[论文解读] Specification of State and Time Constraints for Runtime Verification of Functions

Joshua Heneage Dawes, Giles Reger|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2018

Formal Methods in Verification参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出控制流时序逻辑（CFTL），一种新型运行时验证逻辑，将程序控制流与时间规范紧密集成。它提出符号控制流图（SCFG）用于静态分析，通过公式树实现感知仪器化的监控，并通过公式闭包优化实现高效的运行时验证，显著降低监控复杂度和执行开销。

ABSTRACT

Techniques for runtime verification often utilise specification languages that are (i) reasonably expressive, and (ii) relatively abstract (i.e. they operate on a level of abstraction that separates them from the system being monitored). Inspired by the problem of monitoring systems involved in processing data generated by the high energy physics experiments at CERN, this report proposes a specification language, Control Flow Temporal Logic (CFTL), whose distinguishing characteristic is its tight coupling with the control flow of the programs for which it is used to write specifications. This coupling leads to a departure from the typically high level of abstraction used by most temporal logics. The remaining contributions are a static-analysis based instrumentation process, which is specific to CFTL and its formulas' structure, and a monitoring algorithm. The report concludes with analyses of CFTL and its monitoring algorithm when applied to a number of example programs.

研究动机与目标

• 开发一种正式逻辑，将程序控制流与时间规范紧密耦合，以实现精确的运行时验证。
• 解决现有规范逻辑在处理复杂实时系统中状态与时间约束方面的局限性。
• 设计一种仪器化策略，保持可达性并实现对多重量化时间公式的高效监控。
• 通过公式树重写与基于闭包的优化技术，合成紧凑高效的监控器，适用于实际部署。

提出的方法

• 提出符号控制流图（SCFG）作为程序函数的静态可达性保持模型。
• 定义控制流时序逻辑（CFTL），支持未来时间算符并可对符号状态进行量化，以表达状态与时间约束。
• 引入扩展了CFTL语义的公式树，用于表示运行时可评估的逻辑公式。
• 采用公式闭包映射优化技术，预先计算子公式关系，降低运行时评估成本。
• 设计一种仪器化策略，基于SCFG结构与关键变量集，将CFTL公式映射到代码级检查。
• 通过公式树的递归遍历与动态解析机制，实现无需构建复杂Büchi自动机的在线公式监控。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种规范逻辑，使其原生支持在程序执行中表达控制流与时间约束？
• RQ2 何种静态程序表示可实现对状态与时间属性运行时验证的精确仪器化？
• RQ3 如何在避免监控器规模膨胀的前提下，高效监控多重量化时间公式？
• RQ4 可采用何种优化技术在保持正确性的同时降低运行时监控成本？
• RQ5 如何利用控制流图中的可达性信息指导仪器化位置的放置？

主要发现

• 所提出的CFTL逻辑通过与控制流紧密耦合，能够精确表达状态与时间约束，克服了现有逻辑在抽象层面的间隙。
• 符号控制流图（SCFG）保持了可达性，支持精确的仪器化规划，优于传统控制流图。
• 结合闭包映射优化的公式树重写技术可实现高效的运行时评估，避免了复杂Büchi自动机的构建。
• 仪器化策略确保仅插入必要的运行时检查，最大限度减少性能开销。
• 通过将多重量化公式建模为子公式的乘积，该方法支持对这些公式的监控，实现可扩展的评估。
• 性能评估表明，该方法实现了高效的监控，通过早期基于闭包的简化显著减少了公式爆炸，尤其在复杂场景下表现突出。