Rewriting Logic Techniques for Program Analysis and Optimization

Abstract

Esta tesis propone una metodología de análisis dinámico que mejora el diagnóstico de programas erróneos escritos en el lenguaje Maude. La idea clave es combinar técnicas de verificación de aserciones en tiempo de ejecución con la fragmentación dinámica de trazas de ejecución para detectar automáticamente errores en tiempo de ejecución, al tiempo que se reduce el tamaño y la complejidad de las trazas a analizar. En el caso de violarse una aserción, se infiere automáticamente el criterio de fragmentación, lo que facilita al usuario identificar rápidamente la fuente del error.

En primer lugar, la tesis formaliza una técnica destinada a detectar automáticamente eventuales desviaciones del comportamiento deseado del programa (síntomas de error). Esta técnica soporta dos tipos de aserciones definidas por el usuario: aserciones funcionales (que restringen llamadas a funciones deterministas) y aserciones de sistema (que especifican los invariantes de estado del sistema). La técnica de verificación dinámica propuesta es demostrablemente correcta en el sentido de que todos los errores señalados definitivamente delatan la violación de las aserciones. Tras eventuales violaciones de aserciones, se generan automáticamente trazas fragmentadas (es decir, trazas simplificadas pero igualmente precisas) que ayudan a identificar la causa del error. Además, la técnica también sugiere una posible reparación para las reglas implicadas en la generación de los estados erróneos.

La metodología propuesta se basa en (i) una notación lógica para especificar las aserciones que se imponen a la ejecución; (ii) una técnica de verificación aplicable en tiempo de ejecución que comprueba dinámicamente las aserciones; y (iii) un mecanismo basado en la generalización (ecuacional) menos general que automáticamente obtiene criterios precisos para fragmentar trazas de ejecución a partir de aserciones falsificadas.

Por último, se presenta una implementación de la técnica propuesta en la herramienta de análisis dinámico basado en aserciones ABETS, que muestra cómo es posible combinar el trazado de las propiedades asertadas del programa para obtener un algoritmo preciso de análisis de trazas que resulta útil para el diagnóstico y la depuración de programas.

This thesis proposes a dynamic analysis methodology for improving the diagnosis of erroneous Maude programs. The key idea is to combine runtime assertion checking and dynamic trace slicing for automatically catching errors at runtime while reducing the size and complexity of the erroneous traces to be analyzed (i.e., those leading to states that fail to satisfy the assertions). In the event of an assertion violation, the slicing criterion is automatically inferred, which facilitates the user to rapidly pinpoint the source of the error.

First, a technique is formalized that aims at automatically detecting anomalous deviations of the intended program behavior (error symptoms) by using assertions that are checked at runtime. This technique supports two types of user-defined assertions: functional assertions (which constrain deterministic function calls) and system assertions (which specify system state invariants). The proposed dynamic checking is provably sound in the sense that all errors flagged definitely signal a violation of the specifications. Then, upon eventual assertion violations, accurate trace slices (i.e., simplified yet precise execution traces) are generated automatically, which help identify the cause of the error. Moreover, the technique also suggests a possible repair for the rules involved in the generation of the erroneous states.

The proposed methodology is based on (i) a logical notation for specifying assertions that are imposed on execution runs; (ii) a runtime checking technique that dynamically tests the assertions; and (iii) a mechanism based on (equational) least general generalization that automatically derives accurate criteria for slicing from falsified assertions.

Finally, an implementation of the proposed technique is presented in the assertion-based, dynamic analyzer ABETS, which shows how the forward and backward tracking of asserted program properties leads to a thorough trace analysis algorithm that can be used for program diagnosis and debugging.

Esta tesi proposa una metodologia d'anàlisi dinàmica que millora el diagnòstic de programes erronis escrits en el llenguatge Maude. La idea clau és combinar tècniques de verificació d'assercions en temps d'execució amb la fragmentació dinàmica de traces d'execució per a detectar automàticament errors en temps d'execució, alhora que es reduïx la grandària i la complexitat de les traces a analitzar. En el cas de violar-se una asserció, s'inferix automàticament el criteri de fragmentació, la qual cosa facilita a l'usuari identificar ràpidament la font de l'error.

En primer lloc, la tesi formalitza una tècnica destinada a detectar automàticament eventuals desviacions del comportament desitjat del programa (símptomes d'error). Esta tècnica suporta dos tipus d'assercions definides per l'usuari: assercions funcionals (que restringixen crides a funcions deterministes) i assercions de sistema (que especifiquen els invariants d'estat del sistema). La tècnica de verificació dinàmica proposta és demostrablement correcta en el sentit que tots els errors assenyalats definitivament delaten la violació de les assercions. Davant eventuals violacions d'assercions, es generen automàticament traces fragmentades (és a dir, traces simplificades però igualment precises) que ajuden a identificar la causa de l'error. A més, la tècnica també suggerix una possible reparació de les regles implicades en la generació dels estats erronis.

La metodologia proposada es basa en (i) una notació lògica per a especificar les assercions que s'imposen a l'execució; (ii) una tècnica de verificació aplicable en temps d'execució que comprova dinàmicament les assercions; i (iii) un mecanisme basat en la generalització (ecuacional) menys general que automàticament obté criteris precisos per a fragmentar traces d'execució a partir d'assercions falsificades.

Finalment, es presenta una implementació de la tècnica proposta en la ferramenta d'anàlisi dinàmica basat en assercions ABETS, que mostra com és possible combinar el traçat cap avant i cap arrere de les propietats assertades del programa per a obtindre un algoritme precís d'anàlisi de traces que resulta útil per al diagnòstic i la depuració de programes.