \leq m\]
1143 In this case \verb+lt_to_le+ is a legal name, 
1144 while \verb+lt_le+ is not.\\
1145 But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
1146 to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
1147 The correct approach, 
1148 in this case, is the following. You should start with defining the 
1149 symmetric property for relations
1150
1151 \[definition\;symmetric\;= \lambda A:Type.\lambda R.\forall x,y:A.R x y \to R y x \]
1152
1153 Then, you may state the symmetry of equality as
1154 \[ \forall A:Type. symmetric \;A\;(eq \; A)\]
1155 and \verb+symmetric_eq+ is valid \MATITA{} name for such a theorem. 
1156 So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
1157 has an important beneficial effect on the global organization of the library, 
1158 forcing the user to define abstract notions and properties before 
1159 using them (and formalizing such use).
1160
1161 Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
1162 conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
1163 theorems of the shape
1164 $\forall P,\dots.P(t)$.
1165 In this case you may replace the conclusion with the word
1166 ``elim'' or ``case''.
1167 For instance the name \verb+nat_elim2+ is a legal name for the double
1168 induction principle.
1169
1170 The other special case is that of statements whose conclusion is a
1171 match expression. 
1172 A typical example is the following
1173 \begin{verbatim}
1174   \forall n,m:nat. 
1175       match (eqb n m) with
1176         [ true  \Rightarrow n = m 
1177         | false \Rightarrow n \neq m]
1178 \end{verbatim}
1179 where $eqb$ is boolean equality.
1180 In this cases, the name can be build starting from the matched
1181 expression and the suffix \verb+_to_Prop+. In the above example, 
1182 \verb+eqb_to_Prop+ is accepted. 
1183
1184 \section{The authoring interface}
1185 \label{sec:authoring}
1186
1187 The authoring interface of \MATITA{} is very similar to Proof General.  We
1188 chose not to build the \MATITA{} UI over Proof General for two reasons. First
1189 of all we wanted to integrate our XML-based rendering technologies, mainly
1190 \GTKMATHVIEW{}.  At the time of writing Proof General supports only text based
1191 rendering.\footnote{This may change with the future release of Proof General
1192 based on Eclipse, but is not yet the case.} The second reason is that we wanted
1193 to build the \MATITA{} UI on top of a state-of-the-art and widespread toolkit
1194 as GTK is.
1195
1196 Fig.~\ref{fig:screenshot} is a screenshot of the \MATITA{} authoring interface,
1197 featuring two windows. The background one is very like to the Proof General
1198 interface. The main difference is that we use the \GTKMATHVIEW{} widget to
1199 render sequents. Since \GTKMATHVIEW{} renders \MATHML{} markup we take
1200 advantage of the whole bidimensional mathematical notation.
1201
1202 The foreground window, also implemented around \GTKMATHVIEW, is called
1203 ``cicBrowser''. It is used to browse the library, including the proof being
1204 developed, and enable content based search over it. Proofs are rendered in
1205 natural language, automatically generated from the low-level lambda-terms,
1206 using techniques inspired by \cite{natural,YANNTHESIS} and already described 
1207 in~\cite{remathematization}.
1208
1209 Note that the syntax used in the script view is \TeX-like, however Unicode is 
1210 fully supported so that mathematical glyphs can be input as such.
1211
1212 \begin{figure}[!ht]
1213  \begin{center}
1214   \includegraphics[width=0.95\textwidth]{pics/matita-screenshot}
1215   \caption{\MATITA{} look and feel}
1216   \label{fig:screenshot}
1217  \end{center}
1218 \end{figure}
1219
1220 Since the concepts of script based proof authoring are well-known, the
1221 remaining part of this section is dedicated to the distinguishing
1222 features of the \MATITA{} authoring interface.
1223
1224 \subsection{Direct manipulation of terms}
1225
1226 While terms are input as \TeX-like formulae in \MATITA, they are converted to a
1227 mixed \MATHML+\BOXML{} markup for output purposes and then rendered by
1228 \GTKMATHVIEW. As described in~\cite{latexmathml} this mixed choice enables both
1229 high-quality bidimensional rendering of terms (including the use of fancy
1230 layout schemata like radicals and matrices) and the use of a
1231 concise and widespread textual syntax.
