Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Automatic Extraction of Program Models for Formal Software Verification
KTH, School of Computer Science and Communication (CSC), Theoretical Computer Science, TCS.ORCID iD: 0000-0002-6468-1605
2015 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

In this thesis we present a study of the generation of abstract program models from programs in real-world programming languages that are employed in the formal verification of software. The thesis is divided into three parts, which cover distinct types of software systems, programming languages, verification scenarios, program models and properties.The first part presents an algorithm for the extraction of control flow graphs from sequential Java bytecode programs. The graphs are tailored for a compositional technique for the verification of temporal control flow safety properties. We prove that the extracted models soundly over-approximate the program behaviour w.r.t. sequences of method invocations and exceptions. Therefore, the properties that are established with the compositional technique over the control flow graphs also hold for the programs. We implement the algorithm as ConFlEx, and evaluate the tool on a number of test cases.The second part presents a technique to generate program models from incomplete software systems, i.e., programs where the implementation of at least one of the components is not available. We first define a framework to represent incomplete Java bytecode programs, and extend the algorithm presented in the first part to handle missing code. Then, we introduce refinement rules, i.e., conditions for instantiating the missing code, and prove that the rules preserve properties established over control flow graphs extracted from incomplete programs. We have extended ConFlEx to support the new definitions, and re-evaluate the tool, now over test cases of incomplete programs.The third part addresses the verification of multithreaded programs. We present a technique to prove the following property of synchronization with condition variables: "If every thread synchronizing under the same condition variables eventually enters its synchronization block, then every thread will eventually exit the synchronization". To support the verification, we first propose SyncTask, a simple intermediate language for specifying synchronized parallel computations. Then, we propose an annotation language for Java programs to assist the automatic extraction of SyncTask programs, and show that, for correctly annotated programs, the above-mentioned property holds if and only if the corresponding SyncTask program terminates. We reduce the termination problem into a reachability problem on Coloured Petri Nets. We define an algorithm to extract nets from SyncTask programs, and show that a program terminates if and only if its corresponding net always reaches a particular set of dead configurations. The extraction of SyncTask programs and their translation into Petri nets is implemented as the STaVe tool. We evaluate the technique by feeding annotated Java programs to STaVe, then verifying the extracted nets with a standard Coloured Petri Net analysis tool

Abstract [sv]

Den här avhandlingen studerar automatisk konstruktion av abstrakta modeller för formell verifikation av program skrivna i verkliga programmeringsspråk. Avhandlingen består av tre delar som involverar olika typer av program, programmeringsspråk, verifikationsscenarier, programmodeller och egenskaper.Del ett presenterar en algoritm för generation av flödesgrafer från sekventiella program i Java bytekod. Graferna är skräddarsydda för en kompositionell teknik för verifikationen av temporala kontrollflödens säkerhetsegenskaper. Vi visar att de extraherade modellerna sunt överapproximerar programbeteenden med avseende på sekvenser av metodanrop och -undantag. Således gäller egenskaperna som kan fastställas genom kompositionstekniken över kontrollflöden även för programmen. Vi implementerar dessutom algoritmen i form av verktyget ConFlEx och utvärderar verktyget på ett antal testfall.Del två presenterar en teknik för att generera modeller av ofullständiga program. Det vill säga, program där implementationen av åtminstone en komponent inte är tillgänglig. Vi definierar ett ramverk för att representera ofullständiga Java bytekodsprogram och utökar algoritmen från del ett till att hantera ofullständig kod.  Därefter presenterar vi raffineringsregler - villkor för att instansiera den saknade koden - och bevisar att reglerna bevarar relevanta egenskaper av kontrollflödesgrafer. Vi har dessutom utökat ConFlEx till att stödja de nya definitionerna och har omvärderat verktyget på testfall av ofullständiga program.Del tre angriper verifikation av multitrådade program. Vi presenterar en teknik för att bevisa följande egenskap för synkronisering med vilkorsvariabler: "Om varje trådsynkronisering under samma villkor så småningom stiger in i sitt synkroniseringsblock så kommer varje tråd också till slut lämna synkroniseringen". För att stödja verifikationen så introducerar vi först SyncTask - ett enkelt mellanliggande språk för att specificera synkronisering av parallella beräkningar. Därefter presenterar vi ett annoteringsspråk för Java som tillåter automatisk extrahering av SyncTask-program och visar att egenskapen gäller om och endast om motsvarande SyncTask-program terminerar. Vi reducerar termineringsproblemet till ett nåbarhetsproblem på färgade Petrinät samt definierar en algoritm som skapar Petrinät från SyncTask-program där programmet terminerar om och endast om nätet alltid når en särskild mängd av döda konfigurationer. Extraktionen av SyncTask-program och deras motsvarande Petrinät är implementerade i form av verktyget STaVe.  Slutligen utvärderar vi verktyget genom att mata annoterade.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. , viii, 118 p.
Series
TRITA-CSC-A, ISSN 1653-5723 ; 2015:16
Keyword [en]
Software Verification, Static Analysis, Program Models, Petri Nets, Compositional Verification, Concurrency
National Category
Computer Systems
Research subject
Computer Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-176286ISBN: 978-91-7595-761-6 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-176286DiVA: diva2:866369
Public defence
2015-12-04, F3, Lindstedtsvägen 26, KTH, Stockholm, 14:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20151101

Available from: 2015-11-03 Created: 2015-11-02 Last updated: 2015-11-12Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Thesis(1360 kB)228 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1360 kBChecksum SHA-512
cedf64436024f460fbd95ac5ee5e8abd81526727e589f0078434d0366ff5184a6823d03dc9b0941d1ec4f51f97e4273c850419b01c2e1a2b9ab01404a628df9c
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

de Carvalho Gomes, Pedro

Search in DiVA

By author/editor
de Carvalho Gomes, Pedro
By organisation
Theoretical Computer Science, TCS
Computer Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 228 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 1135 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf