Propriétés relationnnelles pour la spécification et la vérification de programmes C avec Frama-C

Relational properties for specification and verification of C programs in Frama-C

• Auteur / Autrice : Lionel Blatter
• Direction : Pascale Le Gall
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 26/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mathématiques et informatique pour la complexité et les systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Filliâtre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Le Gall, Jean-Christophe Filliâtre, Alain Giorgetti, Mattias Ulbrich, Mihaela Sighireany, Virgile Prevosto, Nikolaï Kosmatov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Giorgetti, Mattias Ulbrich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des systèmes

C (langage de programmation)

Langages de programmation -- Sémantique

Mots clés libres

Propriétés relationnelles

Frama-C

Verification deductive

Relational properties

Frama-C

Deductive Verification

Résumé

Les techniques de vérification déductive fournissent des méthodes puissantes pour la vérification formelle des propriétés exprimées dans la Logique de Hoare. Dans cette formalisation, également connue sous le nom de sémantique axiomatique, un programme est considéré comme un transformateur de prédicat, où chaque programme c exécuté sur un état vérifiant une propriété P conduit à un état vérifiant une autre propriété Q. Les propriétés relationnelles, de leur côté, lient un ensemble de programmes à deux propriétés. Plus précisément, une propriété relationnelle est une propriété concernant n programmes c1; ::::; cn, indiquant que si chaque programme ci commence dans un état si et termine dans un état s0 i tel que P(s1; ::::; sn) soit vérifié, alors Q(s0 1; :::; s0 n) est vérifié. Ainsi, les propriétés relationnelles invoquent tout nombre fini d’exécutions de programmes éventuellement dissemblables. De telles propriétés ne peuvent pas être exprimées directement dans le cadre traditionnel de la vérification déductive modulaire, car la sémantique axiomatique ne peut se référer à deux exécutions distinctes d’un programme c, ou à des programmes différents c1 et c2. Cette thèse apporte deux solutions à la vérification déductive des propriétés relationnelles. Les deux approches permettent de prouver une propriété relationnelle et de l’utiliser comme hypothèse dans des vérifications ultérieures. Nous modélisons ces solutions à l’aide d’un mini-langage impératif contenant des appels de procédures. Les deux solutions sont implémentées dans le contexte du langage de programmation C, de la plateforme FRAMA-C, du langage de spécification ACSL et du plugin de vérification déductive WP. Le nouvel outil, appelé RPP, permet de spécifier une propriété relationnelle, de la prouver en utilisant la vérification déductive classique, et de l’utiliser comme hypothèse dans la preuve d’autres propriétés. L’outil est évalué sur une série d’exemples illustratifs. Des expériences ont également été faites sur la vérification à l’exécution de propriétés relationnelles et la génération de contre-exemples lorsqu’une propriété ne peut être prouvée.

Deductive verification techniques provide powerful methods for formal verification of properties expressed in Hoare Logic. In this formalization, also known as axiomatic semantics, a program is seen as a predicate transformer, where each program c executed on a state verifying a property P leads to a state verifying another property Q. Relational properties, on the other hand, link n program to two properties. More precisely, a relational property is a property about n programs c1; :::; cn stating that if each program ci starts in a state si and ends in a state s0 i such that P(s1; :::; sn) holds, then Q(s0 1; :::; s0 n) holds. Thus, relational properties invoke any finite number of executions of possibly dissimilar programs. Such properties cannot be expressed directly in the traditional setting of modular deductive verification, as axiomatic semantics cannot refer to two distinct executions of a program c, or different programs c1 and c2. This thesis brings two solutions to the deductive verification of relational properties. Both of them make it possible to prove a relational property and to use it as a hypothesis in the subsequent verifications. We model our solutions using a small imperative language containing procedure calls. Both solutions are implemented in the context of the C programming language, the FRAMA-C platform, the ACSL specification language and the deductive verification plugin WP. The new tool, called RPP, allows one to specify a relational property, to prove it using classic deductive verification, and to use it as hypothesis in the proof of other properties. The tool is evaluated over a set of illustrative examples. Experiments have also been made on runtime checking of relational properties and counterexample generation when a property cannot be proved.