Deductive verification of Rust programs

Vérification déductive de programmes Rust

• Auteur / Autrice : Xavier Denis
• Direction : Claude Marché, Jacques-Henri Jourdan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Méthodes formelles (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2021-....)
• Jury : Président / Présidente : François Pottier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Boulmé, Peter Müller, Claire Dross, Ralf Jung, Mihaela Sighireanu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Boulmé, Peter Müller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes formelles (informatique)

Logiciels -- Vérification

Rust (langage de programmation)

Mots clés libres

Rust

Appartenance

Vérification

Itérateurs

Clôtures

Rust

Ownership

Verification

Iterators

Closures

Résumé

Rust est un langage de programmation introduit en 2015, qui apporte au programmeur des éléments de sûreté concernant l'utilisation de la mémoire. Le but de cette thèse est le développement d'un outil de vérification déductive pour le langage Rust, en exploitant les spécificités de son système de types afin notamment de simplifier la gestion de l'aliasing mémoire. Une telle approche de vérification permet de s'assurer de l'absence d'erreurs à l'exécution des programmes considérés, ainsi que leur conformité vis-a-vis d'une spécification formelle du comportement fonctionnel attendu. Le fondement théorique de l'approche proposé dans cette thèse est d'utiliser une notion de prophétie qui permet d'interpréter les emprunts mutables du langage Rust en une valeur courante et une valeur future cet emprunt. L'assistant de preuve Coq a été utilisé pour formaliser cet encodage prophétique et prouver la correction de la génération d'obligation de preuves associée. Par ailleurs l'approche a été mise en œuvre dans une implémentation d'un logiciel de vérification pour Rust qui automatise la génération des obligations de preuve et fait appel à des solveurs externes pour valider ces obligations. Afin de supporter les itérateurs de Rust, une extension a été développée pour manipuler les clôtures ainsi qu'une technique de vérification pour les itérateurs et combinateurs. L'implémentation a été évaluée expérimentalement sur des exemples d'algorithmes et structures de données pertinentes. Elle a été également validée par une étude de cas conséquente: la vérification d'un solveur de satisfiabilité modulo theories (SMT).

Rust is a programming language introduced in 2015, which provides the programmer with safety features regarding the use of memory. The goal of this thesis is the development of a deductive verification tool for the Rust language, by leveraging the specificities of its type system, in order to simplify memory aliasing management, among other things. Such a verification approach ensures the absence of errors during the execution of the considered programs, as well as their compliance with a formal specification of the expected functional behavior. The theoretical foundation of the approach proposed in this thesis is to use a notion of prophecy that interprets the mutable borrows in the Rust language as a current value and a future value of this borrow. The Coq proof assistant was used to formalize this prophetic encoding and prove the correctness of the associated proof obligation generation. Furthermore, the approach has been implemented in a verification software for Rust that automates the generation of proof obligations and relies on external solvers to validate these obligations. In order to support Rust iterators, an extension has been developed to manipulate closures, as well as a verification technique for iterators and combinators. The implementation has been experimentally evaluated on relevant algorithm and data structure examples. It has also been validated through a significant case study: the verification of a satisfiability modulo theories (SMT) solver.