Nous rappelons d’abord le concept d’algèbre de Kleene avec domaine (AKD). Puis, nous expliquons comment utiliser les opérateurs des AKD pour définir un ordre partiel appelé raffinement démoniaque ainsi que d’autres opérateurs démoniaques (plusieurs de ces définitions proviennent de la littérature). Nous cherchons à comprendre comment se comportent les AKD munies des opérateurs démoniaques quand on exclut les opérateurs angéliques usuels. C’est ainsi que les propriétés de ces opérateurs démoniaques nous servent de base pour axiomatiser une algèbre que nous appelons Algèbre démoniaque avec domaine et opérateur t-conditionnel (ADD-[opérateur t-conditionnel]). Les lois des ADD-[opérateur t-conditionnel] qui ne concernent pas l’opérateur de domaine correspondent à celles présentées dans l’article Laws of programming par Hoare et al. publié dans la revue Communications of the ACM en 1987. Ensuite, nous étudions les liens entre les ADD-[opérateur t-conditionnel] et les AKD munies des opérateurs démoniaques. La question est de savoir si ces structures sont isomorphes. Nous démontrons que ce n’est pas le cas en général et nous caractérisons celles qui le sont. En effet, nous montrons qu’une AKD peut être transformée en une ADD-[opérateur t-conditionnel] qui peut être transformée à son tour en l’AKD de départ. Puis, nous présentons les conditions nécessaires et suffisantes pour qu’une ADD-[opérateur t-conditionnel] puisse être transformée en une AKD qui peut être transformée à nouveau en l’ADD-[opérateur t-conditionnel] de départ. Les conditions nécessaires et suffisantes mentionnées précédemment font intervenir un nouveau concept, celui de décomposition. Dans un contexte démoniaque, il est difficile de distinguer des transitions qui, à partir d’un même état, mènent à des états différents. Le concept de décomposition permet d’y arriver simplement. Nous présentons sa définition ainsi que plusieurs de ses propriétés. / We first recall the concept of Kleene algebra with domain (KAD). Then we explain how to use the operators of KAD to define a demonic refinement ordering and demonic operators (many of these definitions come from the literature). We want to know how do KADs with the demonic operators but without the usual angelic ones behave. Then, taking the properties of the KAD-based demonic operators as a guideline, we axiomatise an algebra that we call Demonic algebra with domain and t-conditional (DAD-[opérateur t-conditionnel]). The laws of DAD-[opérateur t-conditionnel] not concerning the domain operator agree with those given in the 1987 Communications of the ACM paper Laws of programming by Hoare et al. Then, we investigate the relationship between DAD-[opérateur t-conditionnel] and KAD-based demonic algebras. The question is whether every DAD-[opérateur t-conditionnel] is isomorphic to a KAD-based demonic algebra. We show that it is not the case in general. However, we characterise those that are. Indeed, we demonstrate that a KAD can be transformed into a DAD-[opérateur t-conditionnel] which can be transformed back into the initial KAD. We also establish necessary and sufficient conditions for which a DAD-[opérateur t-conditionnel] can be transformed into a KAD which can be transformed back into the initial DAD-[opérateur t-conditionnel]. Finally, we define the concept of decomposition. This notion is involved in the necessary and sufficient conditions previously mentioned. In a demonic context, it is difficult to distinguish between transitions that, from a given state, go to different states. The concept of decomposition enables to do it easily. We present its definition together with some of its properties.

Au fil des ans, l'algèbre de Kleene s'est avérée être un outil formel très pratique et flexible quant vient le temps de raisonner sur les programmes informatiques. Cependant, actuellement, la plupart des applications à l'analyse de programmes de l'algèbre de Kleene se font en sélectionnant un problème précis et en voyant comment l'algèbre de Kleene permet de le résoudre, ce qui limite les applications possibles. L'objectif visé par ce mémoire est de déterminer dans quelle mesure la résolution d'équations, en algèbre de Kleene, peut être utilisée en analyse de programmes. Une grande partie de ce mémoire est donc consacrée à la résolution de différents types d'équations dans différentes variantes de l'algèbre de Kleene. Puis nous montrons comment la vérification de programmes ainsi que la synthèse de contrôleurs peuvent tirer profit de la résolution d'équations en algèbre de Kleene.

L'analyse statique des programmes consiste en un ensemble de techniques permettant de déterminer des propriétés des programmes sans avoir à les exécuter. Parmi les applications de l'analyse statique des programmes, nous retrouvons l'optimisation du code source par des compilateurs et la détection de code malveillant ou de code qui pourrait être exploité à des fins malveillantes. L'évidente pertinence et l'importance (parfois critique) de telles applications expliquent les nombreuses tentatives de compréhension du cadre théorique général de l'analyse statique des programmes. Les algèbres de Kleene sont la théorie algébrique des automates finis et des expressions régulières. Cet outil algébrique s'est avéré très approprié pour l'analyse statique et la vérification des programmes. Le but de cette thèse est de développer un cadre algébrique basé sur les algèbres de Kleene pour calculer les solutions d'une classe générale de problèmes intraprocéduraux d'analyse de flot de données. Ce cadre permet de représenter les programmes, ainsi que leurs propriétés, d'une manière homogène, compacte et expressive. Les algorithmes traditionnels employés pour calculer le résultat d'une analyse sont alors remplacés par des manipulations algébriques des éléments d'une algèbre de Kleene. / L'analyse statique des programmes consiste en un ensemble de techniques permettant de déterminer des propriétés des programmes sans avoir à les exécuter. Parmi les applications de l'analyse statique des programmes, nous retrouvons l'optimisation du code source par des compilateurs et la détection de code malveillant ou de code qui pourrait être exploité à des fins malveillantes. L'évidente pertinence et l'importance (parfois critique) de telles applications expliquent les nombreuses tentatives de compréhension du cadre théorique général de l'analyse statique des programmes. Les algèbres de Kleene sont la théorie algébrique des automates finis et des expressions régulières. Cet outil algébrique s'est avéré très approprié pour l'analyse statique et la vérification des programmes. Le but de cette thèse est de développer un cadre algébrique basé sur les algèbres de Kleene pour calculer les solutions d'une classe générale de problèmes intraprocéduraux d'analyse de flot de données. Ce cadre permet de représenter les programmes, ainsi que leurs propriétés, d'une manière homogène, compacte et expressive. Les algorithmes traditionnels employés pour calculer le résultat d'une analyse sont alors remplacés par des manipulations algébriques des éléments d'une algèbre de Kleene. / Static program analysis consists of techniques for determining properties of programs without actually running them. Among the applications of static program analysis are the optimization by compilers of object code and the detection of malicious code or code that might be maliciously exploited. The obvious relevance and (sometimes critical) importance of such applications explain the many attempts to try to understand the general theoretical framework of static program analysis. Kleene algebra is the algebraic theory of finite automata and regular expressions. This algebraic tool has proven to be very suitable for the purpose of static analysis and verification of programs. The goal of this thesis is to develop an algebraic framework based on Kleene algebra to compute the solutions to a general class of intraprocedural dataflow analysis problems. The framework allows one to represent both the programs and the relevant properties in an homogeneous, compact and readable way. Traditional algorithms used to compute the result of an analysis are then replaced by algebraic manipulations of elements of a Kleene algebra. / Static program analysis consists of techniques for determining properties of programs without actually running them. Among the applications of static program analysis are the optimization by compilers of object code and the detection of malicious code or code that might be maliciously exploited. The obvious relevance and (sometimes critical) importance of such applications explain the many attempts to try to understand the general theoretical framework of static program analysis. Kleene algebra is the algebraic theory of finite automata and regular expressions. This algebraic tool has proven to be very suitable for the purpose of static analysis and verification of programs. The goal of this thesis is to develop an algebraic framework based on Kleene algebra to compute the solutions to a general class of intraprocedural dataflow analysis problems. The framework allows one to represent both the programs and the relevant properties in an homogeneous, compact and readable way. Traditional algorithms used to compute the result of an analysis are then replaced by algebraic manipulations of elements of a Kleene algebra.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / La vérification de modèle est une technique permettant de faire un modèle représentant le comportement d'un système ou d'un programme, de décrire une propriété à vérifier sur ce dernier et de faire la vérification au moyen d'un algorithme. Dans ce mémoire, nous décrivons notre propre méthode de vérification de modèle basée sur les algèbres de Kleene. Plus particulièrement, nous utilisons une extension appelée omégaalgèbre avec domaine. Cette méthode algébrique permet de vérifier des propriétés pouvant être exprimées au moyen de la logique CTL* basée sur les états et les actions du modèle à vérifier. Nous représentons ces propriétés au moyen d'expressions sur une oméga-algèbre avec domaine. / Les modèles que nous pouvons vérifier sont les systèmes à pile, une classe de systèmes de transitions pouvant avoir un nombre infini d'états. Les systèmes à pile peuvent représenter le flot de contrôle des programmes avec appels de procédures, incluant les appels récursifs. Des matrices sur une oméga-algèbre avec domaine sont utilisées pour représenter ces systèmes de transitions. Notre méthode génère, à partir de la matrice représentant le système à pile à vérifier et de l'expression représentant la propriété à vérifier sur ce dernier, une équation qu'il faut démontrer de façon axiomatique afin de conclure que le système satisfait la propriété.

Les analyses interprocédurales automatiques de programmes qui sont basées sur des théories mathématiques rigoureuses sont complexes à réaliser, mais elles sont d'excellents outils pour augmenter notre conance envers les comportements possibles d'un programme. Les méthodes classiques pour réaliser ces analyses sont l'analyse de modè- les, l'interprétation abstraite et la démonstration automatique de théorèmes. La base d'un démonstrateur automatique de théorèmes est une logique ou une algèbre et le choix de celle-ci a un impact sur la complexité de trouver une preuve pour un théorème donné. Cette dissertation développe un formalisme algébrique concis pouvant être utilisé en démonstration automatique de théorèmes. Ce formalisme est appellé algèbre de Kleene à pile visible. Cette dissertation explique comment ce formalisme peut être utilisé pour réaliser des analyses interprocédurales de programmes, comme des vérications formelles et des vérications d'optimisations efectuées par des compilateurs. Cette dissertation apporte aussi des preuves que ces analyses pourraient être automatisées. L'algèbre de Kleene à pile visible est une extension de l'algèbre de Kleene, un excellent formalisme pour réaliser des analyses intraprocédurales de programmes. En bref, l'algèbre de Kleene est la théorie algébrique des automates nis et des expressions régulières. Donc, cette algèbre à elle seule n'est pas appropriée pour faire des analyses interprocédurales de programmes car la puissance des langages non contextuels est souvent nécessaire pour représenter le lot de contrôle d'un tel programme. L'algèbre de Kleene à pile visible étend celle-ci en lui ajoutant une famille d'opérateurs de plus petit point xe qui est basée sur une restriction des grammaires non contextuelles. En fait, cette algèbre axiomatise exactement la théorie équationnelle des langages à pile visibles. Ces langages sont une sous-classe des langages non contextuels et ont été dénis par Alur et Madhusudan pour faire de l'analyse de modèles. La complexité résultante de la théorie équationnelle de l'algèbre proposée est EXPTIME-complète. / Automatic interprocedural program analyses based on rigorous mathematical theories are complex to do, but they are great tools to increase our condence in the behaviour of a program. Classical ways of doing them is either by model checking, by abstract interpretation or by automated theorem proving. The basis of an automated theorem prover is a logic or an algebra and the choice of this basis will have an impact in the complexity of nding a proof for a given theorem. This dissertation develops a lightweight algebraic formalism for the automated theorem proving approach. This formalism is called visibly pushdown Kleene algebra. This dissertation explains how to do some interprocedural program analyses, like formal veri cation and verication of compiler optimizations, with this formalism. Evidence is provided that the analyses can be automated. The proposed algebraic formalism is an extension of Kleene algebra, a formalism for doing intraprocedural program analyses. In a nutshell, Kleene algebra is the algebraic theory of nite automata and regular expressions. So, Kleene algebra alone is not well suited to do interprocedural program analyses, where the power of context-free languages is often needed to represent the control flow of a program. Visibly pushdown Kleene algebra extends Kleene algebra by adding a family of implicit least xed point operators based on a restriction of context-free grammars. In fact, visibly pushdown Kleene algebra axiomatises exactly the equational theory of visibly pushdown languages. Visibly pushdown languages are a subclass of context-free languages dened by Alur and Madhusudan in the model checking framework to model check interprocedural programs while remaining decidable. The resulting complexity of the equational theory of visibly pushdown Kleene algebra is EXPTIME-complete whereas that of Kleene algebra is PSPACE-complete.

