Automating Software Development with Explicit Model Checking

Mgr. Petr Bauch, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato práce je postavená na předpokladu, že funkční požadavky je možné vyjádřit temporální logikou a obsahem této práce jsou nové způsoby verifikace jak požadavků samotných tak jejích splnění běhěm celého vývojového procesu. Cílem práce je automatizace některých verifikačních procesů, které se v současné době používají během vývoje programů. Hlavním prostředkem pro dosažení tohoto cíle je technika ověřování modelů pomocí automatů s explicitními stavy. V části zaměřené na ověřování požadavků navrhujeme nové techniky, které automaticky detekují nedostatky a navrhují zlepšení daných požadavků. Konkrétně popisujeme a experimentálně vyhodnocujeme postupy ověřování konzistence a redundance, které identifikují všechny nekonzistence a přesně lokalizují jejich zdroj (nejmenší nekonzistentní podmnožiny). V části zaměřené na splnění požadavků navrhujeme rozšíření explicitní kontroly modelů aby škálovala v realistických programech. Používáme techniky kontroly modelů s explicitními stavy pro zachycení kontrolních aspektů verifikovaných programů a redukci datového toku pomocí redukcí založených na množinách. Tedy oba zdroje nedeterminismu jsou kontrolovaný odděleně. Teorii redukce založené na množinách vystavujeme pomocí prvořádových formulí teorie bitových vektorů k zakódování množiny ohodnocení proměnných reprezentujících programová data. Tyto reprezentace jsou kontrolovány na prázdnost a rovnost během verifikace a tyto kontroly jsou prováděny pomocí moderních nástrojů pro kontrolu splnitelnosti. Naše experimenty vyhodnocují efektivitu této redukce a ukazují, že klasická explicitní kontrola modelů neškáluje vzhledem k velikosti datových domén.

Abstract:

This thesis builds on the fact that functional requirements can be expressed in temporal logic and we propose new means of verifying the requirements themselves and the compliance to those requirements throughout the development process. The goal is the automation of some of the verification processes currently employed in software development. The tool is the automata-based, explicit-state model checking. With respect to requirements, we propose new techniques that automatically detect flaws and suggest improvements of given requirements. Specifically, we describe and experimentally evaluate approaches to consistency and redundancy checking that identify all inconsistencies and pinpoint their exact source (the smallest inconsistent set). With respect to compliance to requirements, we propose extending the explicit model checking to scale to more realistic programs. We apply the techniques of explicit-state model checking to account for the control aspects of verified programs and use set-based reduction of the data flow, thus handling the two sources of non-determinism separately. We build the theory of set-based reduction using first-order formulae in the bit-vector theory to encode the sets of variable evaluations representing program data. These representations are tested for emptiness and equality (state matching) during the verification and we harness modern satisfiability modulo theories solvers to implement these tests. Our experiments evaluate the efficiency of the set-based reduction showing the classical, explicit approach to fail to scale with the size of data domains.

Keywords

sanity checking, model checking, satisfiability modulo theories

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 10. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 18. 2. 2016
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Barnat, Ph.D.
• Reader: RNDr. Jan Kofroň, Ph.D., Assoc. Prof. Keijo Heljanko

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Computer Systems and Technologies