Inductive representation, proofs and refinement of pointer structures

Cette thèse s'intègre dans le domaine général des méthodes formelles qui donnent une sémantique aux programmes pour vérifier formellement des propriétés sur ceux-ci. Sa motivation originale provient d'un besoin de certification des systèmes industriels souvent développés à l'aide de l'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) et de langages orientés objets (OO). Pour transformer efficacement des modèles (ou graphes), il est avantageux de les représenter à l'aide de structures de pointeurs, économisant le temps et la mémoire grâce au partage qu'ils permettent. Cependant la vérification de propriétés sur des programmes manipulant des pointeurs est encore complexe. Pour la simplifier, nous proposons de démarrer le développement par une implémentation haut-niveau sous la forme de programmes fonctionnels sur des types de données inductifs facilement vérifiables dans des assistants à la preuve tels que Isabelle/HOL. La représentation des structures de pointeurs est faite à l'aide d'un arbre couvrant contenant des références additionnelles. Ces programmes fonctionnels sont ensuite raffinés si nécessaire vers des programmes impératifs à l'aide de la bibliothèque Imperative_HOL. Ces programmes sont en dernier lieu extraits vers du code Scala (OO). Cette thèse décrit la méthodologie de représentation et de raffinement et fournit des outils pour la manipulation et la preuve de programmes OO dans Isabelle/HOL. L'approche est éprouvée par de nombreux exemples dont notamment l'algorithme de Schorr-Waite et la construction de Diagrammes de Décision Binaires (BDDs).This thesis stands in the general domain of formal methods that gives semantics to programs to formally prove properties about them. It originally draws its motivation from the need for certification of systems in an industrial context where Model Driven Engineering (MDE) and object-oriented (OO) languages are common. In order to obtain efficient transformations on models (graphs), we can represent them as pointer structures, allowing space and time savings through the sharing of nodes. However verification of properties on programs manipulating pointer structures is still hard. To ease this task, we propose to start the development with a high-level implementation embodied by functional programs manipulating inductive data-structures, that are easily verified in proof assistants such as Isabelle/HOL. Pointer structures are represented by a spanning tree adorned with additional references. These functional programs are then refined - if necessary - to imperative programs thanks to the library Imperative_HOL. These programs are finally extracted to Scala code (OO). This thesis describes this kind of representation and refinement and provides tools to manipulate and prove OO programs in Isabelle/HOL. This approach is put in practice with several examples, and especially with the Schorr-Waite algorithm and the construction of Binary Decision Diagrams (BDDs)