1232
1233 Keeping pointers from the presentations level terms down to the
1234 partially specified ones \MATITA{} enable direct manipulation of
1235 rendered (sub)terms in the form of hyperlinks and semantic selection.
1236
1237 \emph{Hyperlinks} have anchors on the occurrences of constant and
1238 inductive type constructors and point to the corresponding definitions
1239 in the library. Anchors are available notwithstanding the use of
1240 user-defined mathematical notation: as can be seen on the right of
1241 Fig.~\ref{fig:directmanip}, where we clicked on $\not|$, symbols
1242 encoding complex notations retain all the hyperlinks of constants or
1243 constructors used in the notation.
1244
1245 \emph{Semantic selection} enables the selection of mixed
1246 \MATHML+\BOXML{} markup, constraining the selection to markup
1247 representing meaningful CIC (sub)terms. In the example on the left of
1248 Fig.~\ref{fig:directmanip} is thus possible to select the subterm
1249 $\mathrm{prime}~n$, whereas it would not be possible to select
1250 $\to n$ since the former denotes an application while the
1251 latter it not a subterm. Once a meaningful (sub)term has been
1252 selected actions can be done on it like reductions or tactic
1253 applications.
1254
1255 \begin{figure}[!ht]
1256  \begin{center}
1257   \includegraphics[width=0.40\textwidth]{pics/matita-screenshot-selection}
1258   \hspace{0.05\textwidth}
1259   \raisebox{0.4cm}{\includegraphics[width=0.50\textwidth]{pics/matita-screenshot-href}}
1260   \caption{Semantic selection and hyperlinks}
1261   \label{fig:directmanip}
1262  \end{center}
1263 \end{figure}
1264
1265 TODO: referenziarli e spostarli nella parte sulla libreria?
1266 \begin{figure}[!ht]
1267  \begin{center}
1268   \includegraphics[width=0.30\textwidth]{pics/cicbrowser-screenshot-browsing}
1269   \hspace{0.02\textwidth}
1270   \includegraphics[width=0.30\textwidth]{pics/cicbrowser-screenshot-query}
1271   \hspace{0.02\textwidth}
1272   \includegraphics[width=0.30\textwidth]{pics/cicbrowser-screenshot-con}
1273   \caption{Browsing and searching the library}
1274   \label{fig:cicbrowser}
1275  \end{center}
1276 \end{figure}
1277
1278 \subsection{Patterns}
1279
1280 In several situations working with direct manipulation of terms is 
1281 simpler and faster than typing the corresponding textual 
1282 commands~\cite{proof-by-pointing}.
1283 Nonetheless we need to record actions and selections in scripts.
1284
1285 In \MATITA{} \emph{patterns} are textual representations of selections.
1286 Users can select using the GUI and then ask the system to paste the
1287 corresponding pattern in this script, but more often this process is
1288 transparent: once an action is performed on a selection, the corresponding
1289 textual command is computed and inserted in the script.
1290
1291 \subsubsection{Pattern syntax}
1292
1293 Patterns are composed of two parts: \NT{sequent\_path} and
1294 \NT{wanted}; their concrete syntax is reported in table
1295 \ref{tab:pathsyn}.
1296
1297 \NT{sequent\_path} mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms
1298 with $?$ and selecting the interesting parts with the placeholder
1299 $\%$.  \NT{wanted} is a term that lives in the context of the
1300 placeholders.
1301
1302 Textual patterns produced from a graphical selection are made of the
1303 \NT{sequent\_path} only. Such patterns can represent every selection,
1304 but are quite verbose. The \NT{wanted} part of the syntax is meant to
1305 help the users in writing concise and elegant patterns by hand.
