]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - helm/papers/calculemus-2003/hbugs-calculemus-2003.tex
New ispell.
[helm.git] / helm / papers / calculemus-2003 / hbugs-calculemus-2003.tex
1 \documentclass[runningheads]{llncs}
2 \pagestyle{headings}
3 \setcounter{page}{1}
4 \usepackage{graphicx}
5 \usepackage{amsfonts}
6
7 % \myincludegraphics{filename}{place}{width}{caption}{label}
8 \newcommand{\myincludegraphics}[5]{
9    \begin{figure}[#2]
10    \begin{center}
11    \includegraphics[width=#3]{eps/#1.eps}
12    \caption[#4]{#5}
13    \label{#1}
14    \end{center}
15    \end{figure}
16 }
17
18 \usepackage[show]{ed}
19 \usepackage{draftstamp}
20
21 \newcommand{\musing}{\texttt{musing}}
22 \newcommand{\musings}{\texttt{musings}}
23 \newcommand{\ws}{Web-Service}
24 \newcommand{\wss}{Web-Services}
25 \newcommand{\hbugs}{H-Bugs}
26 \newcommand{\helm}{HELM}
27 \newcommand{\Omegapp}{$\Omega$mega}
28 \newcommand{\OmegaAnts}{$\Omega$mega-Ants}
29
30 \title{Brokers and Web-Services for Automatic Deduction: a Case Study}
31
32 \author{Claudio Sacerdoti Coen \and Stefano Zacchiroli}
33
34 \institute{
35   Department of Computer Science\\
36   University of Bologna\\
37   Mura Anteo Zamboni 7, 40127 Bologna, ITALY\\
38   \email{sacerdot@cs.unibo.it}
39   \and
40   Department of Computer Science\\
41   \'Ecole Normale Sup\'erieure\\
42   45, Rue d'Ulm, F-75230 Paris Cedex 05, FRANCE\\
43   \email{zack@cs.unibo.it}
44 }
45
46 \date{ }
47
48 \begin{document}
49 \sloppy
50 \maketitle
51
52 \begin{abstract}
53   We present a planning broker and several Web-Services for automatic deduction.
54   Each Web-Service implements one of the tactics usually available in an
55   interactive proof-assistant. When the broker is submitted a "proof status" (an
56   unfinished proof tree and a focus on an open goal) it dispatches the proof to
57   the Web-Services, collects the successful results, and send them back to the
58   client as "hints" as soon as they are available.
59   
60   In our experience this architecture turns out to be helpful both for
61   experienced users (who can take benefit of distributing heavy computations)
62   and beginners (who can learn from it).
63 \end{abstract}
64
65 \section{Introduction}
66   The \ws{} approach at software development seems to be a working solution for
67   getting rid of a wide range of incompatibilities between communicating
68   software applications. W3C's efforts in standardizing related technologies
69   grant longevity and implementations availability for frameworks based on
70   \wss{} for information exchange. As a direct consequence, the number of such
71   frameworks is increasing and the World Wide Web is moving from a disorganized
72   repository of human-understandable HTML documents to a disorganized repository
73   of applications working on machine-understandable XML documents both for input
74   and output.
75   
76   The big challenge for the next future is to provide stable and reliable
77   services over this disorganized, unreliable and ever-evolving architecture.
78   The standard solution is providing a further level of
79   stable services (called \emph{brokers}) that behave as common gateway/address
80   for client applications to access a wide variety of services and abstract over
81   them.
82
83   Since the \emph{Declaration of Linz}, the MONET
84   Consortium\footnote{\url{http://monet.nag.co.uk/cocoon/monet/index.html}}
85   is working on the development of a framework, based on the
86   \wss{}/brokers approach, aimed at providing a set of software tools for the
87   advertisement and the discovery of mathematical \wss{}.
88   %CSC This framework turns out to be strongly based on both \wss{} and brokers.
89
90   Several groups have already developed software bus and
91   services\footnote{The most part of these systems predate the development of
92   \wss. Those systems whose development is still active are slowly being
93   reimplemented as \wss.} providing both computational and reasoning
94   capabilities \cite{ws1,ws2,ws3,ws4}: the first ones are implemented on top of
95   Computer Algebra Systems; the second ones provide interfaces to well-known
96   theorem provers.
97   Proof-planners, proof-assistants, CAS and
98   domain-specific problem solvers are natural candidates to be client of these
99   services.  Nevertheless, so far the number of examples in the literature has
100   been extremely low and the concrete benefits are still to be assessed.
