La simplification syntaxique, ou slicing, est une technique permettant d’extraire, à partir d’un programme et d’un critère consistant en une ou plusieurs instructions de ce programme, un programme plus simple, appelé slice, ayant le même comportement que le programme initial vis-à-vis de ce critère. Les méthodes d’analyse de code permettent d’établir les propriétés d’un programme. Ces méthodes sont souvent coûteuses, et leur complexité augmente rapidement avec la taille du code. Il serait donc souhaitable d’appliquer ces techniques sur des slices plutôt que sur le programme initial, mais cela nécessite de pouvoir justifier théoriquement l’interprétation des résultats obtenus sur les slices. Cette thèse apporte cette justification pour le cas de la recherche d’erreurs à l’exécution. Dans ce cadre, deux questions se posent. Si une erreur est détectée dans une slice, cela veut-il dire qu’elle se déclenchera aussi dans le programme initial ? Et inversement, si l’absence d’erreurs est prouvée dans une slice, cela veut-il dire que le programme initial en est lui aussi exempt ? Nous modélisons ce problème sur un mini-langage impératif représentatif, autorisant les erreurs et la non-terminaison, et montrons le lien entre la sémantique du programme initial et la sémantique de sa slice, ce qui nous permet de répondre aux deux questions précédentes. Pour généraliser ces résultats, nous nous intéressons à la première brique d’un slicer indépendant du langage : le calcul générique des dépendances de contrôle. Nous formalisons une théorie élégante de dépendances de contrôle sur des graphes orientés finis arbitraires prise dans la littérature et améliorons l’algorithme de calcul proposé.Pour garantir un maximum de confiance dans les résultats, tous ces travaux sont prouvés dans l’assistant de preuve Coq ou dans l’outil de preuve Why3. / Program slicing is a technique that extracts, given a program and a criterion that is one or several instructions in this program, a simpler program, called a slice, that has the same behavior as the initial program with respect to the criterion. Program analysis techniques focus on establishing the properties of a program. These techniques are costly, and their complexity increases with the size of the program. Therefore, it would be interesting to apply these techniques on slices rather than the initial program, but it requires theoretical foundations to interpret the results obtained on the slices. This thesis provides this justification for runtime error detection. In this context, two questions arise. If an error is detected in the slice, does this mean that it can also be triggered in the initial program? On the contrary, if the slice is proved to be error-free, does this mean that the initial program is error-free too? We model this problem using a small representative imperative language containing errors and non-termination, and establish the link between the semantics of the initial program and of its slice, which allows to give a precise answer to the two questions raised above. To apply these results in a more general context, we focus on the first step towards a language-independent slicer: an algorithm computing control dependence. We formalize an elegant theory of control dependence on arbitrary finite directed graphs taken from the literature and improve the proposed algorithm. To ensure a high confidence in the results, we prove them in the Coq proof assistant or in the Why3 proof plateform.

Dynamic analysis of binary files is an area of computer science that has many purposes. It is useful when it comes to debugging software in a development environment and the developer needs to know which statements affected the value of a specific variable. But it is also useful when analyzing a software for potential vulnerabilities, where data controlled by a malicious user could potentially result in the software executing adverse commands or executing malicious code. In this thesis a tool has been developed to perform dynamic analysis of x86 binaries in order to generate dynamic control-dependence graphs over the execution. These graphs can be used to determine which conditional statements that resulted in a certain outcome. The tool has been developed for x86 Linux systems using the dynamic binary instrumentation framework PIN, developed and maintained by Intel. Techniques for utilizing the additional information about the control flow for a program available during the dynamic analysis in order to improve the control flow information have been implemented and tested. The basic theory of dynamic analysis as well as dynamic slicing is discussed, and a basic overview of the implementation of a dynamic analysis tool is presented. The impact on the performance of the dynamic analysis tool for the techniques used to improve the control flow graph is significant, but approaches to improving the performance are discussed.

[ES] Producir software eficiente y efectivo es una tarea que parece ser tan difícil ahora como lo era para los primeros ordenadores. Con cada mejora de hardware y herramientas de desarrollo (como son compiladores y analizadores), la demanda de producir software más rápido y más complejo ha ido aumentando. Por tanto, todos estos análisis auxiliares ahora son una parte integral del desarrollo de programas complejos. La fragmentación de programas es una técnica de análisis estático, que da respuesta a ¿Qué partes del programa pueden afectar a esta instrucción? Su aplicación principal es la depuración de programas, porque puede acotar la zona de código a la que el programador debe prestar atención mientras busca la causa de un error. También tiene otras muchas aplicaciones, como pueden ser la paralelización y especialización de programas, la comprensión de programas y el mantenimiento. En los últimos años, su uso más común ha sido como preproceso a otros análisis con alto coste computacional, para reducir el tamaño del programa a procesar, y, por tanto, el tiempo de ejecución de estos. La estructura de datos más popular para fragmentar programas es el system dependence graph (SDG), un grafo dirigido que representa las instrucciones de un programa como vértices, y sus dependencias como arcos. Los dos tipos principales de dependencias son las de control y las de datos, que encapsulan el flujo de control y datos en todas las ejecuciones posibles de un programa. El área de lenguajes de programación está en eterno cambio, ya sea por la aparición de nuevos lenguajes o por el lanzamiento de nuevas características en lenguajes existentes, como pueden ser Java o Erlang. Sin embargo, la fragmentación de programas se definió originalmente para el paradigma imperativo. Aun así, hay características populares en lenguajes imperativos, como las arrays y las excepciones, que aún no tienen una representación eficiente y/o completa en el SDG. Otros paradigmas, como el funcional o el orientado a objetos, sufren también de un soporte parcial en el SDG. Esta tesis presenta mejoras para construcciones comunes en la programación moderna, dividiendo contribuciones en las enfocadas a dependencias de control y las enfocadas a datos. Para las primeras, especificamos una nueva representación de instrucciones catch, junto a una descripción completa del resto de instrucciones relacionadas con excepciones. También analizamos las técnicas punteras para saltos incondicionales (p.e., break), y mostramos los riesgos de combinarlas con otras técnicas para objetos, llamadas o excepciones. A continuación, ponemos nuestra mirada en la concurrencia, con una formalización de un depurador de especificaciones CSP reversible y causal-consistente. En cuanto a las dependencias de datos, se enfocan en técnicas sensibles al contexto (es decir, más precisas en presencia de rutinas y sus llamadas). Exploramos las dependencias de datos generadas en programas concurrentes por memoria compartida, redefiniendo las dependencias de interferencia para hacerlas sensibles al contexto. A continuación, damos un pequeño rodeo por el campo de la indecidibilidad, en el que demostramos que ciertos tipos de análisis de datos sobre programas con estructuras de datos complejas son indecidibles. Finalmente, ampliamos un trabajo previo sobre la fragmentación de estructuras de datos complejas, combinándolo con la fragmentación tabular, que la hace sensible al contexto. Además, se han desarrollado o extendido múltiples librerías de código con las mejoras mencionadas anteriormente. Estas librerías nos han permitido realizar evaluaciones empíricas para algunos de los capítulos, y también han sido publicadas bajo licencias libres, que permiten a otros desarrolladores e investigadores extenderlas y contrastarlas con sus propuestas, respectivamente. Las herramientas resultantes son dos fragmentadores de código para Java y Erlang, y un depurador de CSP reversible y causal-consistente. / [CA] La producció de programari eficient i eficaç és una tasca que resulta tan difícil hui dia com ho va ser durant l'adveniment dels ordinadors. Per cada millora de maquinari i ferramentes per al desenvolupament, augmenta sovint la demanda de programes, així com la seua complexitat. Com a conseqüència, totes aquestes anàlisis auxiliars esdevenen una part integral del desenvolupament de programari. La fragmentació de programes és una tècnica d'anàlisi estàtica, que respon a "Quines parts d'aquest programa poden afectar a aquesta instrucció?". L'aplicació principal d'aquesta tècnica és la depuració de programes, per la seua capacitat de reduir la llargària d'un programa sense canviar el seu funcionament respecte a una instrucció que està fallant, delimitant així l'àrea del codi en què el programador busca l'origen de l'errada. Tot i això, té moltes altres aplicacions, com la paral·lelització i especialització de programes o la comprensió de programes i el seu manteniment. Durant els darrers anys, l'ús més freqüent de la fragmentació de programes ha sigut com a <<preprocés>> abans d'altres anàlisis amb un alt cost computacional, per tal de reduir-ne el temps requerit per realitzar-les. L'estructura de dades més popular per fragmentar programes és el system dependence graph (SDG), un graf dirigit representant-ne les instruccions d'un programa amb vèrtexs i les seues dependències amb arcs. Els dos tipus principals de dependència són el de control i el de dades, aquests encapsulen el flux de control i dades a totes les possibles execucions d'un programa. L'àrea dels llenguatges de programació s'hi troba en constant evolució, o bé per l'aparició de nous llenguatges, o bé per noves característiques per als preexistents, com poden ser Java o Erlang. No obstant això, la fragmentació de programes s'hi va definir originalment per al paradigma imperatiu. Tot i que, també hi trobem característiques populars als llenguatges imperatius, com els arrays i les excepcions, que encara no en tenen una representació eficient i/o completa al SDG. Altres paradigmes, com el funcional o l'orientat a objectes, pateixen també d'un suport reduit al SDG. Aquesta tesi presenta millores per a construccions comunes de la programació moderna, dividint les contribucions entre aquelles enfocades a les dependències de control i aquelles enfocades a dades. Per a les primeres, hi especifiquem una nova representació d'instruccions catch, junt amb una descripció de la resta d'instruccions relacionades amb excepcions. També hi analitzem les tècniques capdavanteres de fragmentació de salts incondicionals, i hi mostrem els riscs de combinar-ne-les amb altres tècniques per a objectes, instruccions de crida i excepcions. A continuació, hi posem la nostra atenció en la concurrència, amb una formalització d'un depurador d'especificacions CSP reversible i causal-consistent. Respecte a les dependències de dades, dirigim els nostres esforços a produir tècniques sensibles al context (és a dir, que es mantinguen precises en presència de procediments). Hi explorem les dependències de dades generades en programes concurrents amb memòria compartida, redefinint-ne les dependències d'interferència per a fer-ne-les sensibles al context. Seguidament, hi demostrem la indecidibilitat d'alguns tipus d'anàlisis de dades per a programes amb estructures de dades complexes. Finalment, hi ampliem un treball previ sobre la fragmentació d'estructures de dades complexes, combinant-lo amb la fragmentació tabular, fent-hi-la sensible al context. A més a més, s'han desenvolupat o estés diverses llibreries de codi amb les millores esmentades prèviament. Aquestes llibreries ens han permés avaluar empíricament alguns dels capítols i també han sigut publicades sota llicències lliures, fet que permet a altres desenvolupadors i investigadors poder estendre-les i contrastar-les, respectivament. Les ferramentes resultants són dos fragmentadors de codi per a Java i Erlang, i un depurador CSP. / [EN] Producing efficient and effective software is a task that has remained difficult since the advent of computers. With every improvement on hardware and developer tooling (e.g., compilers and checkers), the demand for software has increased even further. This means that auxiliary analyses have become integral in developing complex software systems. Program slicing is a static analysis technique that gives answers to "What parts of the program can affect a given statement?", and similar questions. Its main application is debugging, as it can reduce the amount of code on which a programmer must look for a mistake or bug. Other applications include program parallelization and specialisation, program comprehension, and software maintenance. Lately, it has mostly been applied as a pre-processing step in other expensive static analyses, to lower the size of the program and thus the analyses' runtime. The most popular data structure in program slicing is the system dependence graph (SDG), which represents statements as nodes and dependences as arcs between them. The two main types of dependences are control and data dependences, which encapsulate the control and data flow throughout every possible execution of a program. Programming languages are an ever-expanding subject, with new features coming to new releases of popular and up-and-coming languages like Python, Java, Erlang, Rust, and Go. However, program slicing was originally defined for (and has been mostly focused on) imperative programming languages. Even then, some popular elements of the imperative paradigm, such as arrays and exceptions do not have an efficient or sometimes complete representation in the SDG. Other paradigms, such as functional or object-oriented also suffer from partial support in the SDG. This thesis presents improvements for common programming constructs, and its contributions are split into control and data dependence. For the former, we (i) specify a new representation of catch statements, along with a full description of other exception-handling constructs. We also (ii) analyse the current state-of-the-art technique for unconditional jumps (e.g., break or return), and show the risks of combining it with other popular techniques. Then, we focus on concurrency, with a (iii) formalisation of a reversible, causal-consistent debugger for CSP specifications. Switching to data dependences, we focus our contributions on making existing techniques context-sensitive (i.e., more accurate in the presence of routines or functions). We explore the data dependences involved in shared-memory concurrent programs, (iv) redefining interference dependence to make it context-sensitive. Afterwards, we take a small detour to (v) explore the decidability of various data analyses on programs with (and without) complex data structures and routine calls. Finally, we (vi) extend our previous work on slicing complex data structures to combine it with tabular slicing, which provides context-sensitivity. Additionally, throughout this thesis, multiple supporting software libraries have been written or extended with the aforementioned improvements to program slicing. These have been used to provide empirical evaluations, and are available under libre software licenses, such that other researchers and software developers may extend or contrast them against their own proposals. The resulting tools are two program slicers for Java and Erlang, and a causal-consistent reversible debugger for CSP. / Galindo Jiménez, CS. (2024). Program Slicing for Modern Programming Languages [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/211183