[论文解读] Deriving Laws for Developing Concurrent Programs in a Rely-Guarantee Style

Ian J. Hayes, Larissa Meinicke+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2021

Distributed systems and fault tolerance被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在广谱语言中使用依赖/保证条件的形式化理论，用于对共享内存并发程序进行细化。该理论推导出一套全面的细化法则，能够在不假设表达式求值原子性的前提下处理对共享变量的干扰，从而能够正确地从规格推导出细粒度的并发算法，并在Isabelle/HOL中实现完全机械化。

ABSTRACT

This paper presents a theory for the refinement of shared-memory concurrent algorithms from specifications. We augment pre and post condition specifications with Jones' rely and guarantee conditions, all of which are encoded as commands within a wide-spectrum language. Program components are specified using either partial or total correctness versions of postcondition specifications. Operations on shared data structures and atomic machine operations (e.g. compare-and-swap) are specified using an atomic specification command. All the above constructs are defined in terms of a simple core language, based on a small set of primitive commands and a handful of operators. A comprehensive set of laws for refining such specifications to code is derived in the theory. The approach supports fine-grained concurrency, avoiding atomicity assumptions on expression evaluation and assignment commands. The theory has been formalised in Isabelle/HOL, and the refinement laws and supporting lemmas have been proven in Isabelle/HOL.

研究动机与目标

• 开发一种系统化的理论，用于在存在干扰的情况下，从规格推导出正确的并发程序。
• 解决细粒度并发算法中非确定性交错执行的挑战。
• 提供一种组合式框架，将规格与实现分离，同时在干扰下保持正确性。
• 在环境干扰存在的情况下，支持部分正确性和整体正确性。
• 通过Isabelle/HOL支持的机械化验证，实现对细化法则的机械化支持，以促进实际并发算法的开发。

提出的方法

• 通过在预条件和后条件中增强依赖和保证条件，所有条件均以广谱语言中的命令形式编码。
• 在基于原始命令和运算符的核心语言中定义所有程序构造——包括赋值、条件语句、循环和原子操作。
• 引入原子规格命令，以建模诸如比较并交换等低级操作。
• 推导出支持从抽象规格到具体代码的逐步细化的细化法则，即使在干扰下也适用。
• 在Isabelle/HOL中对整个理论及所有细化法则进行机械化，以确保正确性并支持工具辅助推理。
• 使用基于格的命令模型，对在干扰下的程序等价性和细化进行形式化推理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地将依赖/保证条件整合进并发程序的细化演算中？
• RQ2 在共享变量受到干扰的情况下，需要哪些细化法则才能安全地推导出并发算法？
• RQ3 如何对原子操作和数据结构操作进行规格化与细化，同时在干扰下保持正确性？
• RQ4 在并发环境中，稳定性在确保正确后置条件方面起到什么作用？
• RQ5 该理论如何实现机械化，以支持可扩展的、机器可检查的并发算法验证？

主要发现

• 该理论成功推导出一套全面的细化法则，支持在不假设表达式求值原子性的前提下，开发细粒度的并发算法。
• 该方法通过在后置条件和保证条件之间拆分要求，实现了在干扰下对集合删除等操作的正确细化。
• Isabelle/HOL的机械化验证确认了所有细化法则及其支持性引理的正确性，从而实现了可信赖的验证。
• 该框架支持部分正确性和整体正确性，且对两者分别有独立的法则，允许规格化非终止但安全的算法。
• 该理论具有可扩展性，支持未来添加通用不变式、局部变量以及锁和条件变量的基于资源的推理。
• 使用基于命令的依赖/保证条件的广谱语言，使得推理比以往方法更具表达力和模块化。