2010 Предикатное программирование Формальные методы в описании языков и систем программирования п/г спецкурс Ведет спецкурс: Шелехов Владимир Иванович, зав. лаб. Системного программирования ИСИ, к.т.н., [email protected], р.т. 330-27-21, ИСИ СО РАН, к.269 Кризис программирования 1960-е Структурное программирование Э.Дейкстра Технологии программирования Объектно-ориентированное программирование Языки спецификации программ Формальная верификация программ Доказательное программирование Внедрение формальных (математических) методов в практику программирования. Обучение нового поколения программистов Программа спецкурса • общее понятие программы • корректность программ с предикатной спецификацией • язык исчисление вычислимых предикатов • методы доказательства корректности предикатных программ • язык и технология предикатного программирования • язык спецификации процессов • технология спецификации и реализации программ реального времени (реактивных систем) Практика построения спецификаций программ Построение предикатных программ Математическое доказательство корректности предикатных программ Построение эффективных программ методом трансформации Спецификация простых протоколов 24.09.10 Лекция 1 Общее понятие программы Автоматическая вычислимость Спецификация программы Алгоритм и программа Программа есть описание алгоритма решения задачи, заданное на языке программирования Формализации понятия алгоритма: машина Тьюринга, частично рекурсивные функции, нормальный алгорифм Маркова и каноническая система Поста Основные свойства программы: • автоматическая вычислимость • наличие спецификации программы • логика программы Автоматическая вычислимость Автоматизация вычислений: счеты арифмометры счетно-решающие устройства ЭВМ калькулятор Программа есть алгоритм, реализованный таким способом и в такой форме, что вычисление алгоритма проводится автоматически Способы реализации программы • аппаратно реализованная программа (интегральная микросхема, чип) • программа на языке программирования Язык программирования определяет правила представления программы в виде текста в конечном алфавите символов: • типы данных • структура памяти исполняемой программы • виды языковых конструкций программы • правила исполнения конструкции каждого вида и программы в целом Процессор языка программирования • аппаратно реализованный ― процессор языка системы команд ЭВМ • реализованный на др. языке программирования (интерпретатор байткода для языка Java) • виртуальный (трансляция на другой язык) ― представлен описанием операционной семантики исходного языка Спецификация программы Базовый процесс окружение программ а Модель применения программы Спецификация программы описание преобразования информации, реализуемого вычислением программы Спецификация описывает связь между входными и выходными потоками информации. Связь либо отражает закон природы, выраженный в математической форме, либо является интерфейсом, спроектированным человеком. Язык спецификаций Связь между спецификацией и программой Свойство 1. Спецификация первична по отношению к программе. ДНК ? Свойство 2. Программа должна соответствовать спецификации. Свойство 3. Будучи написанной, программа всегда существует и является строго определенной в силу строгости языка программирования. Спецификация, напротив, может быть нестрогой, неполной, устаревшей, отсутствовать или быть ошибочной. Свойство 4. Программа на языке программирования является абсолютно точной и полной спецификацией самой себя. Свойство 5. Спецификация может быть невычислимой. Программа автоматически вычислима. Формы спецификации программы Предикатная спецификация представима в виде формулы на языке исчисления предикатов высших порядков Процессная спецификация эффект исполнения программы определяется в виде процесса. Модели: машина конечных состояний, сеть Петри, модель CSP Т.Хоара, машина абстрактных состояний Ю.Гуревича Процессорная спецификация описывает функционирование процессора некоторого языка программирования. Формальная семантика математическое описание семантики языка программирования. Виды формальной семантики: операционная, денотационная и аксиоматическая. Классификация программ • программы решения задач дискретной и вычислительной математики • программы, работающие в режиме реального времени (реактивные системы) • большая часть программ системного программирования Структура предикатной спецификации Предикатная спецификация ― может быть записана в виде формулы на языке исчисления предикатов. Взаимодействие программы с окружением: ввод данных, исполнение программы, вывод результатов. Других взаимодействий с окружением нет. Ввод можно собрать в начале, вывод – в конце Спецификация определяет функцию, отображающую значения входных данных в значения результатов. Предикатная спецификация ― условие математической задачи, исходными данными которой являются входные данные программы, а неизвестными результаты программы. Алгоритм строится с использованием свойств (утверждений, лемм, теорем), доказуемых из условия задачи строгими математическими методами. Программа ― реализация алгоритма решения математической задачи. Спецификация свойства алгоритм Свойства Алгоритм программа Программа Рис1. Схема построения программы с предикатной спецификацией Алгоритм строится с использованием свойств (утверждений, лемм, теорем), доказуемых из условия задачи. Эти свойства определяют логику решения задачи. Программа ― реализация алгоритма решения математической задачи. В процессе реализации программа оптимизируется привычным образом: используются циклы вместо рекурсии, используются указатели и т.д. Логика программы Логика программы ― набор предикатов {Qp} на значениях переменных для разных точек p программы 1. Предикат Qp(z) истинен, когда исполнение программы находится в точке p. 2. Если предикат Qp(z) истинен на некотором наборе значений z=z0, то существует исполнение с такими значениями переменных в точке p. Извлечение логики из программы в целях дедуктивной верификации обычно реализуется на основе формальной семантики языка программирования. Примеры логики программы в начале программы ― T = true F(1 x++2 , y) ― Q2(…x,y…) = Q1(…x-1,y…) 1+1 x/y2 +a ― Q2(…x,y,a…) = Q1(…x,y,a…) & y0 При работе с программой во время отладки программист пытается изъять из кода программы необходимую ему часть логики программы. Однако в качестве логики программы он воспринимает логику решения Большинство оптимизирующих преобразований приводят к усложнению (искривлению) логики программы. Для любой, даже простой, императивной программы ее логика оказывается существенно искривленной. Источниками кривизны логики являются, например, такие конструкции, как циклы и указатели переменных. Пример извлечения логики программы int D(int a, b) функция вычисления наибольшего общего делителя (НОД) положительных a и b. x – делитель a divisor(x, a) z ≥ 0. x z = a . НОД(c, a, b) divisor2(с, a, b) & x. (divisor2(x, a, b) x ≤ c) Логика решения залачи базируется на следующих известных свойствах НОД: a = b НОД(a, a, b) a > b & НОД(c, a, b) НОД(c, ab, b) НОД(c, a, b) НОД(c, b, a) int D(int a, b) // D(a, b, c) { if (a == b) return a; // c = a else if (a < b) return D(a, ba) // D(a, ba, c) else return D(ab, b) // D(ab, b, c) } a = b НОД(a, a, b) a > b & НОД(c, a, b) НОД(c, ab, b) НОД(c, a, b) НОД(c, b, a) int D(int a, b) // D(a, b, c) = { if (a == b) return a; // a = b c = a else if (a < b) return D(a, ba) // a = b & a < b D(a, ba, c) else return D(ab, b) // a = b & a < b D(ab, b, c) } Логика программы: D(a, b, c) = ( a = b c = a) & ( a = b (a < b D(a, ba, c)) & ( a < b D(ab, b, c)) ) Извлечения логики для второй программы int D(int a, b) { // D(a, b, c) for ( ; ; ) { if (a == b) return a; if (a < b) b = b – a else a = a – b } // a = b c = a // a < b b’ = b – a // a < b a’ = a – b } Логика программы для точки в конце тела цикла E(a, b, a’, b’) = (a < b b’ = b – a & a’ = a) & ( a < b a’ = a – b & b’ = b) & a=b Итоговая логика программы: true & E(a, b, a1, b1) & E(a1, b1, a2, b2) & … & E(ar-1, bk-1, ak, bk) & a k , = bk & c = a k , Язык программирования называется предикатным, если логика любой конструкции Z этого языка может быть определена единственным предикатом LS(Z), истинным после исполнения Z. Функция LS называется логической семантикой языка. Логика предикатной программы совершенно прозрачна: в качестве логики естественно рассматривать саму программу. Языки предикатного программирования находятся на границе между функциональными и логическими языками.