Static Analysis of an Actor-based Process Calculus by - Tel - Hal

266 Pages·2016·2.4 MB·French

Static Analysis of an Actor-based Process Calculus by
Abstract Interpretation
Pierre-Loïc Garoche
To cite this version:
Pierre-Loïc Garoche. Static Analysis of an Actor-based Process Calculus by Abstract Interpretation.
Software Engineering [cs.SE]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2008. English.
￿NNT: ￿. ￿tel-00310923￿
HAL Id: tel-00310923
https://theses.hal.science/tel-00310923
Submitted on 11 Aug 2008
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
année:2008
n°d’ordre:2620
THÈSE
soutenueenvuedel’obtentiondutitrede
DOCTEUR EN INFORMATIQUE
DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
délivrépar
l’INSTITUTNATIONALPOLYTECHNIQUEDETOULOUSE
ÉCOLE DOCTORALE MATHÉMATIQUES, INFORMATIQUE ET
TÉLÉCOMMUNICATIONS DE TOULOUSE
Pierre-Loïc Garoche
10juin2008
Analyse statique d’un calcul d’acteurs par
interprétation abstraite
StaticAnalysisofanActor-basedProcessCalculusbyAbstractInterpretation
Directeurdethèse: Patrick SALLÉ
Professeur,INPT
Rapporteurs: Thomas JENSEN
DirecteurderecherchesauCNRS,IRISA
Flemming NIELSON
Professor,TechnicalUniversityofDenmark
Examinateurs: Jean-Jacques LEVY
Directeurderecherchesàl’INRIA
Marc PANTEL
Maîtredeconférence,INPT
Xavier THIRIOUX
Maîtredeconférence,INPT
Virginie WIELS
HDR,Ingénieurderecherchesàl’ONERA

REMERCIEMENTS
Formuler ses remerciements est une étape obligée dans la rédaction d’une
thèse. Je n’y couperai donc pas. Ces remerciements s’adressent à l’ensemble
des personnes qui ont participé, de près ou de loin, à l’aboutissement de cette
thèse.Jetiensparavanceàm’excuserdemesoubliséventuels.
Mesremerciementsvonttoutd’abordàFlemming NIELSON etThomas JEN-
SEN qui ont bien voulu accepter de relire mon manuscrit. Leur point de vue
éclairéainsiqueleurcompétencedonnent,àmesyeux,ducréditàmontravail,
et je les en remercie. I want to particularly thank Flemming NIELSON and the
membersofhisgroupinCopenhagen,fortheirgreatwelcomeduringmyvery
shortstayatDTU.Theyshowedadeepinterestinmyworkduringthenot-so-
funnytimeofwritingthemanuscript. Itgavemeasecondbreathandhelpme
tocontinueandregainself-confidence.
Je tiens également à remercier les autres membres du jury qui ont accepté
d’évaluermontravail.Virginie WIELS aunlienspécialaveccecalculd’acteurs
quej’analyseetJean-Jacques LEVY aétél’undesenseignantsdemonmasteret
a beaucoup contribué à la définition et l’analyse de calculs de processus. J’ap-
préciebeaucoupqu’ilsaientacceptédeparticiperàmonjury.
Je veux adresser un remerciement particulier à Patrick COUSOT, qui m’a ini-
tié durant mon master aux arcanes de son Interprétation Abstraite et m’a pas-
sionné pour sa méthode. C’est également à lui que je dois mon arrivée à Tou-
louse.Pourcela,merci.
MerciàPatrickSALLÉetMarcPANTELquim’ontensuiteaccueilliàToulouse
dans leur équipe. Ils m’ont laissé toute liberté dans mes recherches tout en me
donnantlapossibilitédeparticiperàdescongrès.Mercidem’avoirégalement
permisd’effectuerdesenseignementspassionnantsauseindudépartementin-
formatique de l’ENSEEIHT. Je tiens tout particulièrement à remercier Xavier
THIRIOUX pour son aide précieuse apportée lors de la définition des analyses,
deleurpreuveetdeleurimplantation.
Lors de la réalisation de cette thèse, j’ai pu profiter du cadre agréable de
l’IRIT-N7. Je tiens à remercier dans le désordre, les membres de l’équipe, en
particulierPhilippe QUEINNEC etGérard PADIOU,pourlestockmonstreuxde
chocolat qu’ils ont apporté; les amis du 4ième étage; mes co-bureaux, le pro-
fesseurIbrahim LOKPO,Aurélie HURAULT etAhmed TOUHAMI pourlesbons
moments partagés; Benoît COMBEMALE et Xavier CRÉGUT, pour m’avoir ini-
tié et fait découvrir un domaine dont j’ignorais tout : l’ingéniérie dirigée par
lesmodèles,etpourlescollaborationspartagées;etbiensûr,legrandchefMi-
cheletlessecrétairesexceptionnellesdulaboratoire,SylvieE.,Joyce,Sabyneet
SylvieA.,mercipourvotresoutienetvotrebonnehumeur.
iii
Je ne serais pas arrivé là non plus sans un long parcours informatique. Je
tiens d’abord à remercier mon père pour m’avoir initié très tôt aux joies de
la programmation et m’avoir donné le goût de la compréhension des choses.
MespremiersbalbutiementsinformatiquesavecMatthieuSOZEAU,mesétudes
à Orsay avec les excellents cours d’Alain DENISE, Nicole BIDOIT, Jean-Pierre
JOUANNAUD ou de Christine PAULIN-MOHRING, le stage effectué auprès de
Marie-ClaudeGAUDEL,oulesmomérablesmomentspassésàBlueBird:toutes
ces rencontres m’ont donné le goût de la recherche en informatique et des mé-
thodesformelles,merciàtous.
Un immense merci à mes collègues de Cachan, Malo, Nicolas et Sylvain qui
m’ont très bien accueilli à l’ENS et avec qui l’année de master a été passion-
nante. Hubert COMON et Catherine FORESTIER, du département informatique
de l’ENS Cachan, ont été d’un grand secours, toujours efficaces et accessibles.
Merci! Cette année 2005 fut très riche en rencontres et en connaissances ac-
quises qui seraient trop longues à énumérer. J’adresse tout de même un grand
merci à Jérôme FERET pour les échanges fructueux pendant mon master et à
Xavier ALLAMIGEONpoursonamitié.
Je vais arrêter cette énumération qui ne saurait être exhaustive. Laissez moi
seulementremercierleprofesseurHONIDENduNIIetCyrilleARTHOpourleur
accueilde3moisàTokyoainsiqueChristianSOMMERpourlesjoursetlesnuits
detravailacharnéetdediscussionsenflamméespartagés.
Enfin comment terminer sans remercier ma famille, mes parents, mon frère
etmabelle-famillequiontsum’apporterleursoutienoumepermettredefaire
des pauses et bien sûr, Pascaline qui a su toujours m’aider et m’a donné mon
plusbeaucadeaupendantcettepériodedethèse:monfils,Samuel.Merci!
iv
ABSTRACT
The Actor model, introduced by HEWITT and AGHA in the late 80s, describes
a concurrent communicating system as a set of autonomous agents, with non
uniform interfaces and communicating by the use of labeled messages. The
CAPprocesscalculus,proposedbyCOLAÇO,isbasedonthismodelandallows
todescribenontrivialrealisticsystems,withouttheneedofcomplexencodings.
CAP is a higher-order calculus: messages can carry actor behaviors. Multiple
works address the analysis of CAP properties, mainly by the use of inference-
basedtypesystemsusingbehavioraltypesandsub-typing.
Otherwise, more recent works, by VENET and later FERET, propose the use
ofabstractinterpretationtoanalyzeprocesscalculi. Theseapproachesallowto
compute non-uniform properties. For example, they are able to differentiate
recursiveinstancesofthesamethread.
This thesis is at the crossroad of these two approaches, applying abstract in-
terpretationtotheanalysisofCAP.Followingtheframeworkof FERET,CAPis
firstly expressed in a non standard form, easing its analysis. The set of reach-
able states is then over-approximated via a sound by construction representa-
tionwithinexistingabstractdomains.
New general abstract domains are then introduced in order to improve the
accuracyofexistinganalysesortorepresentlocalproperties.
CAPspecificpropertiessuchasthelinearityoftermsortheabsenceoforphan
messages,arethenconsideredinthisframework. Specificabstractdomainsare
defined and used to check these properties. The proposed framework is able
torelaxanyexistingrestrictionofpreviousanalysessuchasconstraintsonthe
shapeoftermsorlimitationintheuseofCAPbehaviorpassing.
Thewholeanalyseshavebeenimplementedinaprototype.
KEYWORDS Actors, Higher-order process calculus, Abstract Interpretation,
Linearity,Orphanmessages,Messagecounting.
v
vi
RÉSUMÉ
Le modèle des Acteurs, introduit par HEWITT et AGHA à la fin des années
80, décrit un système concurrent comme un ensemble d’agents autonomes au
comportementnonuniformeetcommuniquantdefaçonpoint-à-pointparl’en-
voi de messages étiquetés. Le calcul CAP, proposé par COLAÇO, est un calcul
deprocessusbasésurcemodèlequipermetdedécriresansencodagecomplexe
dessystèmesréalistesnontriviaux.Cecalculpermet,entreautre,lacommuni-
cation de comportements via les messages et est, en ce sens, un calcul d’ordre
supérieur. L’analyse de propriétés sur ce calcul a déjà fait l’objet de plusieurs
travaux,essentiellementparinférencedetypeenutilisantdestypescomporte-
mentauxetdusous-typage.
Par ailleurs, des travaux plus récents, effectués par VENET puis FERET, pro-
posent une utilisation de l’interprétation abstraite pour l’analyse de calculs
de processus. Ces approches permettent de calculer des propriétés non uni-
formes : elles permettent, par exemple, de différencier les instances récursives
d’unmêmeprocessus.
Cettethèses’inscritdoncdanslasuitedecesdeuxapproches,enappliquant
l’interprétation abstraite à l’analyse de CAP. Suivant le cadre proposé par FE-
RET,CAPest,toutd’abord,exprimédansuneformenonstandardfacilitantles
analyses.L’ensembledesconfigurationsatteignablesestensuitesur-approximé
viaunereprésentation,correcteparconstruction,dansdesdomainesabstraits.
Desdomainesabstraitsgénérauxsontensuiteintroduitsafind’améliorerles
analysesexistantesoudereprésenterdespropriétéslocalesàunsous-terme.
DespropriétésspécifiquesàCAP,lalinéaritédestermesetl’absencedemes-
sages orphelins, sont alors étudiées dans ce cadre. Des domaines spécifiques
sontdéfinisetutiliséspourvérifiercespropriétés.Lecadreprésentépermetde
levertouteslesrestrictionsexistantesdesanalysesprécédentesquantàlaforme
destermesoul’utilisationdupassagedecomportement.
L’intégralitédesanalysesprésentéesaétéimplantéedansunprototype.
MOTS CLÉS Acteurs, Calcul de processus d’ordre supérieur, Interprétation
abstraite,Linéarité,Messagesorphelins,Dénombremementdemessages.
vii

CONTENTS
I ÉPITOMÉ 1
1 ANALYSE STATIQUE D’UN CALCUL D’ACTEURS PAR INTERPRÉTATION
ABSTRAITE 3
1.1 Introduction&contexte 3
1.2 CAP:uncalculd’acteursprimitif 5
1.3 AnalysestatiquedeCAPparinterprétationabstraite 6
1.4 Sémantiquenonstandard 6
1.5 Sémantiqueabstraite 7
1.6 Analysepartitionnée 10
1.7 Améliorationdesanalysesdedénombrement 11
1.8 Lapropriétédelinéarité 12
1.9 Garantirl’absencedemessagesorphelins 13
1.10 Réalisationlogicielle 13
1.11 Conclusion 14
II MAIN CONTENT 17
2 INTRODUCTION & BACKGROUND 19
2.1 CAP:aprimitiveactorcalculus 20
2.1.1 Abitofhistory 20
2.1.2 Syntax 22
2.1.3 Semantics 24
2.1.4 Examples 24
2.2 Staticanalysismethods 28
2.2.1 Typesystem-based 28
2.2.2 Modelchecking 30
2.2.3 Abstractinterpretation 31
2.2.4 Flowlogic 35
2.3 Concurrencyanalysisrelatedworks 35
2.3.1 Typingprocesscalculi 35
2.3.2 Flowlogicanalysisofconcurrency 36
2.3.3 Modelcheckingandconcurrency 36
2.3.4 Abstractinterpretation-basedanalysisofprocesscalculi 37
2.4 Overviewofcontributions 37
2.4.1 CAPnonstandardsemantics 38
2.4.2 Abstractingcollectingsemanticsandabstractdomains 38
2.4.3 Linearity 38
2.4.4 Orphanfreenesschecking 39
ix