断言语言支持自定义谓词的程序验证器原型

基于逻辑推理的方法进行程序验证是形式化程序验证的研究热点.目前的自动验证工具为了保证自动性,对描述程序性质的断言语言都有较多限制,导致程序的某些递归性质难以用断言语言表述.本文在一个面向指针程序、基于先前自行设计的形状图逻辑、依赖于自动定理证明工具Z3的自动程序验证原型系统上,通过在断言语言中引入自定义谓词来增强断言语言的表达能力,使得该原型系统不仅能自动验证含操作易变数据结构的程序的性质,也能自动验证一些不含指针的程序的性质.     

验证带有线程的动态创建和退出的多线程程序

近来在程序验证领域,Feng和Shao提出一个类Hoare逻辑的验证框架以验证包含中断的底层程序.在该工作基础上进行扩展,提出一个验证包含线程的动态创建和退出机制程序的框架.框架包含抽象机器模型、指令规范、逻辑推理系统、框架可靠性定理其证明.框架采用Hoare风格的推导方式,使用高阶逻辑描述指令的推理规则和安全策略,为证明带有线程的动态创建和退出的多线程程序的部分正确性提供了一种实用的方法.     

一个基于Mathematica平台的程序安全性自动验证工具

程序安全性验证是程序验证的重要部分。基于不变式生成,将程序的安全性验证转化为验证不变式集合是否蕴含表示安全性的逻辑公式。针对简化的C程序,结合验证工具Theorema,在Mathematica平台上实现一个对程序安全性进行自动验证的工具。实验结果表明,该验证工具能够自动验证只含数值变量的C程序。     

基于Coq的微内核操作系统程序验证方法研究

机载嵌入式程序的可信属性验证是新一代飞机研制最关注的软件质量保障问题;基于定理证明的程序形式化验证方法是一种可靠和严格的软件正确性验证技术;文中在深入分析微内核操作系统的基础上,应用霍尔逻辑针对机载嵌入式软件核心代码开展程序验证技术研究,根据霍尔逻辑的相关推理规则进行程序验证,并在定理证明辅助工具Coq中形式化表示霍尔逻辑的推理规则,针对机载操作系统的部分程序代码实例进行验证;实验结果表明基于定理证明的程序验证方法可以对软件程序代码的正确性进行验证,从而帮助软件提供商开发高可信的机载嵌入式软件。     

一种SCADE同步语言程序安全属性自动验证工具

安全关键领域的反应系统大都采用同步语言开发,然而,学术界尚不存在SCADE同步语言程序的形式化验证工具,为此,本文提出了一种自动验证SCADE同步语言程序安全属性的方法.首先使用无量词一阶逻辑公式对SCADE同步语言程序的行为进行建模,可将SCADE同步语言程序的安全属性的验证问题转化为无量词一阶逻辑公式的可满足性问题;然后采用先进的可满足性模理论求解器对其可满足性进行求解.本方法旨在实现对SCADE同步语言程序进行自动地、直接地验证,以填补SCADE同步语言程序验证领域的技术空白.此外,本文对所提方法进行了代码实现,并通过实验验证了所提方法的有效性.     

一个程序验证器的设计和实现

形式验证是提高软件可信程度的重要方法,基于逻辑推理对程序性质进行严格的自动证明是当前的研究热点,但尚无可供工业界使用的产品,其根源在于自动定理证明方面的困难.介绍在通过程序分析建立起各程序点的形状图的基础上,如何利用形状图提供的信息来支持程序验证的方法.提出一种利用形状图信息来消除访问路径别名,使得指针程序中非指针部分的性质仍然可以用Hoare逻辑来进行验证的方法,并证明了该方法的可靠性.还提出一种在不使用自定义谓词的情况下,易变数据结构上数据性质的描述和验证方法.另外,介绍所设计并实现的基于上述方法的PointerC语言的程序验证器的原型.它不仅能自动验证操作易变数据结构程序的性质,也能自动验证使用一维数组的程序的性质.     

基于函数式语义的循环和递归程序结构通用证明技术

各类安全攸关系统的可靠运行离不开软件程序的正确执行.程序的演绎验证技术为程序执行的正确性提供高度保障.程序语言种类繁多,且用途覆盖高可靠性场景的新式语言不断涌现,难以为每种语言设计支撑其程序验证任务的整套逻辑规则,并证明其相对于形式语义的可靠性和完备性.语言无关的程序验证技术提供以程序语言的语义为参数的验证过程及其可靠性结果.对每种程序语言,提供其形式语义后可直接获得面向该语言的程序验证过程.提出一种面向大步操作语义的语言无关演绎验证技术,其核心是对不同语言中循环、递归等可导致无界行为的语法结构进行可靠推理的通用方法.特别地,借助大步操作语义的一种函数式形式化提供表达程序中子结构所执行计算的能力,从而允许借助辅助信息对子结构进行推理.证明所提出验证技术的可靠性和相对完备性,通过命令式、函数式语言中的程序验证实例初步评估了该技术的有效性,并在Coq辅助证明工具中形式化了所有理论结果和验证实例,为基于辅助证明工具实现面向大步语义的语言无关程序验证工具提供了基础.     

