Fault Localization in Multi-Threaded C Programs using Bounded Model Checking (extended version)

Software debugging is a very time-consuming process, which is even worse for multi-threaded programs, due to the non-deterministic behavior of thread-scheduling algorithms. However, the debugging time may be greatly reduced, if automatic methods are used for localizing faults. In this study, a new method for fault localization, in multi-threaded C programs, is proposed. It transforms a multi-threaded program into a corresponding sequential one and then uses a fault-diagnosis method suitable for this type of program, in order to localize faults. The code transformation is implemented with rules and context switch information from counterexamples, which are typically generated by bounded model checkers. Experimental results show that the proposed method is effective, in such a way that sequential fault-localization methods can be extended to multi-threaded programs.Comment: extended version of paper published at SBESC'1

EffectiveSan: Type and Memory Error Detection using Dynamically Typed C/C++

Low-level programming languages with weak/static type systems, such as C and C++, are vulnerable to errors relating to the misuse of memory at runtime, such as (sub-)object bounds overflows, (re)use-after-free, and type confusion. Such errors account for many security and other undefined behavior bugs for programs written in these languages. In this paper, we introduce the notion of dynamically typed C/C++, which aims to detect such errors by dynamically checking the "effective type" of each object before use at runtime. We also present an implementation of dynamically typed C/C++ in the form of the Effective Type Sanitizer (EffectiveSan). EffectiveSan enforces type and memory safety using a combination of low-fat pointers, type meta data and type/bounds check instrumentation. We evaluate EffectiveSan against the SPEC2006 benchmark suite and the Firefox web browser, and detect several new type and memory errors. We also show that EffectiveSan achieves high compatibility and reasonable overheads for the given error coverage. Finally, we highlight that EffectiveSan is one of only a few tools that can detect sub-object bounds errors, and uses a novel approach (dynamic type checking) to do so.Comment: To appear in the Proceedings of 39th ACM SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation (PLDI2018

Incremental bounded model checking for embedded software

Program analysis is on the brink of mainstream usage in embedded systems development. Formal verification of behavioural requirements, finding runtime errors and test case generation are some of the most common applications of automated verification tools based on bounded model checking (BMC). Existing industrial tools for embedded software use an off-the-shelf bounded model checker and apply it iteratively to verify the program with an increasing number of unwindings. This approach unnecessarily wastes time repeating work that has already been done and fails to exploit the power of incremental SAT solving. This article reports on the extension of the software model checker CBMC to support incremental BMC and its successful integration with the industrial embedded software verification tool BTC EMBEDDED TESTER. We present an extensive evaluation over large industrial embedded programs, mainly from the automotive industry. We show that incremental BMC cuts runtimes by one order of magnitude in comparison to the standard non-incremental approach, enabling the application of formal verification to large and complex embedded software. We furthermore report promising results on analysing programs with arbitrary loop structure using incremental BMC, demonstrating its applicability and potential to verify general software beyond the embedded domain

Formal verification of automotive embedded UML designs

Software applications are increasingly dominating safety critical domains. Safety critical domains are domains where the failure of any application could impact human lives. Software application safety has been overlooked for quite some time but more focus and attention is currently directed to this area due to the exponential growth of software embedded applications. Software systems have continuously faced challenges in managing complexity associated with functional growth, flexibility of systems so that they can be easily modified, scalability of solutions across several product lines, quality and reliability of systems, and finally the ability to detect defects early in design phases. AUTOSAR was established to develop open standards to address these challenges. ISO-26262, automotive functional safety standard, aims to ensure functional safety of automotive systems by providing requirements and processes to govern software lifecycle to ensure safety. Each functional system needs to be classified in terms of safety goals, risks and Automotive Safety Integrity Level (ASIL: A, B, C and D) with ASIL D denoting the most stringent safety level. As risk of the system increases, ASIL level increases and the standard mandates more stringent methods to ensure safety. ISO-26262 mandates that ASILs C and D classified systems utilize walkthrough, semi-formal verification, inspection, control flow analysis, data flow analysis, static code analysis and semantic code analysis techniques to verify software unit design and implementation. Ensuring software specification compliance via formal methods has remained an academic endeavor for quite some time. Several factors discourage formal methods adoption in the industry. One major factor is the complexity of using formal methods. Software specification compliance in automotive remains in the bulk heavily dependent on traceability matrix, human based reviews, and testing activities conducted on either actual production software level or simulation level. ISO26262 automotive safety standard recommends, although not strongly, using formal notations in automotive systems that exhibit high risk in case of failure yet the industry still heavily relies on semi-formal notations such as UML. The use of semi-formal notations makes specification compliance still heavily dependent on manual processes and testing efforts. In this research, we propose a framework where UML finite state machines are compiled into formal notations, specification requirements are mapped into formal model theorems and SAT/SMT solvers are utilized to validate implementation compliance to specification. The framework will allow semi-formal verification of AUTOSAR UML designs via an automated formal framework backbone. This semi-formal verification framework will allow automotive software to comply with ISO-26262 ASIL C and D unit design and implementation formal verification guideline. Semi-formal UML finite state machines are automatically compiled into formal notations based on Symbolic Analysis Laboratory formal notation. Requirements are captured in the UML design and compiled automatically into theorems. Model Checkers are run against the compiled formal model and theorems to detect counterexamples that violate the requirements in the UML model. Semi-formal verification of the design allows us to uncover issues that were previously detected in testing and production stages. The methodology is applied on several automotive systems to show how the framework automates the verification of UML based designs, the de-facto standard for automotive systems design, based on an implicit formal methodology while hiding the cons that discouraged the industry from using it. Additionally, the framework automates ISO-26262 system design verification guideline which would otherwise be verified via human error prone approaches

Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird