Estratégias para teste e formalização de propriedades de linguagens de programação

Abstract

O mundo atual está repleto de dispositivos e máquinas controladas por software, os quais dependem de linguagens de programação e compiladores para serem produzidos e executados. A importância do desenvolvimento de software correto vai além de computadores pessoais e aplicativos de smartphones. Um erro em um sistema crítico, como em uma usina nuclear ou em um controlador de aviação, pode causar danos catastróficos em nossa sociedade. Hoje em dia, essencialmente duas técnicas de validação de software são utilizadas para evitar tais problemas: teste e verificação de software. Nesta tese, são combinadas ambas as técnicas de validação na área pesquisa de linguagens de programação, aplicando testes baseados em propriedades inicialmente para melhorar especificações e depurar programas, antes de uma tentativa de verificação formal. Por usar esta abordagem de testes, é possível eliminar falsas conjecturas rapidamente e usar os contra-exemplos gerados para corrigí-las. Então, tendo confiança de que a especificação está correta, é possível ir além, formalizando a especificação e provando propriedades em um provador de teoremas interativo, o qual usa um aparato matemático para garantir que estas propriedades são válidas para uma dada especificação. Aplicou-se diferentes estratégias para testar e formalizar duas linguagens de programação, o Cálculo Lambda, e o cálculo orientado a objetos Featherweight Java. A primeira parte desta tese define um procedimento direcionado por tipos para gerar programas aleatórios para cada linguagem de modo a aplicar testes baseados em propriedades para verificar propriedades de segurança, usando Haskell e a biblioteca QuickCheck. E, na segunda parte, foram aplicadas duas abordagens, extrínseca e intrínseca, para formalizar e provar segurança de tipos para ambas as linguagens de programação estudadas, usando a linguagem de tipos dependentes Agda, comparando as sutilezas de cada técnica. Além disso, foi demonstrado que as formalizações apresentadas podem ser estendidas para novas construções de linguagens, a partir da especificação e provas das mesmas propriedades para construções do Java 8. Acredita-se que esta combinação de testes baseados em propriedades com verificação formal pode melhorar a qualidade de software em geral e aumentar a produtividade durante o desenvolvimento de provas formais.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESToday’s world is full of devices and machines controlled by software, which depend upon programming languages and compilers to be produced and executed. The importance of correct software development goes beyond personal computers and smartphone apps. An error in a critical system, such as on a nuclear power plant or on an airplane controller, can cause catastrophic damage in our society. Nowadays, essentially two software validation techniques are used to avoid such problems: software testing and software verification. In this thesis we combine both validation techniques in the programming languages research area, applying property-based testing first to improve specifications and debugging programs, before an attempt of formal verification. By using such testing approach we can quickly eliminate false conjectures, by using the generated counterexamples, which help to correct them. Then, having confidence that the specification is correct, one can give a step forward and formalize the specification and prove its properties in an interactive theorem prover, which uses a mathematical framework to guarantee that these properties hold for a given specification. We apply different strategies to test and formalize two major programming languages, the functional Lambda Calculus, and the modern object-oriented calculus Featherweight Java. The first branch of this thesis defines a type-directed procedure to generate random programs for each calculus in order to apply property-based testing to check soundness properties on them, using the Haskell library QuickCheck. And in the second branch, we apply the two most used approaches, extrinsic and intrinsic, to formalize and prove type safety for both studied programming languages using the dependently-typed programming language Agda, comparing the subtleties of each technique. Furthermore, we show that our formalizations can be extended to new language constructions, by specifying and proving the same properties for Java 8 constructions. We believe that this combination of property-based testing with formal verification can improve the quality of software in general and increase productivity during formal proof development