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程序分析与程序验证

程序分析与程序验证. 计算机科学技术系 陈意云 0551-3607043 yiyun@ustc.edu.cn. 课 程 简 介. 计算机科学的理论体系 1 、模型理论  关心的问题 给定模型 M ，哪些问题可以由模型 M 解决 如何比较模型的表达能力  经典计算 确定的图灵机，可计算性理论属于模型理论  新型计算 本质特点是交互 ( 并发、分布、网络、网格、云 )  计算和交互的统一模型理论尚未出现. 课 程 简 介. 计算机科学的理论体系 2 、程序理论  关心的问题 给定模型 M ，如何用模型 M 解决问题

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程序分析与程序验证

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Presentation Transcript

  1. 程序分析与程序验证 计算机科学技术系 陈意云 0551-3607043 yiyun@ustc.edu.cn

  2. 课 程 简 介 计算机科学的理论体系 1、模型理论  关心的问题 • 给定模型M，哪些问题可以由模型M解决 • 如何比较模型的表达能力  经典计算 • 确定的图灵机，可计算性理论属于模型理论  新型计算 • 本质特点是交互( 并发、分布、网络、网格、云 )  计算和交互的统一模型理论尚未出现

  3. 课 程 简 介 计算机科学的理论体系 2、程序理论  关心的问题 • 给定模型M，如何用模型M解决问题  包括的领域 • 程序设计范型、程序设计语言、程序设计、形式语义、类型论、程序验证、程序分析等

  4. 课 程 简 介 计算机科学的理论体系 3、计算理论  关心的问题 • 给定模型M和一类问题，解决该类问题需要多少资源  包括的领域 • 计算复杂性理论

  5. 课 程 简 介 作为编译原理的后续课程，可选内容列举： • 独立于机器的优化（涉及，但不是重点） • 依赖于机器的优化（留给高级系统结构课程） • 形式语义和类型论（程序设计语言理论课程） • 各种语言范型的实现技术（不涉及） • 提高软件质量的方法 1、程序分析 2、形式验证 模型检测：对软件的数学模型进行系统地全面考察 程序验证：用形式方法对软件进行数学推理

  6. 课 程 简 介 • 本课程概述 • 学习程序分析和形式验证的基本原理，它们在高可信软件、代码优化、并行编译等许多方面有广泛应用 • 学习和讨论各类方法解决的问题、采用的技术、理论特性、算法等，并说明这些方法之间的关系和不同。这些方法本身跨越多种程序设计语言特征

  7. 课 程 简 介（程序分析原理） • 什么是程序分析 • 一种静态（如编译时）的技术，用于预测程序运行时动态布局或行为的一种安全（忠实于语义）且有效（所需时空少）的近似 • 程序分析的应用 • 编译时的代码优化，以避免冗余计算 公共子表达式删除、无用赋值删除、循环优化 • 一些静态分析工具，用于分析所关心的程序性质 程序切片工具、安全性 • 程序验证

  8. 课 程 简 介（程序分析原理） • 集中在四种主要程序分析方式上 • 数据流分析(data flow analysis) • 基于约束的分析(constraint based analysis) • 抽象解释(abstract interpretation) • 类型和结果系统(type and effect system) • 对每种方式 • 描述主要原理，而不是技术的详细介绍 • 怎样用到更复杂编程语言的分析

  9. 课 程 简 介（模型检测） • 什么是模型检测 • 验证系统满足性质（  ）的方法。它操作在系统的模型 （语义）上，而不是在系统的描述（语法）上 • 模型检测的应用 • 常用于硬件和通信协议的验证中 • 模型检测方法已经在工业界逐步得到应用，并且有一些较好的工具

  10. 课 程 简 介（模型检测） • 集中在采用下面两种逻辑的方法上 • 线性时态逻辑：时间是线性的逻辑 • 计算树逻辑：时间可以分支的逻辑 （时态逻辑：公式的真假不是静态的） • 模型检测的大体步骤 • 由用户描述的一个模型开始 • 判断用户所断言的假设在模型中是否有效 • 若无效，则产生由执行轨迹构成的反例

  11. 课 程 简 介（程序验证） • 什么是程序验证 • 将基于逻辑证明的方法用于程序性质的证明 1、系统的描述是适当逻辑中的一组公式 2、待证性质的规范是另一个公式 3、验证就是通过该逻辑来证明  • 程序验证的应用 • 对安全攸关的程序，验证所关心的性质 • 软件的机械验证将改进软件的生产率、效率、reliability

  12. 课 程 简 介（程序验证） • 程序验证的大体步骤 • 程序员提供附加了适当断言的程序 • 验证条件生成器为该程序产生验证条件 • 定理证明器完成验证条件的证明 • 涉及机械验证过程的各主要部分 • Hoare逻辑（公理语义）、最弱前条件演算 • 从程序到定理 ——验证条件生成 • 从定理到证明 ——自动定理证明

  13. 课 程 简 介 教材和参考书 • F. Nielson, H. R. Nielson, and C. Hankin, Principles of Program Analysis, 2nd edition, Springer, 2005 • A. V. Aho, M. S. Lam, R. Sethi, and J. D. Ullman, Compilers: Principles, Techniques, and Tools, 2nd edition, Addison-Wesley, 2007 • M. Huth and M. Ryan, Logic in Computer Science: Modelling and Reasoning about Systems, Cambridge University Press, Second Edition, 2004(有中译本) • 教学资源网页：http://staff.ustc.edu.cn/~yiyun http://www2.imm.dtu.dk/~riis/PPA/ppasup2004.html

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