Proving opacity via linearizability: A sound and complete method

Transactional memory (TM) is a mechanism that manages thread synchronisation on behalf of a programmer so that blocks of code execute with the illusion of atomicity. The main safety criterion for transactional memory is opacity, which defines conditions for serialising concurrent transactions. Verifying opacity is complex because one must not only consider the orderings between fine-grained (and hence concurrent) transactional operations, but also between the transactions themselves. This paper presents a sound and complete method for proving opacity by decomposing the proof into two parts, so that each form of concurrency can be dealt with separately. Thus, in our method, verification involves a simple proof of opacity of a coarse-grained abstraction, and a proof of linearizability, a better-understood correctness condition. The most difficult part of these verifications is dealing with the fine-grained synchronization mechanisms of a given implementation; in our method these aspects are isolated to the linearizability proof. Our result makes it possible to leverage the many sophisticated techniques for proving linearizability that have been developed in recent years. We use our method to prove opacity of two algorithms from the literature. Furthermore, we show that our method extends naturally to weak memory models by showing that both these algorithms are opaque under the TSO memory model, which is the memory model of the (widely deployed) x86 family of processors. All our proofs have been mechanised, either in the Isabelle theorem prover or the PAT model checker

A program transformation step prediction based reengineering approach

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Decentralized Anonymous Micropayments

Micropayments (payments worth a few pennies) have numerous potential applications. A challenge in achieving them is that payment networks charge fees that are high compared to “micro” sums of money. Wheeler (1996) and Rivest (1997) proposed probabilistic payments as a technique to achieve micropayments: a merchant receives a macro-value payment with a given probability so that, in expectation, he receives a micro-value payment. Despite much research and trial deployment, micropayment schemes have not seen adoption, partly because a trusted party is required to process payments and resolve disputes. The widespread adoption of decentralized currencies such as Bitcoin (2009) suggests that decentralized micropayment schemes are easier to deploy. Pass and Shelat (2015) proposed several micropayment schemes for Bitcoin, but their schemes provide no more privacy guarantees than Bitcoin itself, whose transactions are recorded in plaintext in a public ledger. We formulate and construct *decentralized anonymous micropayment* (DAM) schemes, which enable parties with access to a ledger to conduct offline probabilistic payments with one another, directly and privately. Our techniques extend those of Zerocash (2014) with a new probabilistic payment scheme; we further provide an efficient instantiation based on a new fractional message transfer protocol. Double spending in our setting cannot be prevented. Our second contribution is an economic analysis that bounds the additional utility gain of any cheating strategy, and applies to virtually any probabilistic payment scheme with offline validation. In our construction, this bound allows us to deter double spending by way of advance deposits that are revoked when cheating is detected

IUS/TUG orbital operations and mission support study. Volume 3: Space tug operations

A study was conducted to develop space tug operational concepts and baseline operations plan, and to provide cost estimates for space tug operations. Background data and study results are presented along with a transition phase analysis (the transition from interim upper state to tug operations). A summary is given of the tug operational and interface requirements with emphasis on the on-orbit checkout requirements, external interface operational requirements, safety requirements, and system operational interface requirements. Other topics discussed include reference missions baselined for the tug and details for the mission functional flows and timelines derived for the tug mission, tug subsystems, tug on-orbit operations prior to the tug first burn, spacecraft deployment and retrieval by the tug, operations centers, mission planning, potential problem areas, and cost data

Expressive and Efficient Memory Representation for Bounded Model Checking of C programs

Ensuring memory safety in programs has been an important yet difficult topic of research. Most static analysis approaches rely on the theory of arrays to model memory access. The limitation of the theory of arrays in terms of scalability and compatibility with SAT/SMT solvers is well-known, and there has been many attempts at optimizing either the theory itself or memory encodings based on theory of arrays. In this thesis, we demonstrate that existing arrays-based memory encodings miss potential optimization opportunities by omitting language specific properties such as alignment and pointer arithmetic in C. We present SeaM, a new memory representation for C programs built around a more expressive First-order Theory: the Theory of Memory. We show that by preserving more C language specific rules and properties, the Theory of Memory allows for more thorough optimization methods during eager rewriting of sequences of stores. We introduce two such optimization methods in this thesis. First, we over-approximate pointer comparison with an abstract interpretation-like approach called AddressRangeMap. Second, we compress sequences of stores with Store-Map for faster address offset look-ups. The new memory representation is implemented in SeaBmc, a new BMC tool for LLVM. We evaluate our approach on real-world bounded model checking tasks from the aws-c-common library and Sv-Comp benchmarks and compare it against two existing memory representations in SeaBmc. Our results show that SeaM outperforms the theory of array based representation and is comparable with the λ based representation

