Vérification automatique de programmes fonctionnels d'ordre supérieur à l'aide de languages réguliers d'arbres

Automatic verification of higher-order functional programs using regular tree languages

• Auteur / Autrice : Timothée Haudebourg
• Direction : Thomas Genet, Thomas Jensen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) - CELTIQUE
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CELTIQUE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Langages de programmation fonctionnelle

Vérification de modèles (informatique)

Mots clés libres

Vérification de modèles (informatique)

Langages de programmation fonctionnelle

Program Verification

Functional programming languages

Regular tree languages

Résumé

Nous étudions comment les langages réguliers d'arbres peuvent être utilisés pour vérifier automatiquement des propriétés sur des programmes fonctionnels d'ordre supérieur. Notre but est de développer de nouvelles techniques et outils pour les programmeurs permettant de développer des programmes plus sûrs tout en réduisant le temps et l'expertise nécessaire pour les vérifier. Cette thèse se concentre sur la vérification de propriétés régulières, famille pour laquelle nous montrons qu'une vérification complète et automatique est possible. Notre méthode de vérification est construite sur une procédure d'abstraction capable d'apprendre des langages réguliers sur-approchant les états atteignables d'un programme. En utilisant les langages réguliers en tant que types, nous montrons comment modulariser cette procédure pour vérifier des propriétés complexes en les formulant en tant que problèmes d'inférence des types. Nous étudions ses performances au travers de notre implémentation OCaml, Timbuk4, sur plus de 80 problèmes de vérification. Nous montrons ensuite que notre procédure d'abstraction peut être utilisée pour vérifier des propriété relationnelles qui semblaient hors de portée des langages réguliers. Pour cela, nous utilisons et étendons un opérateur de convolution sur les arbres pour représenter une relation par langage régulier. Nous étendons ensuite notre procédure d'apprentissage de langages pour inférer automatiquement ces relations. Nous proposons une implémentation de cette idée en Rust en tant solveur de systèmes de clauses de Horn contraintes et étudions ses performances sur de multiples problèmes relationnels.

This thesis studies how regular tree languages can be used to automatically verify properties on higher-order functional programs. Our goal is to develop new techniques and tools for the programmers to develop safer programs while reducing the time and expertise needed to verify them. In particular, we focus on the automatic verification of regular safety properties, a family of properties for which we show that completely and fully automatic verification can be achieved. Our verification method is build upon a regular abstraction procedure that can automatically learn regular tree languages that over-approximates of the reachable states of a program, allowing the verification of a target property. By using regular languages as types we modularize this procedure to verify complex properties by stating them as type inference problems. In addition we study the performances of the overall technique in our prototype OCaml implementation in the Timbuk4 verification framework over a test suite of more than 80 verification problems. We then show how our abstraction procedure can be used to verify relational properties that seemed out of the scope of regular tree languages. To do that, we use and extend a convolution operator on trees to represent every element of a relation into a regular tree language. We can then extend our previously defied regular language learning procedure to automatically infer such regular relations. We propose a Rust implementation of this idea as a regular solver for Constrained Horn Clauses systems and study its performance on several relational verification problems.