An Executable Formal Semantics of C++

Bc. Jan Tušil

Master's thesis

Abstract:

Moderní programovací jazyky jsou expresivní, ale také složité. Když je sémantika nějakého jazyka popsána formálně ve frameworku nazývaném "K", je možné z této sémantiky odvodit celou řádu nástrojů, mimo jiné interpreter a model checker. V této práci rozšiřujeme experimentální formální sémantiku jazyka C++ psanou v K frameworku o podporu: výčtových typů (enumerací), zero-inicializace tříd, a vyhodnocování funkcí v době překladu. Text práce se skládá z následujících částí. Za prvé, protože tento framework není obecně známý, poskytujeme krátký návod ke K framewoku a ukazujeme, jak jej lze použít k zápisu formální sémantiky a generování interpreteru jednoduchého jazyka. Za druhé, ty části jazyka C++, které jsou relevantní vzhledem k cíli práce, vysvětlujeme z pohledu jazyka. Za třetí, popisujeme naši implementaci a její limitace. Za čtvrté, vedeme diskusi o chybách ve významných překladačích jazyka C++, které jsme našli během naší práce.

Abstract:

Modern programming languages are expressive, but also complex. When a particular programming language is given a formal semantics in the framework called "K", a large variety of tools can be derived from it, including an interpreter or a model checker. In this thesis, we extend an experimental formal semantics of C++ in K with a support for three language features: enumerations, zero-initialization of classes, and compile-time function evaluation. The thesis consists of the following parts. First, because K is not widely known, we provide a mini-tutorial on how K can be used to write a semantics and generate an interpreter of a simple language. Second, we briefly explain the relevant C++ features from the language point of view. Third, we describe our implementation and its limitations. Fourth, we discuss some defects in major C++ compilers which we found during the implementation effort.

Keywords

C++, formal semantics, K framework, enumerations, constant expressions, initialization, formal methods

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 12. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 1. 2. 2018
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Strejček, Ph.D.
• Reader: doc. Mgr. Jan Obdržálek, PhD.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / field:
Informatics / Parallel and Distributed Systems