Analyse statique de programmes et interprétation abstraite. Olivier Bouissou

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1 Analyse statique de programmes et interprétation abstraite Olivier Bouissou

2 Organisation du cours. Intervenants : cours et TP assurés par Olivier Bouissou (olivier.bouissou@cea.fr) - CEA LIST. Déroulement : 7 séances de 2*2 heures séances 1 et 2 : 4 heures de cours. séances 3 à 5 : 2 heures de cours et 2 heures de TP séance 6 et 7 : 4 heures de TP 2

3 Organisation du cours : plan du cours. Date : 29/01/13 04/02/13 (lundi) 12/02/13 19/02/13 26/02/13 05/03/13 12/03/13 Cours : Introduction - Sémantique concrète - Sémantique abstraite Domaines abstraits - Intervalles et octagones - Itérateur Analyse de programmes avec pointeurs. Combinaison d analyses - Produit réduit Cours d ouverture - - TP : - - Domaine des intervalles Itérateur - Widening Domaine des booléens - Produit réduit Au choix Au choix 3

4 Organisation du cours. 4

5 Organisation du cours : les cours. Objectif : apprendre à construire un analyseur statique par interprétation abstraite. introduire les bases théoriques nécessaires (et pas plus). introduire, par la pratique et l exemple, les techniques classiques pour obtenir un analyseur performant et précis. Approche pragmatique : ce cours ne vise pas à être exhaustif sur la théorie de l interprétation abstraite. on donnera une approche possible, volontairement limitée, permettant de définir un type d analyse statique. on essaiera de donner, en même temps que les résultats théoriques, des techniques de programmation aidant à la construction d un analyseur. 5

6 Organisation du cours : support de cours. Transparents : après chaque séance sur le site web. certains transparents sont incomplets et seront terminés en cours. certaines preuves seront faites au tableau. 6

7 Organisation du cours : les TP. Objectif : mise en pratique des solutions apportées en cours. avoir un aperçu des difficultés techniques liées à la réalisation d un analyseur statique. Programmation en OCAML (connaissance de OCAML requise). Utilisation de la technologie NEWSPEAK développée chez EADS-IW. c.f. A la fin du semestre, vous aurez codé un analyseur statique de programmes C. 7

8 Organisation du cours : évaluation. Evaluation pratique : le projet à la fin du cours, projet à rendre plus des jalons après certaines séances de TP. objectif du projet : coder un analyseur statique par interprétation abstraite. les TPs servent de préparation au projet. vous pourrez choisir, à partir de la 4ème séance, un thème à approfondir (domaines, itérateur, produit réduit...) Evaluation théorique : contrôle continu (QCM au début de chaque séance). contrôle final (présentation d article). 8

9 Stages. Toujours possible si intéressés. 9

10 Master STL - NI505 - IA Cours 1 Problématique de la vérification automatique de programmes. static const NUM TRANSF2_B06_C3 = E static const NUM TRANSF2_B06_C4 = static const NUM TRANSF2_B06_C5 = static const NUM LIM_A1_E2 = E+00 static const NUM LIM_A1_E3 = E+0 static const NUM K_A2_E2 = E-01; static const NUM AFFECT_N_1_E1 = E static const NUM SWITCH_N_E93_E1 = static const NUM SWITCH_N_A6_E1 = static const BOO AFFECT_B_1_E1? = FALSE; static NUM PADN5; /*Mod JS*/ /* SUB(1,PLDQCMMMOY,PDQMM,X611Z01) */ SUB(1,PDQCMMMOY,PDQMM,X611Z01) /* SUB(1,PDQCMMMOY,0,X611Z01) */ /*Fin Mod JS*/ K(A1,X611Z01,K_A1_E2,X611Z02) AFFECT_B(1,AFFECT_B_1_E1,BOFFACS1) TRANSF2(B06,X611Z02,X611Z02,X611Z02,BOF Z17,TRANSF2_B06_C1, \ TRANSF2_B06_C2,TRANSF2_B06_C3,TRANSF2 ANSF2_B06_C5) LIM(A1,X611Z17,LIM_A1_E2,LIM_A1_E3,PLEPS ADD(2,PFOSV,PLEPS,X611Z16) K(A2,PDQMM,K_A2_E2,X611Z03) AFFECT_N(1,AFFECT_N_1_E1,X611Z04) INVNUM(1,X611Z04,PADN5)

