We study the decidability and complexity of verification problems for infinite-state systems. A fundamental question in formal verification is if the behaviour of one process is reproducible by another. This inclusion problem can be studied for various models of computation and behavioural preorders. It is generally intractable or even undecidable already for very limited computational models. The aim of this work is to clarify the status of the decidability and complexity of some well-known inclusion problems for suitably restricted computational models. In particular, we address the problems of checking strong and weak simulation and trace inclusion for processes definable by one-counter automata (OCA), that consist of a finite control and a single counter ranging over the non-negative integers. We take special interest of the subclass of one-counter nets (OCNs), that cannot fully test the counter for zero and which is subsumed both by pushdown automata and Petri nets / vector addition systems. Our new results include the PSPACE-completeness of strong and weak simulation, and the undecidability of trace inclusion for OCNs. Moreover, we consider semantic preorders between OCA/OCN and finite systems and close some gaps regarding their complexity. Finally, we study deterministic processes, for which simulation and trace inclusion coincide.

This thesis concerns decision procedures for fragments of linear arithmetic and their application to model-checking one-counter automata. The first part of this thesis covers the complexity of decision problems for different types of linear arithmetic, namely the existential subset of the first-order linear theory over the p-adic numbers and the existential subset of Presburger arithmetic with divisibility, with all integer constants and coefficients represented in binary. The most important result of this part is a new upper complexity bound of <b>NEXPTIME</b> for existential Presburger arithmetic with divisibility. The best bound that was known previously was <b>2NEXPTIME</b>, which followed directly from the original proof of decidability of this theory by Lipshitz in 1976. Lipshitz also gave a proof of <b>NP</b>-hardness of the problem in 1981. Our result is the first improvement of the bound since this original description of a decision procedure. Another new result, which is both an important building block in establishing our new upper complexity bound for existential Presburger arithmetic with divisibility and an interesting result in its own right, is that the decision problem for the existential linear theory of the p-adic numbers is in the Counting Hierarchy <b>CH</b>, and thus within <b>PSPACE</b>. The precise complexity of this problem was stated as open by Weispfenning in 1988, who showed that it is in <b>EXPTIME</b> and <b>NP</b>-hard. The second part of this thesis covers two problems concerning one-counter automata. The first problem is an LTL synthesis problem on one-counter automata with integer-valued and parameterised updates and with equality tests. The decidability of this problem was stated as open by G&ouml;ller et al. in 2010. We give a reduction of this problem to the decision problem of a subset of Presburger arithmetic with divisibility with one quantifier alternation and a restriction on existentially quantified variables. A proof of decidability of this theory is currently under review. The final result of this thesis concerns a type of one-counter automata that differs from the previous one in that it allows parameters only on tests, not actions, and it includes both equality and disequality tests on counter values. The decidability of the basic reachability problem on such one-counter automata was stated as an open problem by Demri and Sangnier in 2010. We show that this problem is decidable by a reduction to the decision problem for Presburger arithmetic.

Tato práce představuje nové metody pro verifikaci programů pracujících s neomezenými celočíslenými proměnnými, konkrétně metody pro analýzu dosažitelnosti a~konečnosti. Většina těchto metod je založena na akceleračních technikách, které počítají tranzitivní uzávěry cyklů programu. V práci je nejprve představen algoritmus pro akceleraci několika tříd celočíselných relací. Tento algoritmus je až o čtyři řády rychlejší než existující techniky. Z teoretického hlediska práce dokazuje, že uvažované třídy relací jsou periodické a~poskytuje tudíž jednotné řešení prolému akcelerace. Práce dále představuje semi-algoritmus pro analýzu dosažitelnosti celočíselných programů, který sleduje relace mezi proměnnými programu a~aplikuje akcelerační techniky za účelem modulárního výpočtu souhrnů procedur. Dále je v práci navržen alternativní algoritmus pro analýzu dosažitelnosti, který integruje predikátovou abstrakci s accelerací s cílem zvýšit pravděpodobnost konvergence výpočtu. Provedené experimenty ukazují, že oba algoritmy lze úspěšně aplikovat k verifikaci programů, na kterých předchozí metody selhávaly. Práce se rovněž zabývá problémem konečnosti běhu programů a~dokazuje, že tento problém je rozhodnutelný pro několik tříd celočíselných relací. Pro některé z těchto tříd relací je v práci navržen algoritmus, který v polynomiálním čase vypočítá množinu všech konfigurací programu, z nichž existuje nekonečný běh. Tento algoritmus je integrován do metody, která analyzuje konečnost běhů celočíselných programů. Efektivnost této metody je demonstrována na několika netriviálních celočíselných programech.

Les travaux présentés dans cette thèse sont lies aux problèmes de vérification de l'atteignabilité et de la terminaison de programmes qui manipulent des données entières non-bornées. On décrit une nouvelle méthode de vérification basée sur une technique d'accélération de boucle, qui calcule, de manière exacte, la clôture transitive d'une relation arithmétique. D'abord, on introduit un algorithme d'accélération de boucle qui peut calculer, en quelques secondes, des clôtures transitives pour des relations de l'ordre d'une centaine de variables. Ensuite, on présente une méthode d'analyse de l'atteignabilité, qui manipule des relations entre les variables entières d'un programme, et applique l'accélération pour le calcul des relations entrée-sortie des procédures, de façon modulaire. Une approche alternative pour l'analyse de l'atteignabilité, présentée également dans cette thèse, intègre l'accélération avec l'abstraction par prédicats, afin de traiter le problème de divergence de cette dernière. Ces deux méthodes ont été évaluées de manière pratique, sur un nombre important d'exemples, qui étaient, jusqu'a présent, hors de la portée des outils d'analyse existants. Dernièrement, on a étudié le problème de la terminaison pour certaines classes de boucles de programme, et on a montré la décidabilité pour les relations étudiées. Pour ces classes de relations arithmétiques, on présente un algorithme qui s'exécute en temps au plus polynomial, et qui calcule l'ensemble d'états qui peuvent générer une exécution infinie. Ensuite on a intégré cet algorithme dans une méthode d'analyse de la terminaison pour des programmes qui manipulent des données entières. / This work presents novel methods for verification of reachability and termination properties of programs that manipulate unbounded integer data. Most of these methods are based on acceleration techniques which compute transitive closures of program loops. We first present an algorithm that accelerates several classes of integer relations and show that the new method performs up to four orders of magnitude better than the previous ones. On the theoretical side, our framework provides a common solution to the acceleration problem by proving that the considered classes of relations are periodic. Subsequently, we introduce a semi-algorithmic reachability analysis technique that tracks relations between variables of integer programs and applies the proposed acceleration algorithm to compute summaries of procedures in a modular way. Next, we present an alternative approach to reachability analysis that integrates predicate abstraction with our acceleration techniques to increase the likelihood of convergence of the algorithm. We evaluate these algorithms and show that they can handle a number of complex integer programs where previous approaches failed. Finally, we study the termination problem for several classes of program loops and show that it is decidable. Moreover, for some of these classes, we design a polynomial time algorithm that computes the exact set of program configurations from which non-terminating runs exist. We further integrate this algorithm into a semi-algorithmic method that analyzes termination of integer programs, and show that the resulting technique can verify termination properties of several non-trivial integer programs. / Tato pr´ace pˇredstavuje nov´e metody pro verifikaci program°u pracuj´ıc´ıch s neomezen´ymiceloˇc´ıslen´ymi promˇenn´ymi, konkr´etnˇe metody pro anal´yzu dosaˇzitelnosti a koneˇcnosti.Vˇetˇsina tˇechto metod je zaloˇzena na akceleraˇcn´ıch technik´ach, kter´e poˇc´ıtaj´ı tranzitivn´ıuz´avˇery cykl°u programu.V pr´aci je nejprve pˇredstaven algoritmus pro akceleraci nˇekolika tˇr´ıd celoˇc´ıseln´ychrelac´ı. Tento algoritmus je aˇz o ˇctyˇri ˇr´ady rychlejˇs´ı neˇz existuj´ıc´ı techniky. Z teoretick´ehohlediska pr´ace dokazuje, ˇze uvaˇzovan´e tˇr´ıdy relac´ı jsou periodick´e a poskytuje tud´ıˇzjednotn´e ˇreˇsen´ı prol´emu akcelerace.Pr´ace d´ale pˇredstavuje semi-algoritmus pro anal´yzu dosaˇzitelnosti celoˇc´ıseln´ych program°u, kter´y sleduje relace mezi promˇenn´ymi programu a aplikuje akceleraˇcn´ı technikyza ´uˇcelem modul´arn´ıho v´ypoˇctu souhrn°u procedur. D´ale je v pr´aci navrˇzen alternativn´ıalgoritmus pro anal´yzu dosaˇzitelnosti, kter´y integruje predik´atovou abstrakci s accelerac´ıs c´ılem zv´yˇsit pravdˇepodobnost konvergence v´ypoˇctu. Proveden´e experimenty ukazuj´ı, ˇzeoba algoritmy lze ´uspˇeˇsnˇe aplikovat k verifikaci program°u, na kter´ych pˇredchoz´ı metodyselh´avaly.Pr´ace se rovnˇeˇz zab´yv´a probl´emem koneˇcnosti bˇehu program°u a dokazuje, ˇze tentoprobl´em je rozhodnuteln´y pro nˇekolik tˇr´ıd celoˇc´ıseln´ych relac´ı. Pro nˇekter´e z tˇechto tˇr´ıdrelac´ı je v pr´aci navrˇzen algoritmus, kter´y v polynomi´aln´ım ˇcase vypoˇc´ıt´a mnoˇzinu vˇsechkonfigurac´ı programu, z nichˇz existuje nekoneˇcn´y bˇeh. Tento algoritmus je integrov´ando metody, kter´a analyzuje koneˇcnost bˇeh°u celoˇc´ıseln´ych program°u. Efektivnost t´etometody je demonstrov´ana na nˇekolika netrivi´aln´ıch celoˇc´ıseln´ych programech.