Upgrade to Pro
— share decks privately, control downloads, hide ads and more …
Speaker Deck
Sign up for free
Menu
Search
Features
All features
Private URLs
Password Protection
Custom URLS
Scheduled publishing
Remove Branding
Restrict embedding
Deck Collections
Notes
Features
All features
Private URLs
Password Protection
Custom URLS
Scheduled publishing
Remove Branding
Restrict embedding
Deck Collections
Notes
Explore
Featured decks
Featured speakers
Programming
Technology
Storyboards
Explore
Featured decks
Featured speakers
Programming
Technology
Storyboards
Pricing
Search
Sign in
Sign up for free
プログラム検証入門
Search
r1ru
September 14, 2024
Technology
3.8k
6
Share
Embed
Copy iframe code
Copy JS code
Copy link
Start on current slide
プログラム検証入門
r1ru
September 14, 2024
More Decks by r1ru
See All by r1ru
ImaginaryCTF 2025 stillerer-printf (魔女のお茶会 #8)
riru
0
600
Infer入門
riru
5
2.1k
Formal Development of Operating Systems in Rust
riru
1
840
モデル検査入門
riru
3
220
Symbolic model checker from scratch in Rust
riru
1
1k
WasmOS: Wasmを実行する自作Microkernel
riru
0
960
Other Decks in Technology
See All in Technology
AI時代のAPI開発を加速する品質ガードレール / API Quality Guardrails in the AI Era
yokawasa
0
160
自律型 AI をセキュアに実装!Gemini と MIG で作る動的コード実行環境
recruitengineers
PRO
1
220
ビジネスを止めない技術的負債の返済のための戦略とその手法 - 技術的負債と向き合う / Complexity and Simplicity
soudai
PRO
3
650
FactoryBotアンチパターン / factory_bot anti-patterns
toshimaru
0
140
3つのアプローチで目指す チームを強くするAI駆動開発
thkt
0
120
AI時代に必要な脅威モデリング― 変化の速度に負けない理解とリスク判断
masakane55
5
1.2k
Execution in the Kingdom of Agents: Reflections on Abstraction and Complexity
bcantrill
0
870
OSC2026on_the-world-is-waiting-for-your-voice.pdf
naruoga
0
360
ハードウェアコンペでもAI駆動開発が進んでいる話
iotengineer22
0
370
分析の民主化を支えるメタデータ整備の実践
kakehashi
PRO
2
910
"優秀な誰か"の下位互換にならないために
yut0naga1_fa
0
110
Datadog の学び方 - あるいは、オブザーバビリティを学ぶとは何か
mananyuki
1
500
Featured
See All Featured
Agile Actions for Facilitating Distributed Teams - ADO2019
mkilby
0
300
Getting science done with accelerated Python computing platforms
jacobtomlinson
2
520
Collaborative Software Design: How to facilitate domain modelling decisions
baasie
1
340
Designing Experiences People Love
moore
143
24k
My Coaching Mixtape
mlcsv
0
340
Ethics towards AI in product and experience design
skipperchong
2
420
Designing for Performance
lara
612
70k
Why You Should Never Use an ORM
jnunemaker
PRO
61
10k
RailsConf 2023
tenderlove
30
1.6k
The Success of Rails: Ensuring Growth for the Next 100 Years
eileencodes
47
8.4k
The Mindset for Success: Future Career Progression
greggifford
PRO
0
530
The Spectacular Lies of Maps
axbom
PRO
1
1.1k
Transcript
プログラム検証入門 Riru Oda @ri5255 情報科学若手の会2024 1
Riru Oda @ri5255 過去の発表 • Symbolic model checker from scratch
in Rust • WasmOS: Wasmを実行する自作Microkernel 低レイヤ開発とセキュリティとプログラム検証 最近の興味 • Rustの形式検証 2
本発表のゴール • 型システム、モデル検査、定理証明について雰囲気を理解する • プログラムの「正しさ」について考えてみる • あわよくばプログラム検証に入門してみようという気になる 3
動機 • ソフトウェアにバグはつきもの • バグを修正してもそれで十分とは言い切れない • テストでバグが見つからなかったから正しいとも言い切れない 4 ある種のバグが無いことを理論的に保証できないか?