11 Quelques bugs célèbres. (1) 04 juin 1996, premier vol du nouveau lanceur Ariane 5. Après 37 secondes de vol, le lanceur dévie de son chemin, puis explose. Perte sèche pour Ariane Espace : 700M Résultat de l enquête : conversion non protégée d un nombre flottant vers un entier non-signé l ordinateur de vol a considéré que l altitude était négative 11

12 Quelques bugs célèbres. (2) 25 février 1991, les missiles Patriot protègent les militaires américains. Dans la nuit, un des missile rate sa cible (un Scud irakien) Bilan humain : 28 soldats américains tués. Résultat de l enquête : pour intercepter un missile, il faut avoir une mesure du temps. le calcul du temps était effectué en nombre flottant une erreur de 10-4 % a entraîné une déviation de 137 mètres. 12

13 Quelques bugs célèbres. (3) 14 août 2003, coupure de courant dans le Nord-Est des Etats-Unis. 256 centrales électriques s arrêtent touchant 55 millions de personnes. Résultat de l enquête : problème physique sur une des centrales. propagation à tout le réseau car le système d alerte était en panne panne du système d alerte : race condition. 13

14 Quelques bugs célèbres. (4) Septembre 1997, le USS Yorktown CG est immobilisé en pleine mer Les propulseurs sont en panne et le bateau restera plusieurs heures à l arrêt. Coût pour aller le chercher : 1M$ Résultat de l enquête : système informatique gère à distance la propulsion des moteurs une faute de frappe d un opérateur entraîne une division par zéro 14

15 Quelques bugs célèbres. (5) Démonstration par Volvo de son système de freinage d urgence. 15

19 Que nous apprennent ces exemples? Les systèmes sont de plus en plus complexes : plusieurs millions de lignes de code. plusieurs processus interagissant entre eux. Les bugs peuvent venir de partout : erreur de spécification. erreur de précision numérique. mauvaise utilisation par un utilisateur. 16

20 Comment éviter ces bugs? Matériel plus tolérant : redondance des calculateurs (tolérance aux pannes), diagnostique en ligne (détection des pannes). Code mieux conçu : développement suivant des normes strictes (plusieurs équipes indépendantes, pas d utilisation de bibliothèques externes,...), relecture manuel de tout le code écrit. 17

21 Comment éviter ces bugs? Matériel plus tolérant : redondance des calculateurs (tolérance aux pannes), diagnostique en ligne (détection des pannes). Code mieux conçu : développement suivant des normes strictes (plusieurs équipes indépendantes, pas d utilisation de bibliothèques externes,...), relecture manuel de tout le code écrit. Année OS Windows NT 3.1 Windows NT 3.5 Windows NT 4.0 Windows 2000 Windows XP Windows Vista Beta 2 LoC (million)

22 Comment éviter ces bugs? Matériel plus tolérant : redondance des calculateurs (tolérance aux pannes), diagnostique en ligne (détection des pannes). Code mieux conçu : développement suivant des normes strictes (plusieurs équipes indépendantes, pas d utilisation de bibliothèques externes,...), relecture manuel de tout le code écrit. Il est donc nécessaire de disposer d outils automatiques de vérification de programmes permettant de trouver des bugs et/ou de prouver leur absence. 17

23 Vérification de programmes. Définition : assurer qu un programme : fait ce qu il doit faire. ne fait pas ce qu il ne doit pas faire. Toujours par rapport à un critère d observation : spécification complète, formelle du programme (par ex: la fonction calcule la factorielle du nombre donné en argument). jeu d objectifs à atteindre (par ex: le programme intercepte tous les missiles pendant 1000h). jeu de propriétés à respecter (par ex: le programme ne fait aucune division par zéro). Problématique de la vérification : étant donné un programme et un ensemble de propriétés, prouver que le programme vérifie ces propriétés 18

