Dans cette thèse nous étudions l'isolation mémoire et les mesures de communications efficaces par passage de message dans le contexte des environnements à mémoire partagée et la programmation orientée-objets. L'état de l'art en la matière se base presque exclusivement sur deux techniques complémentaires dites de propriété des objets (ownership) et d'unicité de références (reference uniqueness) afin d'adresser les problèmes de sécurité dans les programmes concurrents. Il est frappant de constater que la grande majorité des travaux existants emploient des méthodes de vérification statique des programmes, qui requirent soit un effort d'annotations soit l'introduction de fortes contraintes sur la forme et les références vers messages échangés. Notre contribution avec SIAAM est la démonstration d'une solution d'isolation réalisée uniquement à l'exécution et basée sur le modèle de programmation par acteurs. Cette solution purement dynamique ne nécessite ni annotations ni vérification statique des programmes. SIAAM permet la communication sans copie de messages de forme arbitraire. Nous présentons la sémantique formelle de SIAAM ainsi qu'une preuve d'isolation vérifiée avec l'assistant COQ. L'implantation du modèle de programmation pour le langage Java est réalisé dans la machine virtuelle JikesRVM. Enfin nous décrivons un ensemble d'analyses statiques qui réduit automatiquement le cout à l'exécution de notre approche.

Les langages synchrones tels que SIGNAL, LUSTRE et ESTEREL sont dédiés à la conception de systèmes critiques. Leurs compilateurs, qui sont de très gros programmes complexes, peuvent a priori se révéler incorrects dans certains situations, ce qui donnerait lieu alors à des résultats de compilation erronés non détectés. Ces codes fautifs peuvent invalider des propriétés de sûreté qui ont été prouvées en appliquant des méthodes formelles sur les programmes sources. En adoptant une approche de validation de la traduction, cette thèse vise à prouver formellement la correction d'un compilateur optimisé et industriel de SIGNAL. La preuve de correction représente dans un cadre sémantique commun le programme source et le code compilé, et formalise une relation entre eux pour exprimer la préservation des sémantiques du programme source dans le code compilé.

Ce mémoire d'habilitation résume la majeure partie de mes recherches, depuis la fin de mon doctorat, fin 2004, jusqu'à aujourd'hui. Le but essentiel de mes recherches est le développement de méthodes fondées sur des bases mathématiques et performantes en pratique pour s'assurer de la correction des logiciels. J'utilise des approximations pour permettre une bonne performance, tandis que la validité des résultats est garantie par l'emploi exclusif de sur-approximations des ensembles des comportements des programmes. Ma recherche est basée sur l'interprétation abstraite, une théorie très puissante des approximations de sémantiques permettant aisément de les développer, les comparer, les combiner. Je m'emploie en particulier au développement de nouveaux composants réutilisables d'abstraction, les domaines abstraits, qui sont directement implantables en machine, ainsi qu'à leur utilisation au sein d'analyseurs statiques, qui sont des outils de vérification automatique de programmes. Mes premières recherches concernaient l'inférence de propriétés numériques de programmes séquentiels, tandis que mes recherches actuelles se tournent vers l'analyse de programmes concurrents, d'où le titre de ce mémoire. Les deux premiers chapitres de ce mémoire constituent une introduction, tandis que les suivants présentent mon travail d'habilitation proprement dit. Le premier chapitre est une introduction informelle à la problématique de l'analyse de programmes, aux méthodes existantes, leurs forces et leurs faiblesses. Le deuxième chapitre présente de manière formelle les outils dont nous aurons besoin par la suite : les bases de l'interprétation abstraite, quelques domaines abstraits existants et la construction d'analyses statiques par interprétation abstraite, ainsi que quelques résultats utiles que j'ai obtenu en doctorat. Le troisième chapitre est consacré aux aspects spécifiques de l'analyse de programmes concurrents. Cette recherche, très personnelle, a abouti à la construction d'une méthode d'analyse de programmes concurrents, paramétrée par le choix de domaines abstraits, et basée sur une notion d'interférence abstrayant les interactions entre threads. Ainsi, l'analyse construite est modulaire pour les threads. Cette méthode est reliée aux preuves rely-guarantee proposées par Jones, ce que nous montrons formellement dans une première partie. Nous construisons ensuite une analyse à grands pas basée sur les interférences, efficace et facile à implanter. Les deux dernière parties étudient les liens entre l'analyse et les modèles mémoires faiblement cohérents (désormais incontournables) ainsi que le raffinement de l'analyse pour tenir compte des propriétés spécifiques des ordonnanceurs temps-réels (nous étudions en particulier l'effet des priorités des threads et l'emploi d'objets de synchronisation). Le quatrième et le cinquième chapitres sont consacrés à la constructions de domaines abstraits. Ceux-ci ne sont pas spécifiquement liés au problème de la concurrence ; ils sont utiles à l'analyse de tous programmes, séquentiels comme concurrents. Le chapitre 4 étudie des domaines numériques inférant des égalités et inégalités affines, développés en collaboration avec Liqian Chen, alors doctorant en visite à l'ENS. La motivation première était l'emploi de nombres à virgule flottante afin d'améliorer l'efficacité du domaine des polyèdres, mais ces travaux ont également débouché sur la découverte de nouveaux domaines, basés sur les relations affines à coefficients intervalles, que nous présentons également. Le chapitre 5 étudie les abstractions de types de données réalistes, comme ceux rencontrés dans le langage C : les entiers machines, les nombres à virgule flottante, et les blocs structurés (tableaux, structures, unions). Nos abstractions modélisent finement les détails de l'encodage en mémoire des données afin de permettre l'analyse de programmes qui en dépendent (par exemple, ceux utilisant le type-punning). Ces abstractions sont motivées par nos expériences d'analyses, avec les outils Astrée et AstréeA, de programmes C industriels ; ceux-ci employant fréquemment ce type de constructions de bas niveau. Le sixième chapitre est consacré aux applications des méthodes présentées ci-dessus à la construction d'outils d'analyse statique. Il décrit en particulier mon travail sur l'outil Astrée que j'ai co-développé avec l'équipe Abstraction pendant et après mon doctorat, et qui a été industrialisé en 2009. Mes résultats théoriques et appliqués ont contribué au succès d'Astrée, tandis que celui-ci m'a fourni de nouveaux thèmes de recherches, sous la forme de problèmes concrets dont la résolution n'a pu se faire que grâce à des développements théoriques. Ce chapitre décrit également AstréeA, une extension d'Astrée utilisant l'abstraction d'interférences proposée plus haut pour l'analyse de programmes concurrents (Astrée étant limité aux programmes séquentiels). Il décrit également Apron, une bibliothèque de domaines abstraits numériques que j'ai co-développée. Il s'agit d'un outil plus académique, dont le but est d'encourager la recherche sur les domaines numériques abstraits. Le mémoire se conclue par quelques perspectives sur des recherches futures.