101
102   In this paper we present an architecture, namely \hbugs{}, implementing a
103   \emph{suggestion engine} for the proof assistant developed on behalf of the
104   \helm{}\footnote{Hypertextual Electronic Library of Mathematics,
105   \url{http://helm.cs.unibo.it}} project
106   \cite{helm}. We provide several \wss{} (called \emph{tutors}) able to
107   suggest possible ways to proceed in a proof. The tutors are orchestrated
108   by a broker (a \ws{} itself) that is able to dispatch a proof
109   status from a client (the proof-assistant) to the tutors;
110   each tutor try to make progress in the proof and, in case
111   of success, notify the client that shows an \emph{hint} to the user.
112   The broker is an instance of the homonymous entity of the MONET framework.
113   The tutors are MONET services. Another \ws (which is not described in this
114   paper and which is called Getter \cite{zack}) is used to locate and download
115   mathematical entities; the Getter plays the role of the Mathematical Object
116   Manager in the MONET framework.
117
118   A precursor of \hbugs{} is the \OmegaAnts{} project
119   \cite{omegaants1,omegaants2}, which provided similar functionalities to the
120   \Omegapp{} proof-planner \cite{omega}. The main architectural difference
121   between \hbugs{} and \OmegaAnts{} are that the latter is based on a
122   black-board architecture and it is not implemented using \wss{} and
123   brokers.
124
125   In Sect. \ref{architecture} we present the architecture of \hbugs{}.
126   Further implementation details are given in Sect. \ref{implementation}.
127   Sect. \ref{tutors} is an overview of the tutors that have been implemented.
128   As usual, the paper ends with the conclusions and future works.
129   
130 \section{An \hbugs{} Bird's Eye View}
131 \label{architecture}
132   \myincludegraphics{arch}{t}{8cm}{\hbugs{} architecture}{\hbugs{} architecture}
133
134   The \hbugs{} architecture (depicted in Fig. \ref{arch}) is based on three
135   different kinds of actors: \emph{clients}, \emph{brokers}, and \emph{tutors}.
136   Each actor present one or more \ws{} interfaces to its neighbors \hbugs{}
137   actors.
138
139   In this section we will detail the role and requirements of each kind of
140   actors and discuss about the correspondences between them and the MONET
141   entities described in \cite{MONET-Overview}.
142
143   \paragraph{Clients}
144     An \hbugs{} client is a software component able to produce \emph{proof
145     status} and to consume \emph{hints}.
146
147     A proof status is a representation of an incomplete proof and is supposed to
148     be informative enough to be used by an interactive proof assistant. No
149     additional requirements exist on the proof status, but there should be an
150     agreement on its format between clients and tutors. An hint is an
151     encoding of a step that can be performed in order to proceed in an
152     incomplete proof. Usually it represents a reference to a tactic available
153     on some proof assistant along with an instantiation for its formal
154     parameters. More structured hints can also be used: an hint can be
155     as complex as a whole proof-plan.
156
157     Using W3C's terminology \cite{ws-glossary}, clients act both as \ws{}
158     providers and requesters, see Fig. \ref{interfaces}.
159     They act as providers for the broker (to receive hints)
160     and as requesters (to submit new status). Clients
161     additionally use broker service to know which tutors are available and to
162     subscribe to one or more of them.
163
164     Usually, when the client role is taken by an interactive proof assistant,
165     new status are sent to the broker as soon as the proof change (e.g. when the
166     user applies a tactic or when a new proof is started) and hints are shown to
167     the user be the means of some effect in the user interface (e.g. popping a
168     dialog box or enlightening a tactic button).\ednote{CSC: questo \'e un
169     possibile posto dove mettere una reference a una mini-sessione interattiva.
170     \'E l'appendice un posto dove metterla?}
171
172     \myincludegraphics{interfaces}{t!}{10cm}{\hbugs{} \wss{} interfaces}
173      {\hbugs{} \wss{} interfaces}
174
175     \hbugs{} clients act as MONET clients and ask brokers to provide access to a
176     set of services (the tutors). \hbugs{} has no actors corresponding to
177     MONET's Broker Locating Service (since the client is supposed to know the
178     URI of at least one broker). The \hbugs{} client and tutors contact the
179     Getter (a MONET Mathematical Object Manager) to locate and retrieve
180     mathematical items in the \helm{} library.
181     The proof status that are exchanged
182     by the \hbugs{} actors, instead, are built on the fly and are neither
183     stored nor are given an unique identifier (URI) to be managed by the
184     Getter.
185
186   \paragraph{Brokers}
187     Brokers are the key actors of the \hbugs{} architecture since they
188     act as intermediaries between clients and tutors. They behave as \wss{}
189     providers and requesters for \emph{both} clients and tutors, see Fig.
190     \ref{interfaces}.
191
192     With respect to the client, a broker acts as a \ws{} provider, receiving the
193     proof status and forwarding it to one or more tutors.
194     It also acts as a \ws{} requester sending
195     hints to the client as soon as they are available from the tutors.