24 Un exemple très classique. int fact(int n) { int r,i; r = 1;i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; Exemples de propriétés : n [0, ], fact(n) =n! Temps d exécution < 10ms. n [0, 100], r 0 Trois techniques de vérification : test. preuve totale. preuve partielle (model-checking et interprétation abstraite). 19

25 Un exemple très classique. int fact(int n) { int r,i; r = 1;i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; Exemples de propriétés : n [0, ], fact(n) =n! Temps d exécution < 10ms. n [0, 100], r 0 Trois techniques de vérification : test. Analyse dynamique preuve totale. preuve partielle (model-checking et interprétation abstraite). Analyse statique 19

26 Un exemple très classique. int fact(int n) { int r,i; r = 1;i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; Exemples de propriétés : n [0, ], fact(n) =n! Temps d exécution < 10ms. n [0, 100], r 0 Utilisées industriellement Trois techniques de vérification : test. preuve totale. preuve partielle (model-checking et interprétation abstraite). Analyse dynamique Analyse statique 19

27 Analyse dynamique : test. On construit des scénarios de tests : manuellement. automatiquement via des critères de couverture du code... On joue les tests puis on vérifie les résultats : manuellement. automatiquement via des observateurs. Test exhaustif impossible pour les systèmes industriels complexes. On peut seulement trouver des bugs et jamais prouver leur absence. E.W. Dijkstra: «Program testing can be used to show the presence of bugs, but never to show their absence!» 20

28 Test: exemples. int fact(int n) { int r,i; r = 1;i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; Spécifications : 0<n<20 Jeu de tests : n=0,2,19 Sorties: r=0,2, int abs(int n) { int r; if (n>=0) r=n; else r=-n; return r; Spécifications : n:int Jeu de tests : n=0,-1,1,min_int,max_int Sorties: r=0,1,1,-min_int,max_int 21

29 Test: exemples. int fact(int n) { int r,i; r = 1;i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; Spécifications : 0<n<20 Jeu de tests : n=0,2,19 Sorties: r=0,2, int abs(int n) { int r; if (n>=0) r=n; else r=-n; return r; Spécifications : n:int Jeu de tests : n=0,-1,1,min_int,max_int Sorties: r=0,1,1,-min_int,max_int 21

30 Analyse statique : indécidabilité. (Rappel) Il est donc nécessaire de disposer d outils automatiques de vérification de programmes permettant de prouver l absence de bugs. (Equivalent) Peut-on construire une machine (i.e. un programme) qui, étant donné un programme P et une propriété H, renvoie 1 si P vérifie H et 0 sinon? Non: pour toute propriété non triviale, ce problème est indécidable, c est le théorème de Rice (preuve au tableau). Cependant : on n écrit pas n importe quel programme (par exemple pas ceux utilisés pour démontrer l indécidabilité) et on ne regarde pas n importe quelle propriété. on va donc pouvoir faire de la vérification partielle : on va prouver certaines propriétés sur un certain type de programmes. 22

31 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. // {n > 1 (hypothèse) // {r=i! // {r=(i-1)! // {r=i! // {r=i!,i=n 23

32 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. int fact(int n) { // {n > 1 (hypothèse) int r,i; r = 1;i=1; // {r=i! for (i=2; i<=n; i++) { // {r=(i-1)! r=r*i; // {r=i! // {r=i!,i=n return r; Exemple : prouver que fact(n) =n! 23

33 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. int fact(int n) { // {n > 1 (hypothèse) int r,i; r = 1;i=1; // {r=i! for (i=2; i<=n; i++) { // {r=(i-1)! r=r*i; // {r=i! // {r=i!,i=n return r; // {fact(n)=n! Exemple : prouver que fact(n) =n! 23

34 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. int fact(int n) { // {n > 1 (hypothèse) int r,i; r = 1;i=1; Exemple : prouver que fact(n) =n! for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; // {fact(n)=n! 23

35 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. int fact(int n) { // {n > 1 (hypothèse) int r,i; r = 1;i=1; // {r=i! for (i=2; i<=n; i++) { Exemple : prouver que fact(n) =n! r=r*i; return r; // {fact(n)=n! 23

36 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. int fact(int n) { // {n > 1 (hypothèse) int r,i; r = 1;i=1; // {r=i! for (i=2; i<=n; i++) { // {r=(i-1)! r=r*i; Exemple : prouver que fact(n) =n! return r; // {fact(n)=n! 23

37 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. int fact(int n) { // {n > 1 (hypothèse) int r,i; r = 1;i=1; // {r=i! for (i=2; i<=n; i++) { // {r=(i-1)! r=r*i; // {r=i! Exemple : prouver que Invariant de boucle. fact(n) =n! return r; // {fact(n)=n! 23

38 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. int fact(int n) { // {n > 1 (hypothèse) int r,i; r = 1;i=1; // {r=i! for (i=2; i<=n; i++) { // {r=(i-1)! r=r*i; // {r=i! // {r=i!,i=n return r; // {fact(n)=n! Exemple : prouver que fact(n) =n! Invariant de boucle. Si on prouve la terminaison 23

39 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. int fact(int n) { // {n > 1 (hypothèse) int r,i; r = 1;i=1; // {r=i! for (i=2; i<=n; i++) { // {r=(i-1)! r=r*i; // {r=i! // {r=i!,i=n return r; // {fact(n)=n! Exemple : prouver que fact(n) =n! Invariant de boucle. Si on prouve la terminaison 23

40 Analyse statique : preuve de programmes. Idée : (Hoare, Floyd, fin des années 70) une propriété est une formule logique. Exemple : n, fact(n) =n! les entrées sont exprimées comme une formule logique. Exemple : n, 1 n le programme est vu comme une implication entre les deux formules. Difficultés : trouver la bonne logique pour exprimer les propriétés qu on veut prouver. automatiser la propagation des formules logiques. Souvent «à l envers» par de le calcul de weakest precondition. prouver la terminaison des boucles. 24

41 Analyse statique : model-checking. Idée : (Emerson, Clarke, Sifakis, prix Turing en 2007) initialement utilisé pour vérifier le comportement de systèmes de transitions une propriété = un ensemble d états à atteindre ou éviter. on parcourt exhaustivement le système pour vérifier la propriété. 25

42 Analyse statique : model-checking. Idée : (Emerson, Clarke, Sifakis, prix Turing en 2007) initialement utilisé pour vérifier le comportement de systèmes de transitions une propriété = un ensemble d états à atteindre ou éviter. on parcourt exhaustivement le système pour vérifier la propriété. Etat initial. 25

43 Analyse statique : model-checking. Idée : (Emerson, Clarke, Sifakis, prix Turing en 2007) initialement utilisé pour vérifier le comportement de systèmes de transitions une propriété = un ensemble d états à atteindre ou éviter. on parcourt exhaustivement le système pour vérifier la propriété. Etat initial. Etat interdit. 25

44 Analyse statique : model-checking. Idée : (Emerson, Clarke, Sifakis, prix Turing en 2007) initialement utilisé pour vérifier le comportement de systèmes de transitions une propriété = un ensemble d états à atteindre ou éviter. on parcourt exhaustivement le système pour vérifier la propriété. Etat initial. Etat interdit. Etats accessibles. 25

47 Analyse statique : model-checking. Idée : (Emerson, Clarke, Sifakis, prix Turing en 2007) initialement utilisé pour vérifier le comportement de systèmes de transitions une propriété = un ensemble d états à atteindre ou éviter. on parcourt exhaustivement le système pour vérifier la propriété. Pour l analyse de programme : le software model checking applique ces techniques à l analyse de programme. on construit un système de transition à partir du programme (cf cours 2). Problème : explosion du nombre d états. Pour un programme de 10 6 lignes de code et 10 4 variables, environ états possibles. 26