1306
1307 \begin{table}
1308  \caption{\label{tab:pathsyn} Patterns concrete syntax.\strut}
1309 \hrule
1310 \[
1311 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1312   \NT{pattern} & 
1313     ::= & [~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]~[~\verb+match+~\NT{wanted}~] & \\
1314   \NT{sequent\_path} & 
1315     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
1316       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
1317   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
1318   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
1319 \end{array}
1320 \]
1321 \hrule
1322 \end{table}
1323
1324 \subsubsection{Pattern evaluation}
1325
1326 Patterns are evaluated in two phases. The first selects roots
1327 (subterms) of the sequent, using the $\NT{sequent\_path}$,  while the
1328 second searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots.
1329 % Both are optional steps, and by convention the empty pattern selects
1330 % the whole conclusion.
1331
1332 \begin{description}
1333 \item[Phase 1]
1334   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
1335   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
1336   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
1337   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
1338   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
1339   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
1340   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
1341   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
1342   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
1343   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
1344   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
1345
1346   A $\NT{multipath}$ is a CIC term in which a special constant $\%$
1347   is allowed.
1348   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
1349   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
1350   selects the whole term, is simply $\%$.
1351   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
1352   that respectively select the first argument of an application or
1353   the source of an arrow and the head of the application that is
1354   found in the arrow target.
1355
1356   The first phase not only selects terms (roots of subterms) but
1357   determines also their context that will be eventually used in the
1358   second phase.
1359
1360 \item[Phase 2] 
1361   plays a role only if the $[~\verb+match+~\NT{wanted}~]$
1362   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
1363   will see as subterm roots, and their context. For each of these
1364   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
1365   corresponding root is searched for a subterm that can be unified to
1366   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
1367   pattern represents.
1368
1369 \end{description}
1370
1371 \subsubsection{Examples}
1372 %To explain how the first phase works let us give an example. Consider
1373 %you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
1374 %sum, and that you can rely on the previously demonstrated left
1375 %injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
1376 %Typing
1377 %\begin{grafite}
1378 %theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
1379 %  intros (n m H).
1380 %\end{grafite}
1381 %\noindent
1382 Consider the following sequent 
1383 \sequent{
1384 n:nat\\
1385 m:nat\\
1386 H: m + n = n}{
1387 m=O
1388 }
1389 \noindent
1390 To change the right part of the equivalence of the $H$
1391 hypothesis with $O + n$ the user selects and pastes it as the pattern
1392 in the following statement.
1393 \begin{grafite}
1394   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
1395 \end{grafite}
1396 \noindent
1397 To understand the pattern (or produce it by hand) the user should be
1398 aware that the notation $m+n=n$ hides the term $(eq~nat~(m+n)~n)$, so
1399 that the pattern selects only the third argument of $eq$.
1400
1401 The experienced user may also write by hand a concise pattern
1402 to change at once all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$:
1403 \begin{grafite}
1404   change in H match n with (O + n).
1405 \end{grafite}
1406 \noindent
1407 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
1408 the second phase locates $n$.
1409
1410 The latter pattern is equivalent to the following one, that the system
1411 can automatically generate from the selection.
1412 \begin{grafite}
1413   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
1414 \end{grafite}
1415 \noindent
1416
1417 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
1418 MERGIARE CON IL SUCCESSIVO FACENDO NOTARE CHE I PATTERNS SONO UNA
1419 INTERFACCIA OCMUNE PER LE TATTICHE
1420
1421 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
1422 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
1423 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
1424
1425 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
1426 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
1427 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
1428 con una pattern\_of(select(pattern))}
1429
1430 \subsubsection{Comparison with \COQ{}}
1431 \COQ{} has two different ways of restricting the application of tactics to
1432 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
1433 a term occurrence.
1434
1435 The first way is to use this special syntax to tell the
1436 tactic what occurrences of a wanted term should be affected.
1437 The second is to prepare the sequent with another tactic called
1438 pattern and then apply the real tactic. Note that the choice is not
1439 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
1440 with pattern and do not accept directly this special syntax.
