Tree automata extensions for verification of infinite states systems

Les systèmes informatiques jouent un rôle essentiel dans la vie actuelle, et leurs erreurs peuvent avoir des conséquences dramatiques. Il existe des méthodes formelles permettant d'assurer qu'un système informatique est fiable. La méthode formelle utilisée dans cette thèse est appelée complétion d'automates d'arbres et permet d'analyser les systèmes à nombre d'états infini. Dans cette représentation, les états du système sont représentés par des termes et les ensembles d'états par des automates d'arbres. L'ensemble des comportements possibles d'un système est calculé grâce à l'application successive d'un système de réécriture modélisant le comportement du système vérifié. On garantit la fiabilité d'un système en vérifiant qu'un comportement interdit n'est pas présent dans l'ensemble des états accessibles. Mais cet ensemble n'est pas toujours calculable, et nous devons alors calculer une sur-approximation calculable de cet ensemble. Mais cette approximation peut s'avérer trop grossière et reconnaître de faux contre-exemples. La première contribution de cette thèse consiste alors à caractériser, par des formules logiques et de manière automatique, ce qu'est une "bonne" sur-approximation : une approximation représentant un sur-ensemble des configurations accessibles, et qui soit suffisamment précise pour ne pas reconnaître de faux contre-exemples. Résoudre ces formules conduit alors automatiquement à une sur-approximation concluante si elle existe, sans avoir recours à aucun paramétrage manuel. Le second problème de la complétion d'automates d'arbres est le passage à l'échelle, autrement dit le temps de calcul parfois élevé du calcul de complétion quand on s'attaque à des problèmes de la vie courante. Dans la vérification de programmes Java utilisant la complétion d'automates d'arbres, cette explosion peut être due à l'utilisation d'entiers de Peano. L'idée de notre seconde contribution est alors d'évaluer directement le résultat d'une opération arithmétique. D'une façon plus générale, il s'agit d'intégrer les éléments d'un domaine infini dans un automate d'arbres. En s'inspirant de méthodes issues de l'interprétation abstraite, cette thèse intègre des treillis abstraits dans les automates d'arbres, constituant alors un nouveau type d'automates. Les opérations sur le domaine infini représenté sont calculées en une seule étape d'évaluation plutôt que d'appliquer de nombreuses règles de réécriture. Nous avons alors adapté la complétion d'automates d'arbres à ce nouveau type d'automate, et la généricité du nouvel algorithme permet de brancher de nombreux treillis abstraits. Cette technique a été implémentée dans un outil appelé TimbukLTA, et cette implémentation permet de démontrer l'efficacité de cette technique.Computer systems are more and more important in everyday life, and errors into those systems can make dramatic damages. There are formal methods which can assure reliability of a system. The formal method used in this thesis is called tree automata completion and allows to analyze infinite state systems. In this representation, states of a system are represented by a term and sets of states by tree automata. The set of all reachable behaviors (or states) of the system is computed thanks to successive applications of a term rewriting system which represents the behavior of the system. The reliability of the system is assured by checking that no forbidden state is reachable by the system. But the set of reachable states is not always computable and we need to compute an over-approximation of it. This over-approximation is not always fine enough and can recognize counter examples. The first contribution of this thesis consist in characterizing by logical formulae, in an automatic way, what is a good approximation: an over-approximation which does not contain any counter example. Solving these formulae leads automatically to a good over-approximation if such an approximation exists, without any manual setting. An other problem of tree automata completion is the scaling when dealing with real life problems. In verification of Java programs using tree automata completion, this explosion may be due to the use of Peano numbers. The idea of the second contribution of this thesis is to evaluate directly the result of an arithmetic operation. Generally speaking, we integrate elements of an infinite domain in a tree automaton. Based on abstract interpretation, this thesis allows to integrate abstract lattice in tree automata. Operations on infinite domain are computed in one step of evaluation instead of probably many application of rewrite rules. Thus we adapted tree automata completion to this new type of tree automata with lattice, and genericity of the new algorithm allows to integrate many types of lattices. This technique has been implemented in a tool named TimbukLTA, and this implementation shows the efficiency of the technique