Cuneiform语言

Cuneiform是用于大规模科学数据分析的开源科学工作流程系统。

它是促进并行计算的静态类型的纯函数式编程语言。它的特征是有个全功能的外界函数接口，允许用户集成来自很多外部编程语言的软件。Cuneiform在组织层面上提供了一些设施，如条件分支和通用递归，使其具有图灵完备性。

## 概述

Cuneiform尝试拉近在科学工作流程系统如Apache Taverna、KNIME或Galaxy，与大规模数据分析程序模型如MapReduce或Pig Latin之间的间隙，同时提供函数式编程语言的通用性。

Cuneiform是用分布式Erlang实现的。如果运行在分布式模态下，它导出一个遵循POSIX的分布式文件系统，如Gluster或Ceph（用FUSE集成某个其他文件系统例如HDFS）。作为替代选择，Cuneiform脚本可以执行在HTCondor或Apache Hadoop顶上。

Cuneiform受到了Peter Kelly的工作的影响，他提议函数式编程作为科学工作流程执行的模型。

故而，Cuneiform不同于其他的基于数据流程编程的工作流程语言，如并行脚本语言Swift (并行脚本语言)。

## 扩展软件集成

外部工具和库（比如R或Python库）是通过外界函数接口来集成的。通过它可以组合，比如允许通过snippet节点使用外部软件的KNIME，或为集成Java软件提供BeanShell服务的Apache Taverna。通过定义采用外界语言的任务，就可能使用一个外部工具或库的API。这种方式下，工具可以直接集成而不需要写包装器或重新实现工具。

目前支持的外界编程语言有：

- Bash
- Elixir
- Erlang
- Java
- JavaScript
- MATLAB
- GNU Octave
- Perl
- Python
- R
- Racket

计划增加外界语言AWK和gnuplot。

## 类型系统

Cuneiform提供简单的、静态检查的类型系统。虽然Cuneiform提供列表作为复合数据类型，它省略了传统的列表访问子（`head`和`tail`），以避免在访问空列表时，可能引起的运行时间错误的可能性。转而列表只能通过在其上`map`或`fold`，以全有或全无方式访问。此外，Cuneiform（在组织层面）省略了算术，这排除了除以零的可能性。省略任何的部分定义运算，允许保证运行时间错误只能在外界代码中引发。

### 基础数据类型

Cuneiform提供的基础数据类型有布尔值、字符串和文件。这里的文件被用来以任意格式在外界函数之间交换数据。

### 记录和模式匹配

Cuneiform提供记录（结构）作为复合数据类型。下面的例子展示定义一个变量`r`，作为有两个字段`a1`和`a2`的记录，第一个是字符串，而第二个是布尔值：

```swift
let r : <a1 : Str, a2 : Bool> =
  <a1 = "my string", a2 = true>;
```

记录可以要么通过投影（projection）要么通过模式匹配来访问。下面的例子从记录`r`，提取两个字段`a1`和`a2`：

```swift
let a1 : Str = ( r|a1 );

let <a2 = a2 : Bool> = r;
```

### 列表和列表处理

进一步的，Cuneiform提供列表作为复合数据类型。下面的例子展示定义一个变量`xs`，作为一个有三个元素的一个文件：

```erlang
let xs : [File] =
  ['a.txt', 'b.txt', 'c.txt' : File];
```

列表可以通过`for`和`fold`算子来处理。这里的`for`算子可以接受多个列表，来逐个元素的处置列表（类似于Racket中的`for/list`、Common Lisp中的`mapcar`或Erlang中的`zipwith`）。

下面的例子展示如何在一个单一的列表上`map`，结果是一个文件列表：

```ruby
for x <- xs do
  process-one( arg1 = x )
  : File
end;
```

下面的例子展示如何`zip`两个列表，结果也是一个文件列表：

```ruby
for x <- xs, y <- ys do
  process-two( arg1 = x, arg2 = y )
  : File
end;
```

最后，列表可以使用`fold`算子来做聚集。下面的例子合计一个列表的元素：

```text
  fold acc = 0, x <- xs do
    add( a = acc, b = x )
  end;
```

## 并行执行

Cuneiform是纯函数式语言，就是说它不支持可变引用。作为结论，它可以使用独立子项，将一个程序分解成可并行的各部分。Cuneiform调度器分布这些部分到做工节点。此外，Cuneiform采用传名调用求值策略，值只在它对计算结果有贡献时计算。最后，外界函数应用是记忆化的，用来加速包含以前推导结果的计算。

例如，下列Cuneiform程序允许`f`和`g`的应用平行的运行，而`h`是有依赖的，它只在`f`和`g`二者完成的时候可以开始：

下列Cuneiform程序通过将函数`f`映射到一个三元素列表，创建了三个并行应用：

类似的，在记录`r`的构造中，`f`和`g`的应用是独立的，因此可以并行运行：

## 例子

下面是一个hello-world脚本：

```ruby
def greet( person : Str ) -> <out : Str>
in Bash *{
  out="Hello $person"
}*

( greet( person = "world" )|out );
```