Building Transformation Networks for Consistent Evolution of Interrelated Models

In dieser Dissertation formalisieren und analysieren wir die Konsistenzerhaltung verschiedener Artefakte zur Beschreibung eines Softwaresystems durch die Kopplung von Transformationen zwischen diesen und unterstützen sie mit geeigneten Methoden. Für die Entwicklung eines Softwaresystems nutzen Entwickler:innen und weitere Beteiligte verschiedene Sprachen, oder allgemein Werkzeuge, zur Beschreibung unterschiedlicher Belange. Meist stellt Programmcode das zentrale Artefakt dar, welches jedoch, implizit oder explizit, durch Spezifikationen von Architektur, Deployment, Anforderungen und anderen ergänzt wird. Neben der Programmiersprache verwenden die Beteiligten weitere Sprachen zur Spezifikation dieser Artefakte, beispielsweise die UML für Modelle des objektorientierten Entwurfs oder der Architektur, den OpenAPI-Standard für Schnittstellen-Definitionen, oder Docker für Deployment-Spezifikationen. Zur Erstellung eines funktionsfähigen Softwaresystems müssen diese Artefakte das System einheitlich und widerspruchsfrei darstellen. Beispielsweise müssen Dienst-Schnittstellen in allen Artefakten einheitlich repräsentiert sein. Wir sagen, die Artefakte müssen konsistent sein. In der modellgetriebenen Entwicklung werden solche verschiedenen Artefakte allgemein Modelle genannt und bereits als wesentliche zentrale Entwicklungsbestandteile genutzt, um auch Teile des Programmcodes aus ihnen abzuleiten. Dies betrifft beispielsweise die Softwareentwicklung für Fahrzeuge. Zur Konsistenzerhaltung der Modelle werden oftmals Transformationen eingesetzt, die nach Änderungen eines Modells die anderen Modelle anpassen. Die bisherige Forschung beschränkt sich auf Transformationen zur Konsistenzerhaltung zweier Modelle und die projektspezifische Kombination von Transformationen zur Konsistenzerhaltung mehrerer Modelle. Ein systematischer Entwicklungsprozess, in dem einzelne Transformationen unabhängig entwickelt und in verschiedenen Kontexten modular wiederverwendet werden können, wird hierdurch jedoch nicht unterstützt. In dieser Dissertation erforschen wir, wie Entwickler:innen mehrere Transformationen zu einem Netzwerk kombinieren können, welches die Transformationen in einer geeigneten Reihenfolge ausführen kann, sodass abschließend alle Modelle konsistent zueinander sind. Dies geschieht unter der Annahme, dass einzelne Transformationen zwischen zwei Sprachen unabhängig voneinander entwickelt werden und daher nicht aufeinander abgestimmt werden können. Unsere Beiträge unterteilen sich in die Untersuchung der Korrektheit einer solchen Kombination von Transformationen zu einem Netzwerk und die Optimierung von Qualitätseigenschaften solcher Netzwerke. Wir diskutieren und definieren zunächst einen adäquaten Korrektheitsbegriff, welcher drei Anforderungen impliziert. Diese umfassen eine Synchronisations-Eigenschaft für die einzelnen Transformationen, eine Kompatibilitäts-Eigenschaft für das Transformationsnetzwerk, sowie das Finden einer geeigneten Ausführungsreihenfolge der Transformationen, einer Orchestrierung. Wir stellen ein Konstruktionsverfahren für Transformationen vor, mit welchem die Synchronisations-Eigenschaft basierend auf einer formal bewiesenen Eigenschaft erfüllt wird. Für dieses zeigen wir Vollständigkeit und Angemessenheit mit einer fallstudienbasierten empirischen Evaluation in der Domäne der komponentenbasierten Softwareentwicklung. Wir definieren die Eigenschaft der Kompatibilität von Transformationen, für welche wir ein formales und bewiesen korrektes Analyseverfahren vorschlagen und eine praktische Realisierung ableiten, deren Anwendbarkeit wir in Fallstudien nachweisen. Schlussendlich definieren wir das Orchestrierungsproblem zum Finden einer Orchestrierung, die zu konsistenten Modelle führt wann immer solch eine Orchestrierung existiert. Wir beweisen die Unentscheidbarkeit dieses Problems und diskutieren, dass eine Einschränkung des Problems, um Entscheidbarkeit zu erreichen, die Anwendbarkeit unpraktikabel beschränken würde. Daher schlagen wir einen Algorithmus vor, der das Problem konservativ behandelt. Er findet eine Orchestrierung unter bestimmten, wohldefinierten Bedingungen und terminiert andernfalls mit einem Fehler. Wir beweisen die Korrektheit des Algorithmus und eine Eigenschaft, die das Finden der Ursache im Fehlerfall unterstützt. Zusätzlich kategorisieren wir Fehler, die auftreten können falls ein Netzwerk den definierten Korrektheitsbegriff nicht erfüllt. Daraus leiten wir mittels den bereits genannten Fallstudien ab, dass die meisten potentiellen Fehler per Konstruktion mit den in dieser Arbeit vorgeschlagenen Ansätzen vermieden werden können. Zur Untersuchung von Qualitätseigenschaften eines Netzwerkes von Transformationen klassifizieren wir zunächst relevante Eigenschaften, sowie den Effekt verschiedener Typen von Netzwerktopologien auf diese. Hierbei zeigt sich, dass insbesondere Korrektheit und Wiederverwendbarkeit im Widerspruch stehen, sodass die Wahl der Netzwerktopologie ein Abwägen bei der Optimierung dieser Eigenschaften erfordert. Wir leiten hieraus ein Konstruktionsverfahren für Transformationsnetzwerke ab, welches die Notwendigkeit einer Abwägung zwischen den Qualitätseigenschaften abmildert und, unter gewissen Voraussetzungen, Korrektheit per Konstruktion gewährleistet. Wir unterstützen den Entwicklungsprozess für diesen Ansatz mithilfe einer spezialisierten Spezifikationssprache. Während die Verminderung der Notwendigkeit einer Abwägung zwischen Qualitätseigenschaften durch den Ansatz per Konstruktion erreicht wird, zeigen wir die Erreichbarkeit der Voraussetzungen und die Vorteile der vorgeschlagenen Sprache in einer empirischen Evaluation mithilfe der Fallstudie aus der komponentenbasierten Softwareentwicklung. Die Beiträge dieser Dissertation unterstützen sowohl Forscher:innen als auch Transformationsentwickler:innen und Transformationsanwender:innen bei der Analyse und Konstruktion von Netzwerken von Transformationen. Sie stellen für Forscher:innen und Transformationsentwickler:innen systematisches Wissen über die Korrektheit und weitere Qualitätseigenschaften solcher Netzwerke bereit. Sie zeigen insbesondere welche Teile dieser Eigenschaften per Konstruktion erreicht werden können, welche per Analyse validiert werden können, und welche Fehler unvermeidbar bei der Ausführung erwartet werden müssen. Zusätzlich zu diesen Einsichten stellen wir konkrete, praktisch nutzbare Verfahren bereit, mit denen Transformationsentwickler:innen und Transformationsanwender:innen korrekte, modular wiederverwendbare Netzwerke konstruieren, analysieren und ausführen können