μC/OS-Ⅲ任务调度器在Coq中的验证

以μC/OS-Ⅲ内核中的任务调度器为研究对象,选取调度相关的核心代码,验证调度器代码满足优先调度最高优先级任务的性质。基于分离逻辑与SCAP验证理论,利用Coq辅助证明工具,通过定义机器模型、操作语义、逻辑断言以及推导规则构建验证框架。在验证框架中,定义内核数据结构和内核相关性质的逻辑描述,模块化地对内核代码进行推理。验证结果表明,μC/OS-Ⅲ任务调度器满足可靠性要求,并且可以通过机器的自动检查。     

一种用于类C语言环境的安全的类型化内存模型

使用形式化方法对程序进行验证是保证软件可信的重要手段.对于像C语言这样的较低级的命令式语言可以直接对内存进行操作,对其操作语义或公理语义的形式化需要基于合适的内存模型.传统的字节内存模型可以很好地描述各种内存操作,但是无法保证安全性,同时使程序验证变得异常复杂.面向对象语言的内存模型则具有较高的抽象性,便于程序验证,但不适合描述低级的内存操作.结合字节内存模型和面向对象语言内存模型,提出一种安全的类型化的内存模型,既可用于对语义的形式化,也可用于基于霍尔逻辑的程序验证.此内存模型既允许指针算术、结构赋值、类型转换等内存操作,同时也可以有效减少因指针别名给程序验证带来的复杂度.基于Coq辅助定理证明工具,对内存模型进行了形式化实现和验证.     

步进索引模型下的语义及其形式化

霍尔逻辑作为计算机程序的逻辑基础,可以用于描述一般程序的验证.分离逻辑作为霍尔逻辑的扩展,可以支持很多现代程序语言中的高阶特性.步进索引模型被用于定义自递归谓词.步进索引逻辑被广泛应用于各种基于交互式定理证明器的程序验证工具中,然而,基于步进索引逻辑的推理却比经典逻辑复杂、繁琐.事实上,也可以在步进索引模型上定义更加简洁清晰的、与“步数”无关的经典逻辑体系下的非步进索引程序语义.人们希望找到步进索引逻辑和非步进索引逻辑之间的关系,但发现两种逻辑并不等价.对实际的程序验证工作中涉及的命题进行归纳总结,找出它们共同的特征,给出关于程序状态的断言的约束条件;分别定义步进索引逻辑和非步进索引逻辑体系中断言的语义,并证明在该约束条件下两种语义的等价性;在Coq中,形式化以上所有定义和证明;最后,对未来值得关注的研究方向进行初步探讨.     

基于交互式定理证明的并发程序验证工作综述

并发程序与并发系统可以拥有非常高的执行效率和相对串行系统较快的响应速度,在现实中有着非常广泛的应用。但是并发程序与并发系统往往难以保证其实现的正确性,实际应用程序运行中的错误会带来严重的后果。同时,并发程序执行时的不确定性会给其正确性验证带来巨大的困难。在形式化验证方法中,人们可以通过交互式定理证明器严格地对并发程序进行验证。本文对在交互式定理证明中可用于描述并发程序正确性的验证目标进行总结,它们包括霍尔三元组、可线性化、上下文精化和逻辑原子性。交互式定理证明方法中常用程序逻辑对程序进行验证,本文分析了基于并发分离逻辑、依赖保证逻辑、关系霍尔逻辑等理论研究的系列成果与相应形式化方案,并对使用了这些方法的程序验证工具和程序验证成果进行了总结。     

Formal verification of concurrent programs with read-write locks

Read-write locking is an important mechanism to improve concurrent granularity, but it is difficult to reason about the safety of concurrent programs with read-write locks. Concurrent separation logic (CSL) provides a simple but powerful technique for locally reasoning about concurrent programs with mutual exclusive locks. Unfortunately, CSL cannot be directly applied to reasoning about concurrent programs with read-write locks due to the different concurrent control mechanisms.This paper focuses on extending CSL and presenting a proof-carrying code (PCC) system for reasoning about concurrent programs with read-write locks. We extend the heap model with a writing permission set, denoted as logical heap, then define “strong separation” and “weak separation” over logical heap. Following CSL’s local-reasoning idea, we develop a novel program logic to enforce weak separations of heap between different threads and provide verification of concurrent programs with read-write locks.     

