[논문 리뷰] Synthesis from Assume-Guarantee Contracts using Skolemized Proofs of Realizability

Andreas Katis, Grigory Fedyukovich외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 19.

Formal Methods in Verification참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 선형 실수 산술(LRA)에서 k-인ductive 실현 가능성 증명을 사용하여 가정-보장 계약으로부터 템플릿 없는 프로그램 합성 방법을 제안한다. SMT 솔버 기반 실현 가능성 증명에서 스코렘 함수를 추출함으로써, 이 방법은 정확한 C 구현을 자동으로 생성하며, 최소한의 수동 작성 코드로 다양한 러스트 기반 벤치마크에서 효과적으로 작동함을 입증하였다.

ABSTRACT

The realizability problem in requirements engineering is to determine the existence of an implementation that meets the given formal requirements. A step forward after realizability is proven, is to construct such an implementation automatically, and thus solve the problem of program synthesis. In this paper, we propose a novel approach to pro- gram synthesis guided by k-inductive proofs of realizability of assume- guarantee contracts constructed from safety properties. The proof of re- alizability is performed over a set of forall-exists formulas, and synthesis is per- formed by extracting Skolem functions witnessing the existential quan- tification. These Skolem functions can then be combined into an imple- mentation. Our approach is implemented in the JSyn tool which con- structs Skolem functions from a contract written in a variant of the Lus- tre programming language and then compiles the Skolem functions into a C language implementation. For a variety of benchmark models that already contained hand-written implementations, we are able to identify the usability and effectiveness of the synthesized counterparts, assuming a component-based verification framework.

연구 동기 및 목표

• 유한 도메인 또는 템플릿 제약 조건이 없는 사양을 초월한 복잡한 무한 상태 안전성 성질에 대한 자동 합성의 격차를 해소하기 위해.
• 사용자 지도적 정밀 조정이나 템플릿 순열 없이도 가정-보장 계약에서 완전히 자동으로 정확한 구현을 합성하기 위해.
• 기본적으로 존재하는 양식의 함수 스코렘 증인을 추출하여 직접 효율적인 C 코드로 컴파일할 수 있도록 하는 방법을 개발하기 위해.
• 합성된 구현이 구성 요소 기반 검증 프레임워크에서 일시적인 대체 구현으로서의 타당성과 효율성을 평가하기 위해.
• 기존 실현 가능성 검증에 후처리 단계를 추가하여 존재성 증인을 실행 가능한 스코렘 함수로 변환하는 방법을 개발하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 선형 실수 산술(LRA)에서 가정-보장 계약의 실현 가능성을 입증하기 위해 ∀∃-형식의 공식에 대해 k-인덕티브 추론을 사용한다.
• 실현 가능성 검증을 위해 JKind 모델 체커를 활용하고, 존재성 양식의 추론을 위해 AE-VAL 솔버를 통합한다.
• 기존의 관계가 아닌 세밀한 스코렘 함수를 추출하기 위해 고안된 후행 양식 제거 알고리즘을 적용하여 기능적 C 코드 생성을 보장한다.
• 스코렘 함수는 맞춤형 코드 생성기를 사용하여 C로 컴파일되며, 이 과정에서 정확성은 건설 과정 그대로 유지된다.
• 이 방법은 무한 상태 시스템을 지원하며, 템플릿 제약 조건이나 반복적 정밀 조정 없이 적용 가능하므로 더 넓은 적용 범위를 가진다.
• 이 프레임워크는 러스트 유사 언어로 작성된 계약을 처리하고 C 코드를 출력하는 JSyn 도구체인에 구현되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 k-인덕티브 실현 가능성 증명이 무한 상태 영역에서 정확한 구현을 생성하기 위한 합성에 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ2 템플릿 순열에 의존하지 않고 SMT 솔버 기반 실현 가능성 증명에서 실행 가능한 스코렘 함수를 추출할 수 있는가?
• RQ3 성능 및 정확성 측면에서 합성된 코드는 수동으로 작성된 구현과 비교해 얼마나 효과적인가?
• RQ4 사용자 지도적 정밀 조정이 필요 없이도 비트리비얼한 실제 계약에 대해 이 방법이 확장 가능한가?
• RQ5 증명 길이(k=0, k=1)가 합성된 코드의 복잡성과 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• JSyn 도구는 러스트 유사 언어로 표현된 다양한 비트리비얼 가정-보장 계약에서 C 구현을 성공적으로 합성하였다.
• 합성된 구현은 기능적으로 정확했으며, 벤치마크 모델에서 수동으로 작성된 대비 코드 크기와 실행 시간이 훨씬 낮아 성능 경쟁력이 뛰어났다.
• 이 방법은 템플릿 제약 조건이나 사용자 지도적 정밀 조정 없이도 합성에 성공하여 자동화와 일반성의 가능성을 입증하였다.
• 모든 평가된 벤치마크에서 k=0 및 k=1 수준의 실현 가능성 증명이 충분했으며, 이는 빠른 수렴을 의미한다.
• 관계가 아닌 스코렘 함수를 사용함으로써 직접 효율적인 실행 가능한 C 코드로의 컴파일이 가능했다.
• 이 방법은 사용자 지도적 기법보다 합성 속도가 빠르며, 계약 사양 이후에는 수동 간섭이 전혀 필요로 하지 않았다.