Formalisation de la sémantique d'emprunt en Rust

Formalization of the semantics of borrowing in Rust

• Auteur / Autrice : Alban Reynaud michez
• Direction : David Monniaux, Sylvain Boulme
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : VERIMAG
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Preuves et Analyses de Code pour la Sûreté et la Sécurité

Mots clés

Mots clés libres

Langage Rust

Sémantique des langages de programmation

Borrow checking

Interprétation abstraite

Rust Programming Language

Programming Languages Semantics

Borrow Checking

Abstract Interpretation

Résumé

Rust est un langage de programmation système récent. Il est accès sur les performances et la sureté. Notamment, il permet de gérer la mémoire avec un grand contrôle tout en évitant la plupart des erreurs de mémoire grâce à son système de type. Ce système repose sur les notions de propriété (ownership) et d'emprunt (borrowing). La mémoire est souvent accédée au travers de références respectant des règles d'emprunts. Enfin, le respect de ces règles est vérifié à la compilation par une composante du compilateur nommée « borrow checker ». L'algorithme actuel de borrow checker est nommé « non-lexical lifetimes » (NLL). Le projet RustBelt démontre notamment qu'un fragment safe du langage vérifié avec NLL s'exécute sans erreurs. Cependant NLL possède des limitations et il est prévu qu'il soit remplacé par un algorithme nommé « Polonius ». Mais pour aucune de ces algotrithme il n'existe une spécification de ce qu'est censé faire le borrow checker, se limitant principalement à une description des algorithmes. Mon projet est de proposer un cadre formel pour le borrow checker. Cela consiste en la proposition d'un modèle du langage safe, inspiré d'une représentation intermédiaire appelée la MIR. Des garanties de sureté sont ajouté au niveau opérationnel à l'aide du modèle « Stacked Borrows ». Le borrow checker est défini comme une interprétation abstraite de ce modèle. Cela donne un lien clair entre la sémantique opérationnel et le résultat de l'analyse. Enfin, cela faciliterait les améliorations du borrow checker (par exemple : le two-phase borrow checking). Il suffirait pour cela de modifier la sémantique opérationelle ou le domaine abstrait.

Rust is a recent system programming language. Its focus is placed on performance and safety. In particular, it allows to manage the memory with a great control while preventing most of the memory errors thanks to its type system. This system is based on the notions of ownership and borrowing. Memory is often accessed through references that respect borrowing rules. Finally, the respect of these rules is verified at compile time by a component of the compiler called 'borrow checker'. The current borrow checker algorithm is called "non-lexical lifetimes" (NLL). The RustBelt project has demonstrated that a safe fragment of the language checked with NLL runs without errors. However, NLL has its limitations, and it is planned to replace it with an algorithm called "Polonius". But for none of these algotrithms is there a specification of what the borrow checker is supposed to do, limited mainly to a description of the algorithms. My project is to propose a formal framework for the borrow checker. This consists in proposing a model of the safe language, inspired by an intermediate representation called the MIR. Safety guarantees are added at the operational level using the "Stacked Borrows" model. The borrow checker is defined as an abstract interpretation of this model. This provides a clear link between operational semantics and the analysis result. Finally, it would facilitate improvements to the borrow checker (e.g. two-phase borrow checking). All that would be required would be to modify the operational semantics or the abstract domain.