Utilisation de spécifications formelle pour implémenter un backend de base de données

Leveraging formal specification to implement a database backend

• Auteur / Autrice : Saalik Hatia
• Direction : Marc Shapiro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 01/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Miné
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carla Ferreira, Serdar Taşıran, Patrick Valduriez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuelle Anceaume, Gaël Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bases de données -- Gestion

Cohérence (informatique)

Traitement réparti

Données massives

Mots clés libres

Systèmes distribués

Base de données

Cohérence

Distributed Systems

Database

Consistence

Résumé

Conceptuellement, un système de stockage de base de données n'est qu'une correspondance entre des clés et des valeurs. Cependant, pour offrir des performances élevées et une fiabilité, une base de donnée moderne est un système complexe et concurrent, rendant le système prône aux erreurs. Cette thèse relate notre parcours, allant de la spécification formelle d'une base de données à son implémentation. La spécification est courte et non ambigüe, et aide à raisonner sur la justesse. La lecture du pseudocode de la spécification fournit une base rigoureuse pour une implémentation. La spécification décrit la couche de stockage comme une mémoire partagée transactionnelle simple, avec deux variantes (au comportement équivalent), basées sur une map et un journal. Nous implémentons ces deux variantes en restant fidèles à notre spécification. Nous spécifions les fonctionnalités d'une base de données moderne, ayant un système de journalisation avec des snapshots et de la troncature, comme une composition des deux variants. La spécification de cette dernière est particulièrement simple. Finalement, nous présentons une évaluation expérimentale avec des performances qui sont acceptables pour une implémentation qui est correcte.

Conceptually, a database storage backend is just a map of keys to values. However, to provide performance and reliability, a modern store is a complex, concurrent software system, opening many opportunities for bugs. This thesis reports on our journey from formal specification of a store to its implementation. The specification is terse and unambiguous, and helps reason about correctness. Read as pseudocode, the specification provides a rigorous grounding for implementation. The specification describes a store as a simple transactional shared memory, with two (behaviourally equivalent) variants, map- and journal-based. We implement these two basic variants verbatim in Java. We specify the features of a modern store, such as a write-ahead log with checkpointing and truncation, as a dynamic composition of instances of the two basic variants. The specification of correct composition is particularly simple. Our experimental evaluation of an implementation has acceptable performance, while our rigorous methodology increases confidence in its correctness.