196
197     With respect to the tutors, the \ws{} provider role is accomplished by
198     receiving hints as soon as they are produced; as a requester, it is
199     accomplished by asking for computations (\emph{musings} in \hbugs{}
200     terminology) on status received by clients and by stopping already late but
201     still ongoing \musings{}.
202
203     Additionally brokers keep track of available tutors and clients
204     subscriptions.
205
206     \hbugs{} brokers act as MONET brokers implementing the following components:
207     Client Manager, Service Registry Manager (keeping track of available
208     tutors), Planning Manager (choosing the available tutors among the ones to
209     which the client is subscribed), Execution Manager. The Service Manager
210     component is not required since the session handler, that identifies
211     a session between a service and a broker, is provided to the service by
212     the broker instead of being received from the service when the session is
213     initialized. In particular, a session is identified by an unique identifier
214     for the client (its URL) and an unique identifier for the broker (its
215     URL).
216
217     The MONET architecture specification does not state explicitly whether
218     the service and broker answers can be asynchronous. Nevertheless, the
219     described information flow implicitly suggests a synchronous implementation.
220     On the contrary, in \hbugs{} every request is asynchronous: the connection
221     used by an actor to issue a query is immediately closed; when a service
222     produces an answer, it gives it back to the issuer by calling the
223     appropriate actor's method.
224
225   \paragraph{Tutors}
226     Tutors are software component able to consume proof status producing hints.
227     \hbugs{} does not specify by which means hints should be produced: tutors
228     can use any means necessary (heuristics, external theorem prover or CAS,
229     etc.). The only requirement is that there exists an agreement on the
230     formats of proof status and hints.
231
232     Tutors act both as \ws{} providers and requesters for the broker. As
233     providers, they wait for commands requesting to start a new \musing{} on
234     a given proof status or to stop an old, out of date, \musing{}. As
235     requesters, they signal to the broker the end of a \musing{} along with its
236     outcome (an hint in case of success or a notification of failure).
237
238     \hbugs{} tutors act as MONET services.
239
240 \section{An \hbugs{} Session Example}
241
242 \section{Implementation's Highlights}
243 \label{implementation}
244 In this section we present some of the most relevant implementation details of
245 the \hbugs{} architecture.
246
247
248   \paragraph{Proof status}
249     In our implementation of the \hbugs{} architecture we used the proof
250     assistant of the \helm{} project (codename ``gTopLevel'') as an \hbugs{}
251     client. Thus we have implemented serialization/deserialization capabilities
252     for its internal status. In order to be able to describe \wss{} that
253     exchange status in WSDL using the XML Schema type system, we have chosen an
254     XML format as the target format for the serialization.
255
256     A schematic representation of the gTopLevel internal status is depicted in
257     Fig. \ref{status}. Each proof is represented by a tuple of four elements:
258     \emph{uri}, \emph{metasenv}, \emph{proof}, \emph{thesis}.
259
260     \myincludegraphics{status}{t}{8cm}{gTopLevel proof status}{gTopLevel proof
261     status}
262
263     \begin{description}
264       \item[uri]: an URI chosen by the user at the beginning of the proof
265         process. Once (and if) proved, that URI will globally identify the term
266         inside the \helm{} library (given that the user decides to save it).
267       \item[thesis]: the thesis of the ongoing proof
268       \item[proof]: the current incomplete proof tree. It can contain
269         \emph{metavariables} (holes) that stands for the parts of the proof
270         that are still to be completed. Each metavariable appearing in the
271         tree references one element of the metavariables environment
272         (\emph{metasenv}).
273       \item[metasenv]: the metavariables environment is a list of
274         \emph{goals} (unproved conjectures).
275         In order to complete the proof, the user has to instantiate every
276         metavariable in the proof with a proof of the corresponding goal.
277         Each goal is identified by an unique identifier and has a context
278         and a type ( the goal thesis). The context is a list of named
279         hypotheses (declarations and definitions). Thus the context and the goal
280         thesis form a sequent, which is the statement of the proof that will
281         be used to instantiate the metavariable occurrences.
282     \end{description}
283
284     Each of these information is represented in XML as described in
285     \cite{mowglicic}. Additionally, an \hbugs{} status carry the unique
286     identifier of the current goal, which is the goal the user is currently
287     focused on. Using this value it is possible to implement different client
288     side strategies: the user could ask the tutors to work on the goal
289     she is considering or to work on the other ``background'' goals.
290
291   \paragraph{Hints}
292     An hint in the \hbugs{} architecture should carry enough information to
293     permit the client to progress in the current proof. In our
294     implementation each hint corresponds to either one of the tactics available
295     to the user in gTopLevel (together with its actual arguments) or a set
296     of alternative suggestions (a list of hints).