48 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; r = 2;i=1; for (i=3; i<=n; i++) { r=r*i; return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

49 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n!= 0 r = 2;i=1; for (i=3; i<=n; i++) { r=r*i; return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

50 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n!= 0 r = 2;i=1; // n!=0, r!=0, i!=0 for (i=3; i<=n; i++) { r=r*i; return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

51 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n!= 0 r = 2;i=1; // n!=0, r!=0, i!=0 for (i=3; i<=n; i++) { // n!=0, r!=0, i!=0 r=r*i; return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

52 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n!= 0 r = 2;i=1; // n!=0, r!=0, i!=0 for (i=3; i<=n; i++) { // n!=0, r!=0, i!=0 r=r*i; // n!=0, r?=0, i!=0 return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

53 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n!= 0 r = 2;i=1; // n!=0, r!=0, i!=0 for (i=3; i<=n; i++) { // n!=0, r!=0, i!=0 r=r*i; // n!=0, r?=0, i!=0 return r; // r!= 0 Trop peu précis : on ne peut pas conclure. Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

54 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n > 0 r = 2;i=1; for (i=3; i<=n; i++) { r=r*i; return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

55 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n > 0 r = 2;i=1; // n>0, r>0, i>0 for (i=3; i<=n; i++) { r=r*i; return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

56 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n > 0 r = 2;i=1; // n>0, r>0, i>0 for (i=3; i<=n; i++) { // n>0, r>0, i>0 r=r*i; return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

57 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n > 0 r = 2;i=1; // n>0, r>0, i>0 for (i=3; i<=n; i++) { // n>0, r>0, i>0 r=r*i; // n>0, r>0, i>0 return r; // r!= 0 Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

58 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. int fact(int n) { // n!=0 int r,i; // n > 0 r = 2;i=1; // n>0, r>0, i>0 for (i=3; i<=n; i++) { // n>0, r>0, i>0 r=r*i; // n>0, r>0, i>0 return r; // r!= 0 Attention : fact(34)=0 On a oublié des états du programme (en C, les entiers sont codés sur 32 bits). Propriété à prouver : montrer que r n est pas nul 27

59 Analyse statique : interprétation abstraite. Idée : (Cousot, Cousot, 1977) on n a pas besoin de l état exact d un programme pour prouver des propriétés. on peut, dans certains cas, perdre de l information de manière conservative. Difficultés : choisir l information que l on veut garder. signe des variables? intervalle de valeurs? variable est constante ou pas? choisir les propriétés que l on peut prouver. s assurer qu on n oublie aucun des états du programme. 28

60 Pour résumer : pour un programme à une variable. P0(x) P1(x) Pn 1(x) Pn(x) Test Model-checking Preuve formelle Interprétation abstraite 29

61 Master STL - IntAbs Cours 1 bis Une intuition de l interprétation abstraite.

62 Approche de l interprétation abstraite. Rappel, théorème de Rice On ne peut pas définir un algorithme qui, pour tout programme P et toute propriété H, renvoie 1 si P vérifie H et 0 sinon. Encore pire Etant donnée une propriété non triviale H, on ne peut pas définir un algorithme qui, pour tout programme P, renvoie 1 si P vérifie H et 0 sinon. Une analyse statique par interprétation abstraite va donc : choisir une (ou plusieurs) propriété(s) à vérifier. définir une méthode d analyse telle que, pour tout programme P: si le résultat est 0, alors P ne vérifie pas la propriété. si le résultat est 1, alors P vérifie la propriété. si le résultat est?, alors on ne peut pas conclure. 31

63 Exemples de propriétés et d analyse. Propriétés Analyse Le résultat du programme est strictement positif. On ne regarde que le signe des variables. -5 <= n <= 5 Résultats int f(int n) { int r; r=n*n; r=-r; return r; int g(int n) { int r,i; r=1; i=0; while (i<=n) r=r+(i++); return r; int abs(int n) { int r; if (n>=0) r=n; else r=-n; return r; r<=0 r>0 r>=0 32

64 Exemples de propriétés et d analyse. Propriétés Analyse Le programme termine en moins de 50ms. On ne calcule que le temps d exécution d une instruction. -5 <= n <= 5 fun s exécute en moins de 8ms Résultats int f(int n) { int r,i; for (i=0;i<=n,i++) r=fun(i); int g(int n) { int r,i; n=n+2; for (i=0;i<=n,i++) r=fun(i); return r; return r; t<=48 t<=64 33

65 Exemples de propriétés et d analyse. Propriétés Analyse Il n y a ni division par zéro ni dépassement de capacité. On calcule des bornes sur les valeurs des variables à chaque instruction. -5 <= n <= 5 Résultats int f(int n) { int r,x;... if (r<=0) x=fun(x)/r;... int g(int n) { int r,x;... if (r<=0) x=fun(x)/r;... void h(int n) { int r; while (1) { r=fun(r,n)/r; r=0 r<=0 1<=r<=10 34

66 Suite du cours. On s intéresse désormais uniquement à prouver qu un programme ne fait pas de run time error (RTE). Pour cela, on va essayer de déterminer un invariant numérique sur les variables du programme en chaque ligne de code. int fact(int n) { int r,i; r = 1; i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; Exemple récurrent. Difficulté majeure : calcul automatique et rapide d un invariant précis. Cette séance : on montre «avec les mains» comment on construit ces invariants. 4 prochaines séances : on formalise ce qu on va faire pendant cette séance. On suppose que n [1, 5] 35

67 Cas facile : une exécution. n =5 int fact(int n) { int r,i; r = 1; i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; 36

68 Cas facile : une exécution. On sait que n=3 n =5. Comment montrer qu il n y aura pas de RTE? int fact(int n) { int r,i; r = 1; i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; sans exécuter le programme. 36

69 Cas facile : une exécution. On sait que n=3 n =5. Comment montrer qu il n y aura pas de RTE? int fact(int n) { int r,i; r = 1; i=1; for (i=2; i<=n; i++) { r=r*i; return r; sans exécuter le programme. On va «simuler» l exécution du programme en calculant la «trace d exécution». Une trace est une succession d états qui disent: à quel niveau du programme on est (quelle instruction va être exécutée). quelle est la valeur de chaque variable. 36

70 Traces d exécution du programme. int fact(int n) { (0) int r,i; (1) r = 1; i=1; (2) for (i=2; i<=n; i++) { (3) r=r*i; (4) return r; Etat de la machine : associe à i,n et r une valeur. retient le point de contrôle Exemple : On appelle trace une suite d états. 37

71 Traces d exécution du programme. int fact(int n) { (0) int r,i; (1) r = 1; i=1; (2) for (i=2; i<=n; i++) { (3) r=r*i; (4) return r; Etat de la machine : associe à i,n et r une valeur. retient le point de contrôle Exemple : On appelle trace une suite d états. r := 6 r := 6 i := 4 4 i := 4 4 i := 5 20 i := 5 20 i := 5 20 i := 6 37

72 Il suffit donc de : 1. calculer l ensemble des traces d exécution d un programme. 2. vérifier si une des traces va causer une RTE. Problèmes : chaque trace est potentiellement infinie. il y a potentiellement un nombre infini de traces. Solutions : on va en calculer une sur-approximation représentable. (abstraction) cette sur-approximation sera un invariant vrai pour toutes les traces. r := «Pour toute trace, pour tout état i := de cette trace, on a r e [1,2] 120]» n := 38

73 Plusieurs problèmes. On veut trouver un invariant valable pour toutes les traces d exécution. Comment caractériser mathématiquement une trace : sémantique concrète. Comment unifier cet ensemble de traces en un objet mathématique : sémantique collectrice. Comment représenter (et calculer) de manière finie une sur-approximation de cet objet : sémantique abstraite. 39

74 Sémantique concrète. Sémantique «à petit pas» : on formalise les «flèches» dans les traces d exécution. On définit donc des fonctions de transition entre les états du système. r=1; i=1; r=r*i; r := 6 Pour chaque élément du langage, on définit une transition de ce type. La sémantique du programme est alors la composition de ces transitions. 40

