Recursive Online Enumeration of All Minimal Unsatisfiable Subsets

In various areas of computer science, we deal with a set of constraints to be satisfied. If the constraints cannot be satisfied simultaneously, it is desirable to identify the core problems among them. Such cores are called minimal unsatisfiable subsets (MUSes). The more MUSes are identified, the more information about the conflicts among the constraints is obtained. However, a full enumeration of all MUSes is in general intractable due to the large number (even exponential) of possible conflicts. Moreover, to identify MUSes algorithms must test sets of constraints for their simultaneous satisfiabilty. The type of the test depends on the application domains. The complexity of tests can be extremely high especially for domains like temporal logics, model checking, or SMT. In this paper, we propose a recursive algorithm that identifies MUSes in an online manner (i.e., one by one) and can be terminated at any time. The key feature of our algorithm is that it minimizes the number of satisfiability tests and thus speeds up the computation. The algorithm is applicable to an arbitrary constraint domain and its effectiveness demonstrates itself especially in domains with expensive satisfiability checks. We benchmark our algorithm against state of the art algorithm on Boolean and SMT constraint domains and demonstrate that our algorithm really requires less satisfiability tests and consequently finds more MUSes in given time limits

CadiBack: Extracting Backbones with CaDiCaL

The backbone of a satisfiable formula is the set of literals that are true in all its satisfying assignments. Backbone computation can improve a wide range of SAT-based applications, such as verification, fault localization and product configuration. In this tool paper, we introduce a new backbone extraction tool called CadiBack. It takes advantage of unique features available in our state-of-the-art SAT solver CaDiCaL including transparent inprocessing and single clause assumptions, which have not been evaluated in this context before. In addition, CaDiCaL is enhanced with an improved algorithm to support model rotation by utilizing watched literal data structures. In our comprehensive experiments with a large number of benchmarks, CadiBack solves 60% more instances than the state-of-the-art backbone extraction tool MiniBones. Our tool is thoroughly tested with fuzzing, internal correctness checking and cross-checking on a large benchmark set. It is publicly available as open source, well documented and easy to extend

Incremental Satisfiability Solving and its Applications

The propositional logic satisfiability problem (SAT) is a computationally hard decision problem. Despite its theoretical hardness, decision procedures for solving instances of this problem have become surprisingly efficient in recent years. These procedures, known as SAT solvers, are able to solve large instances originating from real-life problem domains, such as artificial intelligence and formal verification. Such real-life applications often require solving several related instances of SAT. Therefore, modern solvers posses an incremental interface that allows the input of sequences of incrementally encoded instances of SAT. When solving these instances sequentially the solver can reuse some of the information it has gathered across related consecutive instances. This dissertation contains six publications. The two focus areas of the combined work are incremental usage of SAT solvers, and the usage of parallelism in applications of SAT solvers. It is shown in this work that these two seemingly contradictory concepts form a natural combination. Moreover, this dissertations unifies, analyzes, and extends the results of the six publications, for example, by studying information propagation in incremental solvers through graphical visualizations. The concrete contributions made by the work in this dissertation include, but are not limited to: Improvements to algorithms for MUS finding, the use of graphical visualizations to understand information propagation in incremental solvers, asynchronous incremental solving, and concurrent clause strengthening