型システム 5
型システムについて • 一番身近にある形式手法 • 文法上は問題ないが、評価できない項を除くことが目的 • ここでは簡単なプログラミング言語の型安全性を証明してみる 6
構文 t := true | false | if t then
t else t | 0 | succ t 例 • if true then (succ 0) else 0 • succ (if true then (succ 0) else 0) • If 0 then true else false • succ true 7
意味 E_IFTRUE if true then t2 else t3 -> t2
E_IFFALSE if false t2 else t3 -> t3 E_IF t1 -> t1’ ならば if t1 then t2 else t3 -> if t1’ then t2 else t3 E_SUCC t1 -> t1’ ならば succ t1 -> succ t1’ 8 例 • if true then (succ 0) else 0 -> succ 0 • succ (if true then (succ 0) else 0) -> succ (succ 0) • If 0 then true else false • succ true • 値でなくかつ評価できない項が存在する • このような「正しくない」項を除きたい
型システム T := Nat | Bool T_TRUE true: Bool T_FALSE
false: Bool T_IF t1: Bool かつ t2:T かつ t3:T ならば if t1 then t2 else t3: T T_SUCC t1: Nat ならば succ t1: Nat 9 例 • if true then (succ 0) else 0: Nat • succ (if true then (succ 0) else 0): Nat • If 0 then true else false • succ true • 「正しくない」項には型が付かない
性質 定理 (進行) 任意のt, Tについてt:Tならばtは行き詰まり状態でない 10 • 値でなくかつ評価できない項は行き詰まり状態であるという 定理 (保存)
任意のt, t’, Tについて t :Tかつt->t’ならばt’:T
発展的な話 • Double freeやDeadlock等、プログラムにとって「正しくない」状態は沢山ある • これらが行き詰まり状態になるように意味論を定義する • そのうえで型システムを作る (Linear Types,
Session Types…) • すると型が付くプログラムにはこれらのバグが無いことが保証される 例 • free(x); free(x); • !c(v); done || !c(v); done 11
参考資料 • Benjamin C. Pierce. Types and Programming Languages (1st.
ed.). The MIT Press, 2002. • Benjamin C. Pierce. Advanced Topics in Types and Programming Languages. The MIT Press, 2004. • 高野 祐輝. ゼロから学ぶRust. 講談社, 2022. 12
モデル検査 13
モデル検査について 14 • プログラムが取りうる状態を網羅的に検査する • 性質を論理式で表現してモデル検査器で検証する • 自動で検証可能な性質を扱う • ここでは以下の問題について考え、「正しさ」をモデル検査器(TLC)で検証する
問題設定 2つのスレッドで1つのリソースを共有させる「正しい」アルゴリズムをかけ
検証 問題設定 2つのスレッドで1つのリソースを共有させる「正しい」アルゴリズムをかけ 「正しさ」の定義 • Deadlockがない • 2つのスレッドが同時にクリティカルセクションに入らない 15 •
この定義で十分かどうかには議論の余地がある(後述)
検証 アルゴリズム 16 検証結果 • 交互にP1を実行しDeadlockに陥る実行パス
検証 アルゴリズム 17 検証結果 • 検査に成功する(91状態)
検証 アルゴリズム 18 検証結果 • どちらもP2で無限ループする実行パス (Livelock) • 検証の結果は「正しさ」の定義に依存する
検証 アルゴリズム 19 検証結果 • 検証にパスする(256状態)
発展的な話 • モデル検査の一番の課題は状態空間爆発 • 対策としてAbstractionやPartial Order Reductionなどのテクニックがある • Symbolic Model
Checkingなどの発展的なモデル検査アルゴリズムがある 20 https://www.youtube.com/live/96u4dBAOzao?t=9802s
参考資料 • Edmund M. Clarke, Orna Grumberg, and Doron A.
Peled. Model checking. MIT Press, 2000. • Hillel Wayne. 実践TLA+. 翔泳社, 2021. • チェシャ猫. モデル検査器をつくる, 2024. 21
定理証明 22
定理証明について • 型システム、モデル検査では検証できない様々な性質を検証可能 • 表現力が高い分、自動での検証は困難(半自動) • ここでは簡単なコンパイラの「正しさ」を 定理証明支援系(Coq)で検証する 23
Source Language 24 構文 意味
Target Language 25 構文 意味
Compiler 26 定義
検証 27 • コンパイル後の機械語を評価した値が元の式を評価した値と一致する
Extraction 28 OCamlのコードを自動生成 実行結果
参考資料 • Adam Chlipala. Formal Reasoning About Programs. • 池渕未来.
“プログラミングCoq”. IIJ. 2011. https://www.iijlab.net/activities/programming-coq/. 29
まとめ 30
入門前後の認識の変化 入門前 • 「プログラム検証で正しさを証明済み = 絶対にバグがない最強のプログラム」だと思っていた 入門後 • 「正しさ」を定義するのは人間なので残念ながらそんなことはない •
それでもプログラム検証は役に立つ • 「プログラムの正しさとは何か」について厳密に考えるための道具 31
展望 • 実用に基づいた理論を研究したい • Rustの形式検証とOS開発に興味がある • Atmosphere: Towards Practical Verified
Kernels in Rust • Beyond isolation: OS verification as a foundation for correct applications • 実際に形式手法を活用している企業の方にお話を聞きたい 32