75 Sémantique collectrice. On peut regrouper, dans une trace, les états correspondants aux mêmes points de contrôle. On travaille alors sur des ensembles d états : Loc P Var Z r := 6 r := 6 i := 4 4 i := 4 4 i := 5 20 i := 5 20 i := 5 20 i := 6 41

76 Sémantique collectrice. On peut regrouper, dans une trace, les états correspondants aux mêmes points de contrôle. On travaille alors sur des ensembles d états : Loc P Var Z r := 6 r := 6 i := 4 4 i := 4 4 i := 5 20 i := 5 20 i := 5 20 i := 6 41

77 Sémantique collectrice. On peut regrouper, dans une trace, les états correspondants aux mêmes points de contrôle. On travaille alors sur des ensembles d états : Loc P Var Z r := 6 i := 4 4 i := 4 4 i := 5 20 i := 5 20 i := 5 r := 6 20 i := 6 41

78 Sémantique collectrice. On peut regrouper, dans une trace, les états correspondants aux mêmes points de contrôle. On travaille alors sur des ensembles d états : Loc P Var Z 4 i := 4 4 i := 5 20 i := 5 20 i := 5 r := 6 20 i := 6 r := 6 i := 4 41

79 Sémantique collectrice. On peut regrouper, dans une trace, les états correspondants aux mêmes points de contrôle. On travaille alors sur des ensembles d états : Loc P Var Z 4 i := 5 20 i := 5 20 i := 5 r := 6 20 i := 6 r := 6 i := 4 4 i := 4 41

80 Sémantique collectrice. On peut regrouper, dans une trace, les états correspondants aux mêmes points de contrôle. On travaille alors sur des ensembles d états : Loc P Var Z 20 i := 5 20 i := 5 r := 6 20 i := 6 r := 6 i := 4 4 i := 4 4 i := 5 41

81 Sémantique collectrice. On peut regrouper, dans une trace, les états correspondants aux mêmes points de contrôle. On travaille alors sur des ensembles d états : Loc P Var Z 20 i := 5 r := 6 20 i := 6 r := 6 i := 4 4 i := 4 4 i := 5 20 i := 5 41

82 Sémantique collectrice. On peut regrouper, dans une trace, les états correspondants aux mêmes points de contrôle. On travaille alors sur des ensembles d états : Loc P Var Z r := 6 i := 4 r := 6 4 i := 4 20 i := 6 4 i := 5 20 i := 5 20 i := 6 41

83 Sémantique collectrice (2). On peut faire pareil pour toutes les traces, on obtient le même graphe. L union de ces graphes constitue la sémantique collectrice du programme. r := 6 i := 4 r := 6 i := 4 r := 6 42

84 Sémantique collectrice (2). On peut faire pareil pour toutes les traces, on obtient le même graphe. L union de ces graphes constitue la sémantique collectrice du programme. i r := := 2 1 n i := := 1 i n i := := 2 1 r 2 n 1 r 1 n 2 := 2 := 32 := i r := 36 n 4 r := 6 i := 4 i := := 1 1 i 1 n 1 i := r 1 := 2 n := i 3 := 21 r 2 3 n r := 32 r i r := 6 r i 1 r i := 63 i n := 42 r := 6 i := 4 42

85 Correction de la sémantique collectrice. La sémantique concrète est «incluse» dans la sémantique collectrice. Elle contient toutes les traces, plus des traces impossibles.... r := 6 i := 4 43

88 Correction de la sémantique collectrice. La sémantique concrète est «incluse» dans la sémantique collectrice. Elle contient toutes les traces, plus des traces impossibles. r := 6 i := 4... r := 6 i := 4 43

89 Correction de la sémantique collectrice. La sémantique concrète est «incluse» dans la sémantique collectrice. Elle contient toutes les traces, plus des traces impossibles. r := 6 i := 4 Si on trouve un invariant valable sur la sémantique collectrice, on aura un invariant sur toutes les traces d exécution.... r := 6 i := 4 43

