Formální analýza programů

• 26 hod. přednášky

• 100 bodů závěrečná zkouška

Cílem předmětu je seznámit studenty s principy, možnostmi a omezeními aktuálně nejúspěšnějších metod známých, resp. zkoumaných, v oblasti aplikace formálních technik pro automatickou analýzu a verifikaci programů.


Znalost možností, omezení a principů současných metod analýzy programů s formálními základy. Schopnost jejich aplikace v pokročilých projektech a přehled o možnostech jejich dalšího rozvoje.
Prohloubení schopnosti číst a vytvářet formální zápisy.

Znalost základních pojmů z oblasti logiky, algebry, grafů, teorie formálních jazyků a automatů, překladačů a vyčíslitelnosti a složitosti.

• Aho, A.V., Lam, S., Sethi, R., Ullman, J.D.: Compilers: Principles, Techniques, and Tools. Addison Wesley, 2nd ed., 2006. (Část věnovaná statické analýze.)
• Bradley, A.R., Manna, Z.: The Calculus of Computation: Decision Procedures with Applications to Verification, Springer, 2007.
• Kroening, D., Strichman, O.: Decision Procedures: An Algorithmic Point of View, Springer, 2008.
• Holzmann, G.J.: The SPIN Model Checker: Primer and Reference Manual, Addison-Wesley Professional, 2003.
• Ben-Ari, M.: Principles of the Spin Model Checker, Springer, 2008.
• Soubor materiálů prezentovaných na přednáškách a zveřejněných přes WWW.
• Materiály aktuálně volně dostupné na Internetu, a to zejména články a dokumentace týkající se počítačových nástrojů pro formální analýzu a verifikaci.
• Moller, A., Schwartzbach, M.I.: Static Program Analysis, Department of Computer Science, Aarhus University, Denmark, 2018.
• Nielson, F., Nielson, H.R., Hankin, C.: Principles of Program Analysis, Springer-Verlag, 2005.

• Clarke, E.M., Grumberg, O., Peled, D.A.: Model Checking, MIT Press, 2000. ISBN 0-262-03270-8 

• Berard, B., Bidoit, M., Finkel, A., Laroussinie, F., Petit, A., Petrucci, L., Schnoebelen, P., McKenzie, P.: Systems and Software Verification: Model-Checking Techniques and Tools, Springer-Verlag, 2001. ISBN 3-540-41523-8 

• Monin, J.F., Hinchey, M.G.: Understanding Formal Methods, Springer-Verlag, 2003. ISBN 1-852-33247-6 

• Valmari, A.: The State Explosion Problem. In Reisig, W., Rozenberg, G.: Lectures on Petri Nets I: Basic Models, Lecture Notes in Computer Science, č.1491, s. 429-528. Springer-Verlag, 1998. ISBN 3-540-65306-6 

• Nielson, F., Nielson, H.R., Hankin, C.: Principles of Program Analysis, Springer-Verlag, 2005. ISBN 3-540-65410-0 

• Schwartzbach, M.I.: Lecture Notes on Static Analysis, BRICS, Department of Computer Science, University of Aarhus, Denmark, 2006. 

1. Přehled existujících metod analýzy a verifikace programů s formálními základy, jejich možnosti, výhody a nevýhody.
2. Model checking: základní principy, specifikace ověřovaných vlastností, temporální logiky.
3. LTL model checking s využitím automatů.
4. Problém stavové exploze a jeho řešení, efektivní ukládání stavových prostorů, binární rozhodovací diagramy.
5. Redukce stavových prostorů, zejména redukce na základě částečného uspořádání akcí.
6. Automatizovaná abstrakce, a to zejména predikátová abstrakce, Craigovy interpolanty.
7. Symbolická exekuce.
8. Deduktivní verifikace.
9. Řešení SAT a SMT problémů.
10. Statická analýza založená na analýze toku dat, ukazatelové analýzy.
11. Statická analýza založená na omezeních, typová analýza.
12. Abstraktní interpretace.
13. Dynamická analýza s formálními základy, algoritmy jako FastTrack, dynamická redukce na základě částečného uspořádání.

Diskuse v rámci přednášek, kontrola zpracování tématické práce.
Přednášky a zpracování projektu.