Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la vérification dulogiciel. Le but de la vérification du logiciel est d'assurer qu'uneimplémentation, un programme, répond aux exigences, satisfait saspécification. Cela est particulièrement important pour le logicielcritique, tel que des systèmes de contrôle d'avions, trains oucentrales électriques, où un mauvais fonctionnement pendantl'opération aurait des conséquences catastrophiques.Les exigences du logiciel peuvent concerner la sûreté ou lefonctionnement. Les exigences de sûreté, tel que l'absence d'accès à lamémoire en dehors des bornes valides, sont souvent implicites, dans lesens que toute implémentation est censée être sûre. D'autre part, les exigences fonctionnelles spécifient ce que leprogramme est censé faire. La spécification d'un programme est souventexprimée informellement en décrivant en anglais la mission d'une partie du code source. La vérification duprogramme se fait alors habituellement par relecture manuelle,simulation et tests approfondis. Par contre, ces méthodes negarantissent pas que tous les possibles cas d'exécution sontcapturés. La preuve déductive de programme est une méthode complète pour assurerla correction du programme. Ici, un programme, ainsi que saspécification formalisée à l'aide d'un langage logique, est un objetmathématique et ses propriétés désirées sont des théorèmes logiques àprouver formellement. De cette façon, si le système logiquesous-jacent est cohérent, on peut être complètement sûr que lapropriété prouvée est valide pour le programme en question et pourn'importe quel cas d'exécution. La génération de conditions de vérification est une techniquecensée aider le programmeur à prouver les propriétés qu'il veut surson programme. Ici, un outil (VCG) analyse un programme donné avec saspécification et produit une formule mathématique, dont la validitéimplique la correction du programme vis à vis de saspécification, ce qui est particulièrement intéressant lorsque lesformules générées peuvent être prouvées automatiquement à l'aide desolveurs SMT. Cette approche, basée sur des travaux de Hoare et Dijkstra,est bien comprise et prouvée correcte en théorie. Des outils devérification déductive ont aujourd'hui acquis une maturité qui leurpermet d'être appliqués dans un contexte industriel où un hautniveau d'assurance est requis. Mais leurs implémentations doiventgérer toute sorte de fonctionnalités des langages et peuvent donc devenir très complexes et contenir des erreurs ellesmêmes - au pire des cas affirmer qu'un programme est correct alorsqu'il ne l'est pas. Il se pose donc la question du niveau de confianceaccordée à ces outils.Le but de cette thèse est de répondre à cette question. Ondéveloppe et certifie, dans le système Coq, un VCGpour des programmes C annotés avec ACSL, le langage logique pour laspécification de programmes ANSI/ISO C.Notre première contribution est la formalisation d'un VCGexécutable pour le langage intermédiaire Whycert, un langageimpératif avec boucles, exceptions et fonctions récursives, ainsi quesa preuve de correction par rapport à la sémantique opérationnelle bloquante à grand pas du langage. Une deuxièmecontribution est la formalisation du langage logique ACSL et lasémantique des annotations ACSL dans Clight de Compcert. De lacompilation de programmes C annotés vers des programmes Whycert et sapreuve de préservation de la sémantique combiné avec uneaxiomatisation en Whycert du modèle mémoire Compcert résulte notrecontribution principale: une chaîne intégrée certifiée pour lavérification de programmes C, basée sur Compcert. En combinant notrerésultat de correction avec celui de Compcert, on obtient un théorèmeen Coq qui met en relation la validité des l'obligations de preuvegénérées avec la sûreté du code assembleur compilé. / This thesis belongs to the domain of software verification. The goalof verifying software is to ensure that an implementation, a program,satisfies the requirements, the specification. This is especiallyimportant for critical computer programs, such as control systems forair planes, trains and power plants. Here a malfunctioning occurringduring operation would have catastrophic consequences. Software requirements can concern safety or functioning. Safetyrequirements, such as not accessing memory locations outside validbounds, are often implicit, in the sense that any implementation isexpected to be safe. On the other hand, functional requirementsspecify what the program is supposed to do. The specification of aprogram is often expressed informally by describing in English or someother natural language the mission of a part of the program code.Usually program verification is then done by manual code review,simulation and extensive testing. But this does not guarantee that allpossible execution cases are captured. Deductive program proving is a complete way to ensure soundness of theprogram. Here a program along with its specificationis a mathematical object and its desired properties are logicaltheorems to be formally proved. This way, if the underlying logicsystem is consistent, we can be absolutely sure that the provenproperty holds for the program in any case.Generation of verification conditions is a technique helpingthe programmer to prove the properties he wants about his programs.Here a VCG tool analyses a program and its formal specification andproduces a mathematical formula, whose validity implies the soundnessof the program with respect to its specification. This is particularlyinteresting when the generated formulas can be proved automatically byexternal SMT solvers.This approach is based on works of Hoare and Dijkstra and iswell-understood and shown correct in theory. Deductive verificationtools have nowadays reached a maturity allowing them to be used inindustrial context where a very high level of assurance isrequired. But implementations of this approach must deal with allkinds of language features and can therefore become quite complex andcontain errors -- in the worst case stating that a program correcteven if it is not. This raises the question of the level ofconfidence granted to these tools themselves. The aim of this thesis is to address this question. We develop, inthe Coq system, a certified verification-condition generator (VCG) forACSL-annotated C programs.Our first contribution is the formalisation of an executableVCG for the Whycert intermediate language,an imperative language with loops, exceptions and recursive functionsand its soundness proof with respect to the blocking big-step operational semantics of the language.A second contribution is the formalisation of the ACSL logicallanguage and the semantics of ACSL annotations of Compcert's Clight.From the compilation of ACSL annotated Clight programs to Whycertprograms and its semantics preservation proof combined with a Whycertaxiomatisation of the Compcert memory model results our maincontribution: an integrated certified tool chainfor verification of C~programs on top of Compcert. By combining oursoundness result with the soundness of the Compcert compiler we obtaina Coq theorem relating the validity of the generated proof obligationswith the safety of the compiled assembly code.

CertiCrypt est une bibliothèque qui permet de vérifier la sécurité exacte de primitives cryptographiques dans l'assistant à la preuve Coq. CertiCrypt instrumente l'approche des preuves par jeux, et repose sur de nombreux domaines comme les probabilités, la complexité, l'algèbre, la sémantique des langages de programmation, et les optimisations de programmes. Dans cette thèse, nous présentons deux exemples d'utilisation d'EasyCrypt: le schéma d'encryption Hashed ElGamal, et les protocoles à connaissance nulle. Ces exemples, ainsi que les travaux antérieurs sur CertiCrypt, démontrent qu'il est possible de formaliser des preuves complexes; toutefois, l'utilisation de CertiCrypt demande une bonne expertise en Coq, et demeure laborieuse. Afin de faciliter l'adoption des preuves formelles par la communauté cryptographique, nous avons développé EasyCrypt, un outil semi-automatique capable de reconstruire des preuves formelles de sécurité à partir d'une ébauche formelle de preuve. EasyCrypt utilise des outils de preuves automatiques pour vérifier les ébauches de preuves, puis les compiles vers des preuves vérifiables avec CertiCrypt. Nous validons EasyCrypt en prouvant à nouveau Hashed ElGamal, et comparons cette nouvelle preuve avec celle en CertiCrypt. Nous prouvons également le schéma d'encryption Cramer-Shoup. Enfin, nous expliquerons comment étendre le langage de CertiCrypt à des classes de complexité implicite, permettant de modéliser la notion de fonctions en temps polynomial.

Cette thèse présente un algorithme qui élimine les racines carrées et les divisions dans des programmes sans boucles, utilisés dans des systèmes embarqués, tout en préservant la sémantique. L'élimination de ces opérations permet d'éviter les erreurs d'arrondis à l'exécution, ces erreurs d'arrondis pouvant entraîner un comportement complètement inattendu de la part du programme. Cette trans- formation respecte les contraintes du code embarqué, en particulier la nécessité pour le programme produit de s'exécuter en mémoire fixe. Cette transformation utilise deux algorithmes fondamentaux développés dans cette thèse. Le premier permet d'éliminer les racines carrées et les divisions des expressions booléennes contenant des comparaisons d'expressions arithmétiques. Le second est un algorithme qui résout un problème d'anti-unification particulier, que nous appelons anti-unification contrainte. Cette transformation de programme est définie et prouvée dans l'assistant de preuves PVS. Elle est aussi implantée comme une stratégie de ce système. L'anti-unification contrainte est aussi utilisée pour étendre la transformation à des programmes contenant des fonctions. Elle permet ainsi d'éliminer les racines carrées et les divisions de spécifications écrites en PVS. La robustesse de cette méthode est mise en valeur par un exemple conséquent: l'élimination des racines carrées et des divisions dans un programme de détection des conflits aériens.

La mémoire transactionnelle est un mécanisme de plus en plus populaire pour la programmation parallèle et concurrente. Dans la plupart des implantations, l’emboîtement de transactions n’est pas possible ce qui pénalise la modularité. Plutôt que les transactions, qui sont un choix possible d’implantation, nous considérons directement la notion de section atomique. Dans un objectif d’améliorer la modularité et l’expressivité, nous considérons un langage impératif simple étendu avec des instructions de parallélisme avec lancement et attente de processus légers et une instruction de section atomique à portée syntaxique, depuis laquelle des processus légers peuvent s’échapper. Dans ce contexte notre première contribution est la définition précise de l’atomicité et de la bonne synchronisation. Nous prouvons que pour des traces bien formées, la dernière implique la forme forte de la première. Ceci est fait sur des traces d’exécution abstraites dans le sens où nous ne définissons par précisément la syntaxe et la sémantique opérationnelle d’un langage de programmation. Cette première partie de notre travail peut être considérée comme une spécification pour un tel langage. Nous avons utilisé l’assistant de preuve Coq pour modéliser et prouver nos résultats. Notre deuxième contribution est la définition formelle du langage Atomic Fork Join (AFJ). Nous montrons que les traces de sa sémantique opérationnelle vérifient effectivement les conditions de bonne formation définies précédemment. La troisième contribution est la compilation de programmes AFJ en programmes Lock Unlock Fork Join (LUFJ) un langage avec processus léger et verrous mais sans sections atomiques. Nous étudions la correction de la compilation de AFJ vers LUFJ. / Transactions are becoming a popular mechanism for parallel and concurrent programming. In most implementations the nesting of transactions is not supported which hinders modularity. Rather than transactions, which are an implementation choice, we consider directly the notion of atomic section. For the sake of modularity with we consider a simple imperative language with fork/join parallelism and lexically scoped nested atomic sections from which threads can escape. In this context, our first contribution is the precise definition of atomicity, well-synchronisation and the proof that the latter implies the strong form of the former. This is done on execution traces without being specific to a language syntax and operational semantics. This first part of our work could be considered as a specification for the design and implementation of such a parallel language. A formalisation of our results in the Coq proof assistant is also available. Our second contribution is a formal definition of the Atomic Fork Join (AFJ) language and its operational semantics. We show that it indeed satisfies the conditions previously defined. The third contribution of our work is a compilation procedure of AFJ programs to programs another language with threads and locks but without atomic sections, named Lock Unlock Fork Join (LUFJ). We study the correctness of the compilation from AFJ to LUFJ.

Concevoir et implanter des programmes parallèles est une tâche complexe, sujette aux erreurs. La vérification des programmes parallèles est également plus difficile que celle des programmes séquentiels. Pour permettre le développement et la preuve de correction de programmes parallèles, nous proposons de combiner le langage parallèle fonctionnel quasi-synchrone BSML, les squelettes algorithmiques - qui sont des fonctions d'ordre supérieur sur des structures de données réparties offrant une abstraction du parallélisme - et l'assistant de preuve Coq, dont le langage de spécification est suffisamment riche pour écrire des programmes fonctionnels purs et leurs propriétés. Nous proposons un plongement des primitives BSML dans la logique de Coq sous une forme modulaire adaptée à l'extraction de programmes. Ainsi, nous pouvons écrire dans Coq des programmes BSML, raisonner dessus, puis les extraire et les exécuter en parallèle. Pour faciliter le raisonnement sur ceux-ci, nous formalisons le lien entre programmes parallèles, manipulant des structures de données distribuées, et les spécifications, manipulant des structures séquentielles. Nous prouvons ainsi la correction d'une implantation du squelette algorithmique BH, un squelette adapté au traitement de listes réparties dans le modèle de parallélisme quasi synchrone. Pour un ensemble d'applications partant d'une spécification d'un problème sous forme d'un programme séquentiel simple, nous dérivons une instance de nos squelettes, puis nous extrayons un programme BSML avant de l'exécuter sur des machines parallèles.