1441
1442 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
1443 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
1444 occurrences of it (counting from left to right). In our previous example,
1445 to change only the left part of the equivalence, the correct command
1446 is
1447 \begin{grafite}
1448   change n at 2 in H with (O + n)
1449 \end{grafite} 
1450 \noindent
1451 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
1452 second we encounter proceeding from left to right.
1453
1454 The tactic pattern computes a
1455 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
1456 occurrences of the given term. In the previous example the following
1457 command
1458 \begin{grafite}
1459   pattern n at 2 in H
1460 \end{grafite}
1461 \noindent
1462 would have resulted in this sequent
1463 \begin{grafite}
1464   n : nat
1465   m : nat
1466   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
1467   ============================
1468    m = 0
1469 \end{grafite}
1470 \noindent
1471 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
1472 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
1473 the head of the application (since the unification is essentially
1474 first-order) but normally operate on the arguments. 
1475 This works for some tactics, like rewrite and replace,
1476 but for example not for change and other tactics that do not relay on
1477 unification. 
1478
1479 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
1480 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
1481 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
1482 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
1483 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
1484 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
1485 only way to tell the system exactly what you want to do. 
1486
1487 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techniques, and
1488 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
1489 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
1490
1491
1492 \subsection{Tacticals}
1493 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
1494 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
1495 around the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
1496 will not compare the two different approaches. We will describe the common
1497 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
1498 them.
1499
1500 \subsubsection{Tacticals overview}
1501
1502 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
1503 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
1504 The following simple example shows three tacticals in action
1505 \begin{grafite}
1506 theorem trivial: 
1507   \forall A,B:Prop. 
1508     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
1509   intros (A B H).
1510   split; intro; 
1511     [ rewrite < H. assumption.
1512     | rewrite > H. assumption.
1513     ]
1514 qed.
1515 \end{grafite}
1516
1517 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
1518 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
1519 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
1520 we have two goals, the two sides of the logic and).
1521 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
1522 is proved by the first sequence of tactics
1523 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
1524 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
1525 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
1526 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
1527 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
1528 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
1529 delimiter of commands the proof assistant executes).
1530
1531 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
1532 to read without the interactive tool. To help the reader in
1533 understanding the following considerations we just give few common
1534 usage examples without a proof context.
1535
1536 \begin{grafite}
1537   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
1538   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
1539 \end{grafite}
1540
1541 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
1542 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
1543 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
1544 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
1545 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
1546 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
1547 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
1548 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
1549
1550 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
1551 compositions of tacticals and in particular they are a single
1552 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
1553 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
1554 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
1555 a single statement.
1556
1557 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
1558 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
1559 maintainability and readability. 
1560
1561 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
1562 compatibility is a really time consuming task. \\
1563 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
1564 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
1565 were not opening goals in the expected order. In particular the
1566 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
1567 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
1568 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
1569 but some theorems about integers were there. The inductive type of
1570 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
1571 induction proofs on this type where written without tacticals and,
1572 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
1573 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
1574 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
1575 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
1576 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
1577 the proofs was structured with the branch tactical this task could
1578 have been done automatically. 
1579
1580 From this experience we learned that the use of tacticals for
1581 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
1582 proof script readability. We must highlight that proof scripts
1583 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
1584 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
1585 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
1586 for two different theorems to have the same proof script (while the
1587 proof is completely different).\\
1588 Bad readability is not a big deal for the user while he is
1589 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
1590 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
1591 workaround commonly used to read a script is to execute it again
1592 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
1593 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
1594 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
1595 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
1596 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
1597 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
1598 and) result in a single step of execution. The workaround does not work
1599 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
1600 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
1601
1602 Now we can understand the tradeoff between script readability and
1603 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
1604 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
1605 they are executed.
1606
1607 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
1608 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
1609 making it impossible to read them again.
1610
1611 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
1612
1613 \begin{table}
1614  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
1615 \hrule
1616 \[
1617 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1618   \NT{punctuation} & 
1619     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
1620   \NT{block\_kind} & 
1621     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
1622   \NT{block\_delimiter} & 
1623     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
1624   \NT{tactical} & 
1625     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
1626 \end{array}
1627 \]
1628 \hrule
1629 \end{table}
1630
1631 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
1632 While one would expect to find structured constructs like 
1633 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
1634 This is essential for base idea behind \MATITA{} tacticals: step-by-step
1635 execution.
1636
1637 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
1638 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
1639 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
1640 even being a so simple idea:
1641 \begin{description}
1642 \item[Proof structuring] 
1643   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
1644   are using classical tacticals in one of the state of the
1645   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or \COQIDE.
1646   After applying the induction principle you have to choose: structure
1647   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
1648   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
1649   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
1650   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
1651   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
1652   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
1653   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
1654   the already executed script you have to undo one step.
1655   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
1656   the proof and write a plain list of tactics.\\
1657   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
1658   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
1659   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
1660   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
1661   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
1662   structured proof. \\
1663   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
1664   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
1665   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
1666   
1667 \item[Rereading]
1668   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
1669   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
1670   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1671   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1672   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1673   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1674   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1675   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1676   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1677   goal) gives you the feeling of what is going on.
1678 \end{description}
1679
1680 \section{Standard library}
1681 \label{sec:stdlib}
1682
1683 \MATITA{} is \COQ{} compatible, in the sense that every theorem of \COQ{}
1684 can be read, checked and referenced in further developments. 
1685 However, in order to test the actual usability of the system, a
1686 new library of results has been started from scratch. In this case, 
1687 of course, we wrote (and offer) the source script files, 
1688 while, in the case of \COQ, \MATITA{} may only rely on XML files of
1689 \COQ{} objects. 
1690 The current library just comprises about one thousand theorems in 
1691 elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
1692 Eulers' totient function $\phi$.
1693 The library is organized in five main directories: \texttt{logic} (connectives,
1694 quantifiers, equality, \ldots), \texttt{datatypes} (basic datatypes and type 
1695 constructors), \texttt{nat} (natural numbers), \texttt{Z} (integers), \texttt{Q}
1696 (rationals). The most complex development is \texttt{nat}, organized in 25
1697 scripts, listed in Tab.~\ref{tab:scripts}.
1698
1699 \begin{table}[ht]
1700  \begin{tabular}{lll}
1701   \SCRIPT{nat.ma}    & \SCRIPT{plus.ma} & \SCRIPT{times.ma}  \\
1702   \SCRIPT{minus.ma}  & \SCRIPT{exp.ma}  & \SCRIPT{compare.ma} \\
1703   \SCRIPT{orders.ma} & \SCRIPT{le\_arith.ma} &  \SCRIPT{lt\_arith.ma} \\   
1704   \SCRIPT{factorial.ma} & \SCRIPT{sigma\_and\_pi.ma} & \SCRIPT{minimization.ma}  \\
1705   \SCRIPT{div\_and\_mod.ma} & \SCRIPT{gcd.ma} & \SCRIPT{congruence.ma} \\
1706   \SCRIPT{primes.ma} & \SCRIPT{nth\_prime.ma} & \SCRIPT{ord.ma} \\
1707   \SCRIPT{count.ma}  & \SCRIPT{relevant\_equations.ma} & \SCRIPT{permutation.ma} \\ 
1708   \SCRIPT{factorization.ma} & \SCRIPT{chinese\_reminder.ma} &
1709   \SCRIPT{fermat\_little\_th.ma} \\     
1710   \SCRIPT{totient.ma} & & \\
1711  \end{tabular}
1712  \caption{\label{tab:scripts} Scripts on natural numbers in the standard library}
1713 \end{table}
1714
1715 We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
1716 as most of the systems do. On the contrary we are currently
1717 developing wiki-technologies to support a collaborative 
1718 development of the library, encouraging people to expand, 
1719 modify and elaborate previous contributions.
1720
1721 \section{Conclusions}
1722
1723 \acknowledgements
1724 We would like to thank all the students that during the past
1725 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1726 the development of \MATITA{}, and in particular
1727 M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
1728 and V.~Tamburrelli.
1729
1730 \theendnotes
1731
1732 \bibliography{matita}
1733
1734 \end{document}
1735