297
298     For tactics that don't require any particular argument (like tactics that
299     apply type constructors or decision procedures)
300     only the tactic name is represented in the hint. For tactics that need
301     terms as arguments (for example the \texttt{Apply} tactic that apply a
302     given lemma) the hint includes a textual representation of them, using the
303     same representation used by the interactive proof assistant when querying
304     user for terms. In order to be transmitted between \wss{}, hints are
305     serialized in XML.
306
307     It is also possible for a tutor to return more hints at once,
308     grouping them in a particular XML element.
309     This feature turns out to be particularly useful for the
310     \emph{searchPatternApply} tutor (see Sect. \ref{tutors}) that
311     query a lemma database and return to the client a list of all lemmas that
312     could be used to complete the proof. This particular hint is encoded as a
313     list of \texttt{Apply} hints, each of them having one of the results as term
314     argument.
315
316     We would like to stress that the \hbugs{} architecture has no dependency
317     on either the hint or the status representation: the only message parts
318     that are fixed are those representing the administrative messages
319     (the envelops in the \wss{} terminology). In particular, the broker can
320     manage at the same time several sessions working on different status/hints
321     formats. Of course, there must be an agreement between the clients
322     and the tutors on the format of the data exchanged.
323
324     In our implementation the client does not trust the tutors hints:
325     being encoded as references to available tactics imply
326     that an \hbugs{} client, on receipt of an hint, simply try to reply the work
327     done by a tutor on the local copy of the proof. The application of the hint
328     can even fail to type check and the client copy of the proof can be left
329     undamaged after spotting the error. Note, however, that it is still
330     possible to implement a complex tutor that looks for a proof doing
331     backtracking and
332     send back to the client an hint whose argument is a witness (a trace) of
333     the proof found: the client applies the hint reconstructing (and checking
334     the correctness of) the proof from the witness, without having to
335     re-discover the proof itself.
336
337     An alternative implementation where the tutors are trusted would simply
338     send back to the client a new proof-status. Upon receiving the
339     proof-status, the client would just override its current proof status with
340     the suggested one. In the case of those clients which are implemented
341     using proof-objects (as the Coq proof-assistant, for instance), it is
342     still possible for the client to type-check the proof-object and reject
343     wrong hints. The systems that are not based on proof-objects
344     (as PVS, NuPRL, etc.), instead, have to trust the new proof-status. In this
345     case the \hbugs{} architecture needs at least to be extended with
346     clients-tutors authentication.
347     
348   \paragraph{Registries}
349     Being central in the \hbugs{} architecture, the broker is also responsible
350     of housekeeping operations both for clients and tutors. These operations are
351     implemented using three different data structures called \emph{registries}:
352     clients registry, tutors registry and \musings{} registry.
353
354     In order to use the suggestion engine a client should register itself to the
355     broker and subscribe to one or more tutors. The registration phase is
356     triggered by the client using the \texttt{Register\_client} method of the
357     broker to send him an unique identifier and its base URI as a
358     \ws{}. After the registration, the client can use broker's
359     \texttt{List\_tutors} method to get a list of available tutors.
360     Eventually the client can subscribe to one or more of these using broker's
361     \texttt{Subscribe} method. Clients can also unregister from brokers using
362     \texttt{Unregister\_client} method.
363
364     The broker keeps track of both registered clients and clients' subscriptions
365     in the clients registry.
366
367     In order to be advertised to clients during the subscription phase, tutors
368     should register to the broker using the broker's \texttt{Register\_tutor}
369     method.  This method is really similar to \texttt{Register\_client}:
370     tutors are required to send an unique identify and a base URI for their
371     \ws{}.
372     Additionally tutors are required to send an human readable description of
373     their capabilities; this information could be used by client's user to
374     decide which tutors he needs to subscribe to. Like clients, tutors can
375     unregister from brokers using \texttt{Unregister\_broker} method.
376
377     Each time the client status change, the status is sent to the
378     broker using its \texttt{Status} method. Using both clients registry (to
379     lookup client's subscription) and tutors registry (to check if some tutors
380     has unsubscribed), the broker is able to decide to which tutors the
381     new status must be forwarded.\ednote{CSC: qui o nei lavori futuri parlare
382     della possibilit\'a di avere un vero brocker che multiplexi le richieste
383     dei client localizzando i servizi, etc.}
384
385     The forwarding operation is performed using the \texttt{Start\_musing}
386     method of the tutors, that is a request to start a new computation
387     (\emph{\musing{}}) on a given status. The return value of
388     \texttt{Start\_musing} is a
389     \musing{} identifier that is saved in the \musings{} registry along with
390     the identifier of the client that triggered the \musing{}.