90 Calcul de la sémantique collectrice. On part du graphe de flot de contrôle et on propage les états (ex : n {1, 2, 3 ). 44

97 Calcul de la sémantique collectrice. On part du graphe de flot de contrôle et on propage les états (ex : n {1, 2, 3 ). r := 6 44

98 Calcul de la sémantique collectrice. On part du graphe de flot de contrôle et on propage les états (ex : n {1, 2, 3 ). r := 6 r := 6 i := 4 44

99 Calcul de la sémantique collectrice. On part du graphe de flot de contrôle et on propage les états (ex : n {1, 2, 3 ). r := 6 r := 6 i := 4 r := 6 i := 4 44

100 Calcul de la sémantique collectrice. On part du graphe de flot de contrôle et on propage les états (ex : n {1, 2, 3 ). r := 6 r := 6 i := 4 Problème : explosion combinatoire du nombre d états. r := 6 i := 4 44

101 Sémantique abstraite. On regroupe dans un même objet mathématique un ensemble d environnements P P Var Z Par exemple, {1, 2, 6, 24, 120 [1, 120] (domaine des intervalles). On travaille donc maintenant avec des états abstraits : Loc Var I r := i := n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 1] n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 1] n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 2] n := [1, 3] Méthode de calcul : comme pour la sémantique collectrice, mais sur des états abstraits. 45

102 Sémantique abstraite. On regroupe dans un même objet mathématique un ensemble d environnements P P Var Z Par exemple, {1, 2, 6, 24, 120 [1, 120] (domaine des intervalles). On travaille donc maintenant avec des états abstraits : Loc Var I r := i := n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 1] n := [1, 3] Méthode de calcul : comme pour la sémantique collectrice, mais sur des états abstraits. 45

103 Sémantique abstraite. On regroupe dans un même objet mathématique un ensemble d environnements P P Var Z Par exemple, {1, 2, 6, 24, 120 [1, 120] (domaine des intervalles). On travaille donc maintenant avec des états abstraits : Loc Var I r := i := n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 1] n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 1] n := [1, 3] Méthode de calcul : comme pour la sémantique collectrice, mais sur des états abstraits. 45

106 Sémantique abstraite. On regroupe dans un même objet mathématique un ensemble d environnements P P Var Z Par exemple, {1, 2, 6, 24, 120 [1, 120] (domaine des intervalles). On travaille donc maintenant avec des états abstraits : Loc Var I r := i := n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 1] n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 2] n := [1, 3] r := [1, 2] i := [1, 2] n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 2] n := [1, 3] Méthode de calcul : comme pour la sémantique collectrice, mais sur des états abstraits. 45

111 Sémantique abstraite. On regroupe dans un même objet mathématique un ensemble d environnements P P Var Z Par exemple, {1, 2, 6, 24, 120 [1, 120] (domaine des intervalles). On travaille donc maintenant avec des états abstraits : Loc Var I r := i := n := [1, 3] r := [1, 1] i := [1, 1] n := [1, 3] r := [1, 6] i := [1, 4] n := [1, 3] r := [1, 6] i := [1, 3] n := [1, 3] r := [1, 6] i := [1, 4] n := [1, 3] Méthode de calcul : comme pour la sémantique collectrice, mais sur des états abstraits. Remarque : on obtient des traces qui n étaient pas présentes dans la sémantique collectrice. 45

112 Pour résumer. Pour prouver une propriété sur un programme, on suit souvent (toujours?) le raisonnement suivant : 1. définition d une sémantique concrète permettant de prouver la propriété sur une exécution. 2. définition d une sémantique collectrice permettant de regrouper l ensemble des exécutions. 3. définition d une sémantique abstraite calculable qui sur-approxime la sémantique collectrice. Sémantique concrète. Sémantique collectrice. Sémantique abstraite. Une exécution Au moins toutes les exécutions. Au moins toutes les exécutions. NON CALCULABLE CALCULABLE 46