Accelerating Verified-Compiler Development with a Verified Rewriting Engine

Compilers are a prime target for formal verification, since compiler bugs invalidate higher-level correctness guarantees, but compiler changes may become more labor-intensive to implement, if they must come with proof patches. One appealing approach is to present compilers as sets of algebraic rewrite rules, which a generic engine can apply efficiently. Now each rewrite rule can be proved separately, with no need to revisit past proofs for other parts of the compiler. We present the first realization of this idea, in the form of a framework for the Coq proof assistant. Our new Coq command takes normal proved theorems and combines them automatically into fast compilers with proofs. We applied our framework to improve the Fiat Cryptography toolchain for generating cryptographic arithmetic, producing an extracted command-line compiler that is about 1000$\times$ faster while actually featuring simpler compiler-specific proofs.Comment: 13th International Conference on Interactive Theorem Proving (ITP 2022

A Type-Preserving Compiler from System F to Typed Assembly Language

L'utilisation des méthodes formelles est de plus en plus courante dans le développement logiciel, et les systèmes de types sont la méthode formelle qui a le plus de succès. L'avancement des méthodes formelles présente de nouveaux défis, ainsi que de nouvelles opportunités. L'un des défis est d'assurer qu'un compilateur préserve la sémantique des programmes, de sorte que les propriétés que l'on garantit à propos de son code source s'appliquent également au code exécutable. Cette thèse présente un compilateur qui traduit un langage fonctionnel d'ordre supérieur avec polymorphisme vers un langage assembleur typé, dont la propriété principale est que la préservation des types est vérifiée de manière automatisée, à l'aide d'annotations de types sur le code du compilateur. Notre compilateur implante les transformations de code essentielles pour un langage fonctionnel d'ordre supérieur, nommément une conversion CPS, une conversion des fermetures et une génération de code. Nous présentons les détails des représentation fortement typées des langages intermédiaires, et les contraintes qu'elles imposent sur l'implantation des transformations de code. Notre objectif est de garantir la préservation des types avec un minimum d'annotations, et sans compromettre les qualités générales de modularité et de lisibilité du code du compilateur. Cet objectif est atteint en grande partie dans le traitement des fonctionnalités de base du langage (les «types simples»), contrairement au traitement du polymorphisme qui demande encore un travail substantiel pour satisfaire la vérification de type.Formal methods are rapidly improving and gaining ground in software. Type systems are the most successful and popular formal method used to develop software. As the technology of type systems progresses, new needs and new opportunities appear. One of those needs is to ensure the faithfulness of the translation from source code to machine code, so that the properties you prove about the code you write also apply to the code you run. This thesis presents a compiler from a polymorphic higher-order functional language to typed assembly language, whose main property is that type preservation is verified statically, through type annotations on the compiler's code. Our compiler implements the essential code transformations for a higher-order functional language, namely a CPS conversion and closure conversion as well as a code generation. The thesis presents the details of the strongly typed intermediate representations and the constraints they set on the implementation of code transformations. Our goal is to guarantee type preservation with a minimum of type annotations, and without compromising readability and modularity of the code. This goal is already a reality for simple types, and we discuss the problems remaining for polymorphism, which still requires substantial extra work to satisfy the type checker