Due to their increasing complexity, today’s computer systems are studied using multiple models and formalisms. Thus, it is necessary to develop theories that unify different approaches in order to limit the risks of errors when moving from one formalism to another. It is in this context that monoids, semirings and Kleene algebras with domain were born about a decade ago. The idea is to define a domain operator on classical algebraic structures, in order to unify algebra and the classical logics of programs. The question of completeness for these algebras is still open. It constitutes the object of this thesis. We define tree structures called trees with a top and represented in matrix form. After having given fundamental properties of these trees, we define relations that make it possible to compare them. Then, we show that, modulo a certain equivalence relation, the set of trees with a top is provided with a monoid with domain structure. This result makes it possible to define a model for semirings with domain and prove its completeness. We also define a model for -continuous Kleene algebras with domain as well and prove its completeness modulo a new axiom.

À cause de la complexité croissante des systèmes informatiques, ces derniers sont aujourd’hui étudiés au moyen de multiples modèles et formalismes. Ainsi, il est nécessaire de développer des théories qui unifient différentes approches aafn de limiter les risques d’erreurs lorsqu’on passe d’un formalisme à l’autre. C’est dans cette optique que les monoïdes avec domaine, demi-anneaux avec domaine et algèbres de Kleene avec domaine ont vu le jour, il y a environ une décennie. L’idée est de définir un opérateur de domaine sur des structures algébriques classiques, afin d’unifier l’algèbre et la logique des programmes. La question concernant la complétude pour ces algèbres est encore ouverte. Elle constitue l’objet de ce mémoire. Nous définissons des structures arborescentes appelées arbres avec sommet et représentées sous forme matricielle. Après avoir donné des propriétés fondamentales de ces arbres, nous définissons des relations permettant de les comparer. Ensuite, nous démontrons que, modulo une certaine relation d’équivalence, l’ensemble des arbres avec sommet est muni d’une structure de monoïde avec domaine. Ce résultat permet de définir un modèle pour les demi-anneaux avec domaine et d’en prouver la complétude. Nous définissons également un modèle pour les algèbres de Kleene avec domaine -continues et prouvons la complétude de ce dernier modulo un nouvel axiome. / Due to their increasing complexity, today’s computer systems are studied using multiple models and formalisms. Thus, it is necessary to develop theories that unify different approaches in order to limit the risks of errors when moving from one formalism to another. It is in this context that monoids, semirings and Kleene algebras with domain were born about a decade ago. The idea is to define a domain operator on classical algebraic structures, in order to unify algebra and the classical logics of programs. The question of completeness for these algebras is still open. It constitutes the object of this thesis. We define tree structures called trees with a top and represented in matrix form. After having given fundamental properties of these trees, we define relations that make it possible to compare them. Then, we show that, modulo a certain equivalence relation, the set of trees with a top is provided with a monoid with domain structure. This result makes it possible to define a model for semirings with domain and prove its completeness. We also define a model for -continuous Kleene algebras with domain as well and prove its completeness modulo a new axiom.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / L’algèbre de Kleene est la théorie algébrique des automates finis et des expressions régulières. Récemment, Kozen a proposé un cadre de travail basé sur l’algèbre de Kleene avec tests (une variante de l’algèbre de Kleene) pour vérifier qu’un programme satisfait une politique de sécurité spécifiée par un automate de sécurité. Malheureusement, cette approche ne permet pas de vérifier des propriétés de vivacité pour les programmes réactifs (programmes qui s’exécutent à l’infini). Le but de ce mémoire est d’étendre la méthode de vérification de programmes proposée par Kozen pour enlever cette limitation. Pour y arriver, nous développons la théorie de l’oméga-algèbre (une extension de l’algèbre de Kleene qui prend en compte les exécutions infinies) qui constitue la majeure partie de ce mémoire. En particulier, nous présentons des résultats de complétude concernant la théorie de Horn de cette algèbre. / Kleene algebra is the algebraic theory of finite automata and regular expressions. Recently, Kozen has proposed a framework based on Kleene algebra with tests (a variant of Kleene algebra) for verifying that a program satisfies a security policy specified by a security automaton. Unfortunately, this approach does not allow to verify liveness properties for reactive programs (programs that execute forever). The goal of this thesis is to extend the framework proposed by Kozen for program verification to remove this limitation. For that, we develop the theory of omega algebra, an extension of Kleene algebra suitable for reasoning about nonterminating executions. The main part of this thesis is about omega algebra. In particular, we show some completeness results about the Horn theory of omega algebra.

