Compiling Applications for Analysis with DIVINE

Bc. Zuzana Baranová

Master's thesis

Abstract:

Verifikácia a formálna analýza softvéru je drahá a časovo náročná. Z tohoto dôvodu sa len zriedkavo použije takáto dôsledná analýza na nekritické programy. To ale neznamená, že by tieto techniky nemohli zlepšiť kvalitu a spoľahlivosť bežného softvéru a tvorcovia verifikačných nástrojov sa dlhodobo snažia o zjednodušenie ich použitia. V ideálnom prípade by sa formálna analýza stala bežnou súčasťou vývojového procesu. Jedným z nástrojov, ktoré mieria týmto smerom je aj DIVINE. Veľkým krokom vpred bola schopnosť priamo verifikovať programy vytvorené v jazykoch C a C++ -- takýto program sa preloží do medzijazyka LLVM, ktorý je na analýzu výrazne vhodnejší než pôvodný zdrojový kód. Ďalším krokom k sprístupneniu formálnych metód je použitie existujúcich systémov pre automatický preklad rozsiahlych programov do tohoto medzijazyka. Cieľom tejto práce je nahradiť existujúce prekladové nástroje systému DIVINE takými, ktoré sa dajú transparentne nasadiť v kontexte automatického prekladu tak, aby sme obdržali LLVM bitkód pre celý program. Tieto nástroje sme úspešne implementovali a vyhodnotili sme ich použiteľnosť na niekoľkých projektoch. Overili sme, že takto získaný LLVM bitkód dokáže nástroj DIVINE načítať a verifikovať.

Abstract:

Verification and other formal analysis techniques are often demanding tasks, both in skill and time. This is why non-critical software is seldom subjected to the same rigorous analysis as safety-critical software. However, all software would benefit from an extra level of assurance of its reliability and there has been prolonged effort on the side of analysis tools developers to make their use easier. Ideally, the aim is to integrate analysis techniques into the normal software development process. Among other tools, DIVINE is one such verifier whose long-term key goal is to bring verification closer to the developers of everyday software. A big step forward was direct verification of C and C++ programs. The programs are compiled into a more analysis-friendly form to be verified, notably LLVM bitcode (LLVM IR). Another big step in lowering barriers for adopting formal verification is re-using automated build tools and existing build instructions of projects, which would prevent the need for manual compilation of software. The purpose of this thesis is to replace the existing compilation toolchain of DIVINE with a tool which could be transparently used in automated build systems and which would produce bitcode of the whole program. We have successfully implemented such a tool, and evaluated its practicality on a number of real projects which use automated build systems. The resulting bitcode can be loaded into DIVINE and verified.

Keywords

C, C++, DIVINE, LLVM IR, ELF, compilation, formal verification, POSIX, build automation, implementation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 12. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 5. 2. 2020
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Švenda, Ph.D.
• Reader: Mgr. Marek Chalupa

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / field:
Applied Informatics / Applied Informatics