Formal verification of concurrent programs with read-write locks

Read-write locking is an important mechanism to improve concurrent granularity, but it is difficult to reason about the safety of concurrent programs with read-write locks. Concurrent separation logic (CSL) provides a simple but powerful technique for locally reasoning about concurrent programs with mutual exclusive locks. Unfortunately, CSL cannot be directly applied to reasoning about concurrent programs with read-write locks due to the different concurrent control mechanisms. This paper focuses on extending CSL and presenting a proof-carrying code (PCC) system for reasoning about concurrent programs with read-write locks. We extend the heap model with a writing permission set, denoted as logical heap, then define “strong separation” and “weak separation” over logical heap. Following CSL’s local-reasoning idea, we develop a novel program logic to enforce weak separations of heap between different threads and provide verification of concurrent programs with read-write locks.     

基于隔离逻辑的并行程序可靠性验证方法

并行程序验证的复杂性在于执行流程的不确定性以及由此导致的执行规模变大,使得验证的内容和目标之间的关系不明确。为解决该问题,提出一种基于隔离逻辑的并行程序可靠性验证方法。通过变量的执行关系图,描述变量相关的语句及执行关系,将所需验证的程序性质逻辑式转换为变量并行语句序列的逻辑组合式,使得性质表达式与并发程序的语句相关联。根据逻辑组合式确定语句执行序列和前后件逻辑表达式,基于并发隔离逻辑的公理系统对语句执行序列进行验证,并根据验证结果对并发程序进行修改和完善。通过对银行柜台业务办理的功能模块验证结果表明该方法是有效的。     

2011 CAV award announcement

The 2011 CAV (Computer-Aided Verification) Award was presented on July 17, 2011 at the 23rd annual CAV conference in Snowbird, Utah to Thomas Ball and Sriram Rajamani of Microsoft Research for their contributions to software model checking, specifically the development of the SLAM/SDV software model checker, which successfully demonstrated computer-aided verification techniques on real programs.     

基于插桩和布尔逻辑的运行时程序验证框架

针对软件测试和静态程序验证中存在的连续性程序执行验证和推理问题,提出一个基于程序插桩和布尔逻辑的运行时程序验证框架——RPA。定义一种用于描述运行时程序性质和规范的动态逻辑语言RPAL,实现自动化插桩以收集运行时程序状态信息,设计一个支持高效验证的句子调度算法。实验结果表明,结合合适的谓词扩展,RPA可以有效地验证和分析软件逻辑,发现潜在的软件错误。     

Certifying Low-Level Programs with Hardware Interrupts and Preemptive Threads

Hardware interrupts are widely used in the world’s critical software systems to support preemptive threads, device drivers, operating system kernels, and hypervisors. Handling interrupts properly is an essential component of low-level system programming. Unfortunately, interrupts are also extremely hard to reason about: they dramatically alter the program control flow and complicate the invariants in low-level concurrent code (e.g., implementation of synchronization primitives). Existing formal verification techniques—including Hoare logic, typed assembly language, concurrent separation logic, and the assume-guarantee method—have consistently ignored the issues of interrupts; this severely limits the applicability and power of today’s program verification systems. In this paper we present a novel Hoare-logic-like framework for certifying low-level system programs involving both hardware interrupts and preemptive threads. We show that enabling and disabling interrupts can be formalized precisely using simple ownership-transfer semantics, and the same technique also extends to the concurrent setting. By carefully reasoning about the interaction among interrupt handlers, context switching, and synchronization libraries, we are able to—for the first time—successfully certify a preemptive thread implementation and a large number of common synchronization primitives. Our work provides a foundation for reasoning about interrupt-based kernel programs and makes an important advance toward building fully certified operating system kernels and hypervisors.     

命令式程序终止性验证方法综述

作为软件完全正确性的重要组成部分,程序终止性受到越来越多的关注。旨在跟踪国内外针对命令式程序的终止性验证方法,调研该领域的最新研究成果,同时提出解决该问题的建议性方法框架,对命令式程序终止性研究提供有意义的帮助。给出了程序终止性问题的定义,介绍了已有的数值程序、堆操作程序终止性验证方法,并分别进行了分析与对比。总结了当前研究中存在的难点与热点问题,给出了一种基于模型检验的C程序终止性验证框架,该框架可以作为研究命令式程序终止性的基本框架。     

Proving Resource Consumption of Low-level Programs Using Automated Theorem Provers

In this paper we use a program logic and automatic theorem provers to certify resource usage of low-level bytecode programs equipped with annotations describing resource consumption for methods. We have adapted an existing resource counting logic [Aspinall, D., L. Beringer, M. Hofmann, H.-W. Loidl and A. Momigliano, A program logic for resource verification, in: Proceedings of 17th International Conference on Theorem Proving in Higher Order Logics (TPHOLs2004), Lecture Notes in Computer Science 3223 (2004), pp. 34–49] to fit the first-order setting, implemented a verification condition generator, and tested our approach on programs that contain recursion and deal with recursive data structures. We have successfully applied our framework to programs that did not involve any updates to recursive data structures. But mutation is more tricky because of aliasing of heap. We discuss problems related to this and suggest techniques to solve them.