Les algèbres de relations apparaissent naturellement dans de nombreux cadres, en informatique comme en mathématiques. Elles constituent en particulier un formalisme tout à fait adapté à la sémantique des programmes impératifs. Les algèbres de Kleene constituent un point de départ : ces algèbres jouissent de résultats de décidabilités très satisfaisants, et admettent une axiomatisation complète. L'objectif de cette thèse a été d'étendre les résultats connus sur les algèbres de Kleene à des extensions de celles-ci.Nous nous sommes tout d'abord intéressés à une extension connue : les algèbres de Kleene avec converse. La décidabilité de ces algèbres était déjà connue, mais l'algorithme prouvant ce résultat était trop compliqué pour être utilisé en pratique. Nous avons donné un algorithme plus simple, plus efficace, et dont la correction est plus facile à établir. Ceci nous a permis de placer ce problème dans la classe de complexité PSpace-complete.Nous avons ensuite étudié les allégories de Kleene. Sur cette extension, peu de résultats étaient connus. En suivant des résultats sur des algèbres proches, nous avons établi l'équivalence du problème d'égalité dans les allégories de Kleene à l'égalité de certains ensembles de graphes. Nous avons ensuite développé un modèle d'automate original (les automates de Petri), basé sur les réseaux de Petri, et avons établi l'équivalence de notre problème original avec le problème de comparaison de ces automates. Nous avons enfin développé un algorithme pour effectuer cette comparaison dans le cadre restreint des treillis de Kleene sans identité. Cet algorithme utilise un espace exponentiel. Néanmoins, nous avons pu établir que la comparaison d'automates de Petri dans ce cas est ExpSpace-complète. Enfin, nous nous sommes intéressés aux algèbres de Kleene Nominales. Nous avons réalisé que les descriptions existantes de ces algèbres n'étaient pas adaptées à la sémantique relationnelle des programmes. Nous les avons donc modifiées pour nos besoins, et ce faisant avons trouvé diverses variations naturelles de ce modèle. Nous avons donc étudié en détails et en Coq les ponts que l'on peut établir entre ces variantes, et entre le modèle “classique” et notre nouvelle version / Algebras of relations appear naturally in many contexts, in computer science as well as in mathematics. They constitute a framework well suited to the semantics of imperative programs. Kleene algebra are a starting point: these algebras enjoy very strong decidability properties, and a complete axiomatisation. The goal of this thesis was to export known results from Kleene algebra to some of its extensions. We first considered a known extension: Kleene algebras with converse. Decidability of these algebras was already known, but the algorithm witnessing this result was too complicated to be practical. We proposed a simpler algorithm, more efficient, and whose correctness is easier to establish. It allowed us to prove that this problem lies in the complexity class PSpace-complete.Then we studied Kleene allegories. Few results were known about this extension. Following results about closely related algebras, we established the equivalence between equality in Kleene allegories and equality of certain sets of graphs. We then developed an original automaton model (so-called Petri automata), based on Petri nets. We proved the equivalence between the original problem and comparing these automata. In the restricted setting of identity-free Kleene lattices, we also provided an algorithm performing this comparison. This algorithm uses exponential space. However, we proved that the problem of comparing Petri automata lies in the class ExpSpace-complete.Finally, we studied Nominal Kleene algebras. We realised that existing descriptions of these algebra were not suited to relational semantics of programming languages. We thus modified them accordingly, and doing so uncovered several natural variations of this model. We then studied formally the bridges one could build between these variations, and between the existing model and our new version of it. This study was conducted using the proof assistant Coq