Vérification de programmes récursifs et communicants via split-width

Verification of communicating recursive programs via split-width

• Auteur / Autrice : Aiswarya Cyriac
• Direction : Paul Gastin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 28/01/2014
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benedikt Bollig, Ahmed Bouajjani, James Worrell
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aziz Parosh Abdulla, Anca Muscholl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Logiciels -- Vérification

Traitement réparti

Mots clés libres

Systèmes concurrents

Contrôleurs distribués

Vérification

Concurrent systems

Distributed controllers

Model checking

Monadic second-order logic

Propositional dynamic logic

Split-width

Under-approximate verification

Résumé

Cette thèse développe des techniques à base d'automates pour la vérification formelle de systèmes physiquement distribués communiquant via des canaux fiables de tailles non bornées. Chaque machine peut exécuter localement plusieurs programmes récursifs (multi-threading). Un programme récursif peut également utiliser pour ses calculs locaux des structures de données non bornées, comme des files ou des piles. Ces systèmes, utilisés en pratique, sont si puissants que tous leurs problèmes de vérification deviennent indécidables. Nous introduisons et étudions un nouveau paramètre, appelé largeur de coupe (split-width), pour l'analyse de ces systèmes. Cette largeur de coupe est définie comme le nombre minimum de scissions nécessaires pour partitioner le graphe d'une exécution en parties sur lesquelles on pourra raisonner de manière indépendante. L'analyse est ainsi réalisée avec une approche diviser pour régner. Lorsqu'on se restreint à la classe des comportements ayant une largeur de coupe bornée par une constante, on obtient des procédures de décision optimales pour divers problèmes de vérification sur ces systèmes tels que l'accessibilité, l'inclusion, etc. ainsi que pour la satisfaisabilité et le model checking par rapport à divers formalismes comme la logique monadique du second ordre, la logique dynamique propositionnelle et des logiques temporelles. On montre aussi que les comportements d'un système ont une largeur de coupe bornée si et seulement si ils ont une largeur de clique bornée. Ainsi, grâce aux résultats de Courcelle sur les graphes de degré uniformément borné, la largeur de coupe est non seulement suffisante, mais aussi nécessaire pour obtenir la décidabilité du problème de satisfaisabilité d'une formule de la logique monadique du second ordre. Nous étudions ensuite l'existence de contrôleurs distribués génériques pour nos systèmes distribués. Nous proposons plusieurs contrôleurs, certains ayant un nombre fini d'états et d'autres étant déterministes, qui assurent que les comportements du système sont des graphes ayant une largeur de coupe bornée. Un système ainsi contrôlé de manière distribuée hérite des procédures de décision optimales pour les différents problèmes de vérification lorsque la largeur de coupe est bornée. Cette classe décidable de système généralise plusieurs sous-classes décidables étudiées précédemment.

This thesis investigates automata-theoretic techniques for the verification of physically distributed machines communicating via unbounded reliable channels. Each of these machines may run several recursive programs (multi-threading). A recursive program may also use several unbounded stack and queue data-structures for its local-computation needs. Such real-world systems are so powerful that all verification problems become undecidable. We introduce and study a new parameter called split-width for the under-approximate analysis of such systems. Split-width is the minimum number of splits required in the behaviour graphs to obtain disjoint parts which can be reasoned about independently. Thus it provides a divide-and-conquer approach for their analysis. With the parameter split-width, we obtain optimal decision procedures for various verification problems on these systems like reachability, inclusion, etc. and also for satisfiability and model checking against various logical formalisms such as monadic second-order logic, propositional dynamic logic and temporal logics. It is shown that behaviours of a system have bounded split-width if and only if they have bounded clique-width. Thus, by Courcelle's results on uniformly bounded-degree graphs, split-width is not only sufficient but also necessary to get decidability for MSO satisfiability checking. We then study the feasibility of distributed controllers for our generic distributed systems. We propose several controllers, some finite state and some deterministic, which ensure that the behaviours of the system have bounded split-width. Such a distributedly controlled system yields decidability for the various verification problems by inheriting the optimal decision procedures for split-width. These also extend or complement many known decidable subclasses of systems studied previously.