391
392     As soon as a tutor completes an \musing{}, it informs the broker
393     using its \texttt{Musing\_completed} method; the broker can now remove the
394     \musing{} entry from the \musings{} registry and, depending on its outcome,
395     inform the client. In case of success one of the \texttt{Musing\_completed}
396     arguments is an hint to be sent to the client, otherwise there's no need to
397     inform him and the \texttt{Musing\_completed} method is called
398     just to update the \musings{} registry.
399
400     Consulting the \musings{} registry, the broker is able to know, at each
401     time, which \musings{} are in execution on which tutor. This peculiarity is
402     exploited by the broker on invocation of the \texttt{Status} method.
403     Receiving a new status from the client implies indeed that the previous
404     status no longer exists and all \musings{} working on it should be stopped:
405     additionally to the already described behavior (i.e. starting new
406     \musings{} on the received status), the broker takes also care of stopping
407     ongoing computation invoking the \texttt{Stop\_musing} method of the tutors.
408
409   \paragraph{\wss{}}
410     As already discussed, all \hbugs{} actors act as \wss{} offering one or more
411     services to neighbor actors. To grant as most accessibility as possible to
412     our \wss{} we have chosen to bind them using the HTTP/POST\footnote{Given
413     that our proof assistant was entirely developed in the Objective Caml
414     language, we have chosen to develop also \hbugs{} in that language in order
415     to maximize code reuse. To develop \wss{} in Objective Caml we have
416     developed an auxiliary generic library (\emph{O'HTTP}) that can be used to
417     write HTTP 1.1 Web servers and abstract over GET/POST parsing. This library
418     supports different kinds of Web servers architecture, including
419     multi-process and multi-threaded ones.} bindings described in
420     \cite{wsdlbindings}.
421
422   \paragraph{Tutors}
423     Each tutor expose a \ws{} interface and should be able to work, not only for
424     many different clients referring to a common broker, but also for many
425     different brokers. The potential high number of concurrent clients imposes
426     a multi-threaded or multi-process architecture.
427
428     Our current implementation is based on a multi threaded architecture
429     exploiting the capabilities of the O'HTTP library. Each tutor is composed
430     by one thread always running plus
431     an additional thread for each running \musing{}. One thread is devoted to
432     listening for incoming \ws{} request; upon correct receiving requests it
433     pass the control to a second thread, created on the fly, to handle the
434     incoming request following the classical one-thread-per-request approach in
435     web servers design.
436     If the received request is \texttt{Start\_musing}, a new thread is
437     spawned to handle it; the thread in duty to handle the HTTP request
438     returns an HTTP response containing the identifier of the just started
439     \texttt{musing}, and then dyes. If the received request is
440     \texttt{Stop\_musing}, instead, the spawned thread kills the thread
441     responsible for the \texttt{musing} whose identifier is the argument
442     of the \texttt{Stop\_musing} method.
443     
444     This architecture turns out to be scalable and allows the running threads
445     to share the cache of loaded (and type-checked) theorems.
446     As we will explain in Sect. \ref{tutors}, this feature turns out to be
447     really useful for tactics that rely on a huge but fixed set of lemmas,
448     as every reflexive tactic.
449
450     The implementation of a tutor with the described architecture is not that
451     difficult having a language with good threading capabilities (as OCaml has)
452     and a pool of already implemented tactics (as gTopLevel has).
453     Still working with threads is known to be really error prone due to
454     concurrent programming intrinsic complexity. Moreover, there is a
455     non-neglectable part of code that needs to be duplicated in every tutor:
456     the code to register the tutor to the broker and to handle HTTP requests;
457     the code to manage the creation and termination of threads; and the code for
458     parsing the requests and serializing the answers. As a consequence we
459     have written a generic implementation of a tutor which is parameterized
460     over the code that actually propose the hint and some administrative
461     data (as the port the tutor will be listening to).
462
463     The generic tutor skeleton is really helpful in writing new tutors.
464     Nevertheless, the code obtained by converting existing tactics into tutors
465     is still quite repetitive: every tutor that wraps a tactic has to
466     instantiate its own copy of the proof-engine kernel and, for each request,
467     it has to override its status, guess the tactic arguments, apply the tactic
468     and, in case of success, send back an hint with the tactic name and the
469     chosen arguments. Of course, the complex part of the work is guessing the
470     right arguments. For the simple case of tactics that do not require
471     any argument, though, we are able to automatically generate the whole
472     tutor code given the tactic name. Concretely, we have written a
473     tactic-based tutor template and a script that parses an XML file with
474     the specification of the tutor and generates the tutor's code.
475     The XML file describes the tutor's port, the code to invoke the tactic,
476     the hint that is sent back upon successful application and a
477     human readable explanation of the tactic implemented by the tutor.