Design and evaluation of a Thread-Level Speculation runtime library

En los próximos años es más que probable que máquinas con cientos o incluso miles de procesadores sean algo habitual. Para aprovechar estas máquinas, y debido a la dificultad de programar de forma paralela, sería deseable disponer de sistemas de compilación o ejecución que extraigan todo el paralelismo posible de las aplicaciones existentes. Así en los últimos tiempos se han propuesto multitud de técnicas paralelas. Sin embargo, la mayoría de ellas se centran en códigos simples, es decir, sin dependencias entre sus instrucciones. La paralelización especulativa surge como una solución para estos códigos complejos, posibilitando la ejecución de cualquier tipo de códigos, con o sin dependencias. Esta técnica asume de forma optimista que la ejecución paralela de cualquier tipo de código no de lugar a errores y, por lo tanto, necesitan de un mecanismo que detecte cualquier tipo de colisión. Para ello, constan de un monitor responsable que comprueba constantemente que la ejecución no sea errónea, asegurando que los resultados obtenidos de forma paralela sean similares a los de cualquier ejecución secuencial. En caso de que la ejecución fuese errónea los threads se detendrían y reiniciarían su ejecución para asegurar que la ejecución sigue la semántica secuencial. Nuestra contribución en este campo incluye (1) una nueva librería de ejecución especulativa fácil de utilizar; (2) nuevas propuestas que permiten reducir de forma significativa el número de accesos requeridos en las peraciones especulativas, así como consejos para reducir la memoria a utilizar; (3) propuestas para mejorar los métodos de scheduling centradas en la gestión dinámica de los bloques de iteraciones utilizados en las ejecuciones especulativas; (4) una solución híbrida que utiliza memoria transaccional para implementar las secciones críticas de una librería de paralelización especulativa; y (5) un análisis de las técnicas especulativas en uno de los dispositivos más vanguardistas del momento, los coprocesadores Intel Xeon Phi. Como hemos podido comprobar, la paralelización especulativa es un campo de investigación activo. Nuestros resultados demuestran que esta técnica permite obtener mejoras de rendimiento en un gran número de aplicaciones. Así, esperamos que este trabajo contribuya a facilitar el uso de soluciones especulativas en compiladores comerciales y/o modelos de programación paralela de memoria compartida.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos