Verification, slicing, and visualization of programs with contracts

Tese de doutoramento em Informática (área de especialização em Ciências da Computação)As a specification carries out relevant information concerning the behaviour of a program, why not explore this fact to slice a program in a semantic sense aiming at optimizing it or easing its verification? It was this idea that Comuzzi, in 1996, introduced with the notion of postcondition-based slicing | slice a program using the information contained in the postcondition (the condition Q that is guaranteed to hold at the exit of a program). After him, several advances were made and different extensions were proposed, bridging the two areas of Program Verification and Program Slicing: specifically precondition-based slicing and specification-based slicing. The work reported in this Ph.D. dissertation explores further relations between these two areas aiming at discovering mutual benefits. A deep study of specification-based slicing has shown that the original algorithm is not efficient and does not produce minimal slices. In this dissertation, traditional specification-based slicing algorithms are revisited and improved (their formalization is proposed under the name of assertion-based slicing), in a new framework that is appropriate for reasoning about imperative programs annotated with contracts and loop invariants. In the same theoretical framework, the semantic slicing algorithms are extended to work at the program level through a new concept called contract based slicing. Contract-based slicing, constituting another contribution of this work, allows for the study of a program at an interprocedural level, enabling optimizations in the context of code reuse. Motivated by the lack of tools to prove that the proposed algorithms work in practice, a tool (GamaSlicer) was also developed. It implements all the existing semantic slicing algorithms, in addition to the ones introduced in this dissertation. This third contribution is based on generic graph visualization and animation algorithms that were adapted to work with verification and slice graphs, two specific cases of labelled control low graphs.Tendo em conta que uma especificação contém informação relevante no que diz respeito ao comportamento de um programa, faz sentido explorar este facto para o cortar em fatias (slice) com o objectivo de o optimizar ou de facilitar a sua verificação. Foi precisamente esta ideia que Comuzzi introduziu, em 1996, apresentando o conceito de postcondition-based slicing que consiste em cortar um programa usando a informação contida na pos-condicão (a condição Q que se assegura ser verdadeira no final da execução do programa). Depois da introdução deste conceito, vários avanços foram feitos e diferentes extensões foram propostas, aproximando desta forma duas áreas que até então pareciam desligadas: Program Verification e Program Slicing. Entre estes conceitos interessa-nos destacar as noções de precondition-based slicing e specification-based slicing, que serão revisitadas neste trabalho. Um estudo aprofundado do conceito de specification-based slicing relevou que o algoritmo original não é eficiente e não produz slices mínimos. O trabalho reportado nesta dissertação de doutoramento explora a ideia de tornar mais próximas essas duas áreas visando obter benefícios mútuos. Assim, estabelecendo uma nova base teórica matemática, os algoritmos originais de specification-based slicing são revistos e aperfeiçoados | a sua formalizacão é proposta com o nome de assertion-based slicing. Ainda sobre a mesma base teórica, os algoritmos de slicing são extendidos, de forma a funcionarem ao nível do programa; alem disso introduz-se um novo conceito: contract-based slicing. Este conceito, contract-based slicing, sendo mais um dos contributos do trabalho aqui descrito, possibilita o estudo de um programa ao nível externo de um procedimento, permitindo, por um lado, otimizações no contexto do seu uso, e por outro, a sua reutilização segura. Devido à falta de ferramentas que provem que os algoritmos propostos de facto funcionam na prática, foi desenvolvida uma, com o nome GamaSlicer, que implementa todos os algoritmos existentes de slicing semântico e os novos propostos. Uma terceira contribuição é baseada nos algoritmos genéricos de visualização e animação de grafos que foram adaptados para funcionar com os grafos de controlo de fluxo etiquetados e os grafos de verificação e slicing.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) através da Bolsa de Doutoramento SFRH/BD/33231/2007Projecto RESCUE (contrato FCT sob a referência PTDC / EIA / 65862 /2006)Projecto CROSS (contrato FCT sob a referência PTDC / EIACCO / 108995 / 2008