478
479 \section{The Implemented \hbugs Tutors}
480 \label{tutors}
481 To test the \hbugs{} architecture and to assess the utility of a suggestion
482 engine for the end user, we have implemented several tutors. In particular,
483 we have investigated three classes of tutors:
484 \begin{enumerate}
485  \item \emph{Tutors for beginners}. These are tutors that implement tactics
486    which are neither computationally expensive nor difficult to understand:
487    an expert user can always understand if the tactic can be applied or not
488    without having to try it. For example, the following implemented tutors
489    belong to this class:
490     \begin{itemize}
491      \item \emph{Assumption Tutor}: it ends the proof if the thesis is
492        equivalent\footnote{In our implementation, the equivalence relation
493        imposed by the logical framework is \emph{convertibility}. Two
494        expressions are convertible when they reduce to the same normal form.
495        Two ``equal'' terms depending on free variables can be non-convertible
496        since free variables stop the reduction. For example, $2x$ is convertible
497        with $(3-1)x$ because they both reduce to the same normal form
498        $x + x + 0$; but $2x$ is not convertible to $x2$ since the latter is
499        already in normal form.}
500        to one of the hypotheses\footnote{
501        In some cases, especially when non-trivial computations are involved,
502        the user is totally unable to figure out the convertibility of two terms.
503        In these cases the tutor becomes handy also for expert users.}.
504      \item \emph{Contradiction Tutor}: it ends the proof by \emph{reductio ad
505        adsurdum} if one hypothesis is equivalent to $False$.
506      \item \emph{Symmetry Tutor}: if the goal thesis is an equality, it
507        suggests to apply the commutative property.
508      \item \emph{Left/Right/Exists/Split/Reflexivity/Constructor Tutors}:
509        the Constructor Tutor suggests to proceed in the proof by applying one
510        or more constructors when the goal thesis is an inductive type or a
511        proposition inductively defined according to the declarative
512        style\footnote{An example of a proposition that can be given in
513        declarative style is the $\le$ relation: $\le$ is the smallest relation
514        such that $n \le n$ for every $n$ and $n \le m$ for every $n,m$ such
515        that $n \le p$ where $p$ is the predecessor of $m$. Thus, a proof
516        of $n \le n$ is simply the application of the first constructor to
517        $n$ and a proof of $n \le m$ is the application of the second
518        constructor to $n,m$ and a proof of $n \le m$.}.
519        Since disjunction, conjunction, existential quantification and
520        Leibniz equality are particular cases of inductive propositions,
521        all the other tutors of this class are instantiations of the
522        the Constructor tactic. Left and Right suggest to prove a disjunction
523        by proving its left/right member; Split reduces the proof of a
524        conjunction to the two proof of its members; Exists suggests to
525        prove an existential quantification by providing a
526        witness\footnote{This task is left to the user.}; Reflexivity proves
527        an equality whenever the two sides are convertible.
528     \end{itemize}
529   Beginners, when first faced with a tactic-based proof-assistant, get
530   lost quite soon since the set of tactics is large and their names and
531   semantics must be remembered by heart. Tutorials are provided to guide
532   the user step-by-step in a few proofs, suggesting the tactics that must
533   be used. We believe that our beginners tutors can provide an auxiliary
534   learning tool: after the tutorial, the user is not suddenly left alone
535   with the system, but she can experiment with variations of the proof given
536   in the tutorial as much as she like, still getting useful suggestions.
537   Thus the user is allowed to focus on learning how to do a formal proof
538   instead of wasting efforts trying to remember the interface to the system.
539  \item{Tutors for Computationally Expensive Tactics}. Several tactics have
540   an unpredictable behavior, in the sense that it is unfeasible to understand
541   whether they will succeed or they will fail when applied and what will be
542   their result. Among them, there are several tactics either computationally
543   expensive or resources consuming. In the first case, the user is not
544   willing to try a tactic and wait for a long time just to understand its
545   outcome: she would prefer to keep on concentrating on the proof and
546   have the tactic applied in background and receive out-of-band notification
547   of its success. The second case is similar, but the tactic application must
548   be performed on a remote machine to avoid overloading the user host
549   with several concurrent resource consuming applications.
550
551   Finally, several complex tactics and in particular all the tactics based
552   on reflexive techniques depend on a pretty large set of definitions, lemmas
553   and theorems. When these tactics are applied, the system needs to retrieve
554   and load all the lemmas. Pre-loading all the material needed by every
555   tactic can quickly lead to long initialization times and to large memory
556   footstamps. A specialized tutor running on a remote machine, instead,
557   can easily pre-load the required theorems.
558
559   As an example of computationally expensive task, we have implemented
560   a tutor for the \emph{Ring} tactic \cite{ringboutin}.
561   The tutor is able to prove an equality over a ring by reducing both members
562   to a common normal form. The reduction, which may require some time in
563   complex cases,
564   is based on the usual commutative, associative and neutral element properties
565   of a ring. The tactic is implemented using a reflexive technique, which
566   means that the reduction trace is not stored in the proof-object itself:
567   the type-checker is able to perform the reduction on-the-fly thanks to
568   the conversion rules of the system. As a consequence, in the library there
569   must be stored both the algorithm used for the reduction and the proof of
570   correctness of the algorithm, based on the ring axioms. This big proof
571   and all of its lemmas must be retrieved and loaded in order to apply the
572   tactic. The Ring tutor loads and cache all the required theorems the
573   first time it is contacted.
574  \item{Intelligent Tutors}. Expert users can already benefit from the previous
575   class of tutors. Nevertheless, to achieve a significative production gain,
576   they need more intelligent tutors implementing domain-specific theorem
577   provers or able to perform complex computations. These tutors are not just
578   plain implementations of tactics or decision procedures, but can be
579   more complex software agents interacting with third-parties software,
580   such as proof-planners, CAS or theorem-provers.
581
582   To test the productivity impact of intelligent tutors, we have implemented
583   a tutor that is interfaced with the \helm{}
584   Search-Engine\footnote{\url{http://mowgli.cs.unibo.it/library.html}} and that
585   is able to look for every theorem in the distributed library that can
586   be applied to proceed in the proof. Even if the tutor deductive power
587   is extremely limited\footnote{We do not attempt to check if the new goals
588   obtained applying a lemma can be automatically proved or, even better,
589   automatically disproved to reject the lemma.}, it is not unusual for
590   the tutor to come up with precious hints that can save several minutes of
591   work that would be spent in proving again already proven results or
592   figuring out where the lemmas could have been stored in the library.
593 \end{enumerate}
594
595 \section{Conclusions and Future Work}
596 \label{conclusions}
597   In this paper we described a suggestion engine architecture for
598   proof-assistants: the client (a proof-assistant) sends the current proof
599   status to several distributed \wss{} (called tutors) that try to progress
600   in the proof and, in case of success, send back an appropriate hint
601   (a proof-plan) to the user. The user, that in the meantime was able to
602   reason and progress in the proof, is notified with the hints and can decide
603   to apply or ignore them. A broker is provided to decouple the clients and
604   the tutors and to allow the client to locate and invoke the available remote
605   services. The whole architecture is an instance of the MONET architecture
606   for Mathematical \wss{}.
607
608   A running prototype has been implemented as part of the
609   \helm{} project \cite{helm}
610   and we already provide several tutors. Some of them are simple tutors that
611   try to apply one or more tactics of the \helm{} Proof-Engine, which is also
612   our client. We also have a much more complex tutor that is interfaced
613   with the \helm{} Search-Engine and looks for lemmas that can be directly
614   applied.
615
616   We have many plans for further developing both the \hbugs{} architecture and
617   our prototype. Interesting results could be obtained
618   augmenting the informative content of each suggestion. We can for example
619   modify the broker so that also negative results are sent back to the client.
620   Those negative suggestions could be reflected in the user interface by
621   deactivating commands to narrow the choice of tactics available to the user.
622   This approach could be interesting especially for novice users, but require
623   the client to trust other actors a bit more than in the current approach.
624
625   We plan also to add some rating mechanism to the architecture. A first
626   improvement in this direction could be distinguishing between hints that, when
627   applied, are able to completely close one or more goals and
628   tactics that progress in the proof by reducing one or more goals to new goals:
629   the new goals could be false and the proof can be closed only by backtracking.
630
631   Other heuristics and/or measures could be added to rate
632   hints and show them to the user in a particular order: an interesting one
633   could be a measure that try to minimize the size of the generated proof,
634   privileging therefore non-overkilling solutions \cite{ring}.
635
636   We are also considering to follow the \OmegaAnts{} path more closely adding
637   ``recursion'' to the system so that the proof status resulting from the
638   application of old hints are cached somewhere and could be used as a starting
639   point for new hint searches. The approach is interesting, but it represents
640   a big shift towards automatic theorem proving: thus we must consider if it is
641   worth the effort given the increasing availability of automation in proof
642   assistants tactics and the ongoing development of \wss{} based on
643   already existent and well developed theorem provers.
644
645   Even if not strictly part of the \hbugs{} architecture, the graphical user
646   interface (GUI) of our prototype needs a lot of improvement if we would like
647   it to be really usable by novices. In particular, the user is too easily
648   distracted by the tutor's hints that are ``pushed'' to her.
649
650   Our \wss{} still lack a real integration in the MONET architecture,
651   since we do not provide the different ontologies to describe our problems,
652   solutions, queries and services. In the short term, completing this task
653   could provide a significative feedback to the MONET consortium and would
654   enlarge the current set of available MONET actors on the Web. In the long
655   term, new more intelligent tutors could be developed on top of already
656   existent MONET \wss{}.
657
658   To conclude, \hbugs{} is a nice experiment meant to understand whether the
659   current \wss{} technology is mature enough to have a concrete and useful
660   impact on the daily work of users of proof-assistants. So far, only the tutor
661   that is interfaced with the \helm{} Search-Engine has effectively increased
662   the productivity of experts users. The usefulness of the tutors developed for
663   beginners, instead, need further assessment.
664
665 \begin{thebibliography}{01}
666
667 \bibitem{ws-glossary} Web Services Glossary, W3C Working Draft, 14 May 2003.\\
668  \url{http://www.w3.org/TR/ws-gloss/}
669
670 \bibitem{wsdlbindings} Web Services Description Language (WSDL)
671  Version 1.2: Bindings, W3C Working Draft, 24 January 2003.\\
672  \url{http://www.w3.org/TR/wsdl12-bindings/}
673
674 \bibitem{ws1}A. Armando, D. Zini. Interfacing Computer Algebra and
675  Deduction Systems via the Logic Broker Architecture. In Proceedings
676  of the Eighth Calculemus symphosium, St. Andrews, Scotland, 6--7 August 2000.
677
678 \bibitem{ws3} O. Caprotti. Symbolic Evaluator Service. Project Report of
679  the MathBrocker Project, RISC-Linz, Johannes Kepler University, Linz,
680  Austria, May 2002.
681
682 \bibitem{helm} A. Asperti, F. Guidi, L. Padovani, C. Sacerdoti Coen, I. Schena.
683  Mathematical Knowledge Management in HELM. In Annals of Mathematics and
684  Artificial Intelligence, 38(1): 27--46, May 2003.
685
686 \bibitem{omegaants1} C. Benzm\"uller, V. Sorge. O-Ants -- An Open Approach
687  at Combining Interactive and Automated Theorem Proving. In M. Kerber and
688  M. Kohlhase (eds.), Integration of Symbolic and Mechanized Reasoning, pp.
689  81--97, 2000.
690
691 \bibitem{omegaants2} C. Benzm\"uller, M. Jamnik, M. Kerber, V. Sorge.
692  Agent-based Mathematical Reasoning. In A. Armando and T. Jebelean (eds.),
693  Electronic Notes in Theoretical Computer Science, (1999) 23(3), Elsevier.
694
695 \bibitem{omega} C. Benzm\"uller, L. Cheikhrouhou, D. Fehrer, A. Fiedler,
696  X. Huang, M. Kerber, M. Kohlhase, K. Konrad, E. Melis, A. Meier,
697  W. Schaarschmidt, J. Siekmann, V. Sorge. OMEGA: Towards a Mathematical
698  Assistant. In W. McCune (ed), Proceedings of the 14th Conference on
699  Automated Deduction (CADE-14), Springer LNAI vol. 1249, pp. 252--255,
700  Townsville, Australia, 1997.
701
702 \bibitem{ringboutin} S. Boutin. Using reflection to build efficient and
703  certified decision procedures. In Martin Abadi and Takahashi Ito, editors,
704  TACS'97, volume 1281. LNCS, Springer-Verlag, 1997.
705
706 \bibitem{MONET-Overview} The MONET Consortium, MONET Architecture Overview,
707  Public Deliverable D04 of the MONET Project.\\
708  \url{http://monet.nag.co.uk/cocoon/monet/publicsdocs/monet-overview.pdf}
709
710 \bibitem{mowglicic} C. Sacerdoti Coen. Exportation Module, MoWGLI Deliverable
711  D2.a.\\
712  \url{http://mowgli.cs.unibo.it/html\_no\_frames/deliverables/transformation/d2a.html}
713
714 \bibitem{ring} C. Sacerdoti Coen. Tactics in Modern Proof-Assistants: the
715  Bad Habit of Overkilling. In Supplementary Proceedings of the 14th
716  International Conference TPHOLS 2001, pp. 352--367, Edinburgh.
717
718 \bibitem{zack} S. Zacchiroli. \emph{Web services per il supporto alla
719  dimostrazione interattiva}, Master Thesis, University of Bologna, 2002.
720
721 \bibitem{ws4} J. Zimmer and L. Dennis. Inductive Theorem Proving and
722  Computer Algebra in the MathWeb Software Bus. In Proceedings of the 10th
723  CALCULEMUS Symposium 2002, 3--5 July 2002.
724
725 \bibitem{ws2} R. Zippel. The MathBus. In Workshop on Internet Accessible
726  Mathematical Computation at ISSAC'99, Vancouver, Canada, July 28--31, 1999.
727
728 \end{thebibliography}
729  
730 \end{document}