这个脚本定义了采用Bash的一个任务`greet`，它对其字符串实际参数`person`预加上`"Hello "`。这个函数产生具有一个单一字符串字段的记录`out`。应用`greet`，绑定实际参数`person`到字符串`"world"`，产生记录`<out = "Hello world">`。将这个记录投影为它的字段`out`，求值出字符串`"Hello world"`。

可以通过定义采用Bash的一个任务来集成命令行工具：

```ruby
def samtoolsSort( bam : File ) -> <sorted : File>
in Bash *{
  sorted=sorted.bam
  samtools sort -m 2G $bam -o $sorted
}*
```

在这个例子中定义了任务`samtoolsSort`。它调用了工具SAMtools，处置一个BAM格式的输入文件，并产生一个排序了也是BAM格式的输出文件。

## 发行历史

版本｜出现日期｜实现语言｜发布平台｜外界语言

1.0.0｜2014年5月｜Java｜Apache Hadoop｜Bash, Common Lisp, GNU Octave, Perl, Python, R, Scala

2.0.x｜2015年3月｜Java｜HTCondor, Apache Hadoop｜Bash, BeanShell, Common Lisp, MATLAB, GNU Octave, Perl, Python, R, Scala

2.2.x｜2016年4月｜Erlang｜HTCondor, Apache Hadoop｜Bash, Perl, Python, R

3.0.x｜2018年2月｜Erlang｜分布式Erlang｜Bash, Erlang, Java, MATLAB, GNU Octave, Perl, Python, R, Racket

在2016年4月，Cuneiform的实现语言从Java切换成了Erlang，并且在2018年2月，它的主要发布执行平台从Apache Hadoop变更为分布式Erlang。此外，从2015年到2018年，HTCondor曾被作为可替代执行平台来维护。

Cuneiform的外表语法修订过两次，这反映在主版本号上。

### 版本1

在2014年5月发布的最初草案中，Cuneiform密切关联于Make，它构造解释器在执行期间要遍历的静态数据依赖图。与后来版本的主要区别，是缺乏条件、递归或静态类型检查。区分文件和字符串，是通过同波浪号`~`形成一个单一引用的字符串。脚本的查询表达式，通过`target`关键字来介入。Bash是缺省外界语言。函数应用必须使用`apply`形式来完成，它接受`task`作为第一个关键字实际参数。一年之后，这种外表语法被一种精简却类似的版本所替代。

下面的例子脚本从一个FTP服务器下载一个参考genome：

```
declare download-ref-genome;

deftask download-fa( fa : ~path ~id ) *{
    wget $path/$id.fa.gz
    gunzip $id.fa.gz
    mv $id.fa $fa
}*

ref-genome-path = ~'ftp://hgdownload.cse.ucsc.edu/goldenPath/hg19/chromosomes';
ref-genome-id = ~'chr22';

ref-genome = apply(
    task : download-fa
    path : ref-genome-path
    id : ref-genome-id
);

target ref-genome;
```

### 版本2

<image>

Cuneiform外表语法的第二个草案，首次发表于2015年3月，在Cuneiform的实现语言从Java到Erlang的迁移期间，持续使用了三年。求值不同于早期方式，解释器归约一个表达式，而非遍历一个静态图。在外表语法保持使用这段时期，解释器被形式化和简化，这导致了第一个Cuneiform的语义规定。语法特征是有了条件。但是，布尔值被编码为列表，再度利用空列表为布尔值`false`，非空列表为布尔值`true`。递归后来作为形式化的副产品而增加。但是，静态类型检查，只在后来的版本3中介入。

下列脚本解压一个压缩文件，并把它分解为大小均匀的划分：

```
deftask unzip( <out( File )> : zip( File ) ) in bash *{
  unzip -d dir $zip
  out=`ls dir | awk '{print "dir/" $0}'`
}*

deftask split( <out( File )> : file( File ) ) in bash *{
  split -l 1024 $file txt
  out=txt*
}*

sotu = "sotu/stateoftheunion1790-2014.txt.zip";
fileLst = split( file: unzip( zip: sotu ) );

fileLst;
```

### 版本3

Cuneiform外表语法的当前版本，比较于早期的草案，是尝试拉近与主流函数式编程语言的间隙。它的特征是简单的静态检查的类型系统，并在列表之外介入记录作为第二个复合数据结构类型。布尔值独立为基础数据类型。

下列脚本解包一个文件，结果为一个文件列表：

```
def untar( tar : File ) -> <fileLst : [File]>
in Bash *{
  tar xf $tar
  fileLst=`tar tf $tar`
}*

let hg38Tar : File =
  'hg38/hg38.tar';

let <fileLst = faLst : [File]> =
  untar( tar = hg38Tar );

faLst;
```

## 基本资料

- 日语原文：Cuneiform
- 编程范型：纯函数式, 数据流程
- 设计者：Jörgen Brandt
- 状态：Active
- 软件版本周期：3.0.5
- 软件版本周期：2022年5月27日
- 类型系统：简单类型
- 受影响于：Swift (并行脚本语言)
- 操作系统：Linux, Mac OS
- 实作语言：Erlang
- 许可证：Apache许可证 2.0
- 文件扩展名：.cfl
- 发行时间：2013年