Engineering SAT Applications

Das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT) ist nicht nur in der theoretischen Informatik ein grundlegendes Problem, da alle NP-vollständigen Probleme auf SAT zurückgeführt werden können. Durch die Entwicklung von sehr effizienten SAT Lösern sind in den vergangenen 15 Jahren auch eine Vielzahl von praktischen Anwendungsmöglichkeiten entwickelt worden. Zu den bekanntesten gehört die Verifikation von Hardware- und Software-Bausteinen. Bei der Berechnung von unerfüllbaren SAT-Problemen sind Entwickler und Anwender oftmals an einer Erklärung für die Unerfüllbarkeit interessiert. Eine Möglichkeit diese zu ermitteln ist die Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln. Es sind drei grundlegend verschiedene Strategien zur Berechnung dieser Teilformeln bekannt: mittels Einfügen von Klauseln in ein erfüllbares Teilproblem, durch Entfernen von Kauseln aus einem unerfüllbaren Teilproblem und eine Kombination der beiden erstgenannten Methoden. In der vorliegenden Arbeit entwickeln wir zuerst eine interaktive Variante der Strategie, die auf Entfernen von Klauseln basiert. Sie ermöglicht es den Anwendern interessante Bereiche des Suchraumes manuell zu erschließen und aussagekräftige Erklärung für die Unerfüllbarkeit zu ermitteln. Der theoretische Hintergrund, der für die interaktive Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln entwickelt wurde, um dem Benutzer des Prototyps unnötige Schritte in der Berechnung der Teilformeln zu ersparen werden im Anschluss für die automatische Aufzählung von mehreren minimal unerfüllbaren Teilformeln verwendet, um dort die aktuell schnellsten Algorithmen weiter zu verbessern. Die Idee dabei ist mehrere Klauseln zu einem Block zusammenzufassen. Wir zeigen, wie diese Blöcke die Berechnungen von minimal unerfüllbaren Teilformeln positiv beeinflussen können. Durch die Implementierung eines Prototypen, der auf den aktuellen Methoden basiert, konnten wir die Effektivität unserer entwickelten Ideen belegen. Nachdem wir im ersten Teil der Arbeit grundlegende Algorithmen, die bei unerfüllbaren SAT-Problemen angewendet werden, verbessert haben, wenden wir uns im zweiten Teil der Arbeit neuen Anwendungsmöglichkeiten für SAT zu. Zuerst steht dabei ein Problem aus der Bioinformatik im Mittelpunkt. Wir lösen das sogenannte Kompatibilitätproblem für evolutionäre Bäume mittels einer Kodierung als Erfüllbarkeitsproblem und zeigen anschließend, wie wir mithilfe dieser neuen Kodierung ein nah verwandtes Optimierungsproblem lösen können. Den von uns neu entwickelten Ansatz vergleichen wir im Anschluss mit den bisher effektivsten Ansätzen das Optmierungsproblem zu lösen. Wir konnten zeigen, dass wir für den überwiegenden Teil der getesteten Instanzen neue Bestwerte in der Berechnungszeit erreichen. Die zweite neue Anwendung von SAT ist ein Problem aus der Graphentheorie, bzw. dem Graphenzeichen. Durch eine schlichte, intuitive, aber dennoch effektive Formulierung war es uns möglich neue Resultate für das Book Embedding Problem zu ermitteln. Zum einen konnten wir eine nicht triviale untere Schranke von vier für die benötigte Seitenzahl von 1-planaren Graphen ermitteln. Zum anderen konnten wir zeigen, dass es nicht für jeden planaren Graphen möglich ist, eine Einbettung in drei Seiten mittels einer sogenannten Schnyder-Aufteilung in drei verschiedene Bäume zu berechnen

Formal Requirements Analysis and Specification-Based Testing in Cyber-Physical Systems

openFormal requirements analysis plays an important role in the design of safety- and security-critical complex systems such as, e.g., Cyber-Physical Systems (CPS). It can help in detecting problems early in the system development life-cycle, reducing time and cost to completion. Moreover, its results can be employed at the end of the process to validate the implemented system, guiding the testing phase. Despite its importance, requirements analysis is still largely carried out manually due to the intrinsic difficulty of dealing with natural language requirements, the most common way to represent them. However, manual reviews are time-consuming and error-prone, reducing the potential benefit of the requirement engineering process. Automation can be achieved with the employment of formal methods, but their application is still limited by their complexity and lack of specialized tools. In this work we focus on the analysis of requirements for the design of CPSs, and on how to automatize some activities related to such analysis. We first study how to formalize requirements expressed in a structured English language, encode them in linear temporal logic, check their consistency with off-the-shelf model checkers, and find minimal set of conflicting requirements in case of inconsistency. We then present a new methodology to automatically generate tests from requirements and execute them on a given system, without requiring knowledge of its internal structure. Finally, we provide a set of tools that implement the studied algorithms and provide easy-to-use interfaces to help their adoption from the users.openXXXIII CICLO - INFORMATICA E INGEGNERIA DEI SISTEMI/ COMPUTER SCIENCE AND SYSTEMS ENGINEERING - Informatica/computer sciencePULINA, LUCAVuotto, Simon