Dans ce mémoire, nous proposons une solution possible à la question suivante : comment formaliser des environnements associés à un processus (quelconque) et comment utiliser les informations qu'ils contiennent pour produire des actions pertinentes ? Cette question nous a amené à introduire la notion de contexte ainsi qu'une représentation réutilisable des connaissances pour le formaliser. Nous nous sommes donc intéressés aux notions d'ontologies, de contextes et d'actions. Pour la représentation et le raisonnement sur les contextes et les actions, nous proposons une solution appelée DTF. Celle-ci étend une théorie constructive des types existante permettant ainsi de disposer d'une grande expressivité, de la décidabilité de la véri cation de types et d'un mécanisme de sous-typage e cace. Nous montrons comment modéliser les contextes et les actions sous la forme de types dépendants à partir des données fournies sur un problème et des actions à entreprendre pour le résoudre. En n, pour tester la faisabilité et pouvoir juger de la complexité d'une telle solution, un "démonstrateur de contexte " est réalisé avec un langage fonctionnel. Puis, une application test appelée " le monde du Wumpus " où un agent logiciel se déplace dans un environnement inconnu, est alors implantée en LISP.

Ce document présente l'étude de plusieurs modèles de machines à états finis qui étendent tous le même formalisme: les automates d'arbres classiques, et leur application dans différentes tâches telles que l'analyse statique de programmes ou de systèmes, la typage, la vérification de la cohérence de spécifications, le model checking... Les arbres sont une structure naturelle de données, très répandue en informatique, par exemple pour la représentation des structures de données hiérarchiques ou imbriquées, pour des algorithmes spécifiques (arbres binaires de recherche, algorithmes distribués), comme modèle abstrait pour des données semi-structurées utilisées pour l'échange d'information dans le Web, pour une présentation algébrique de processus récursifs, comme les termes en logique... Lorsqu'il s'agit de raisonner sur des systèmes manipulant des arbres, ou modelisés par des arbres, il est crucial d'avoir une représentation finie d'ensembles infinis d'arbres. Les automates d'arbres sont des machines à états finis permettant une telle représentation. Ils ont fait la preuve de leur adéquation à des tâches de raisonnement: ils ont un modèle théorique bien établi, en étroite relation avec la logique, ils bénéficient de bonnes propriétés de composition et d'algorithmes de décision efficaces. En particulier, les automates d'arbres sont utilisées au coeur de systèmes de vérification formelle d'outils de déduction automatique. Toutefois, les automates d'arbres ont des limitations sévères en expressivité. Par exemple, ils sont incapables de faire du filtrage non-linéaire ou d'exprimer des contraintes d'intégrité tels que les clés dans les bases de données. Certaines extensions ont été proposées afin d'améliorer le modèle en essayant de conserver de bonnes propriétés. Nous présentons dans ce document de plusieurs de telles extensions, leurs propriétés et leur utilisation en vérification symbolique de systèmes et de programmes.

Ce travail présente des contributions théoriques et appliquées dans le contexte des systèmes dynamiques discrets vus comme modèles des réseaux de régulation biologique. En mettant en avant le fait qu'accroître les connaissances du vivant nécessite aujourd'hui de mieux comprendre les propriétés mathématiques qui le régissent, il développe diverses réflexions menées en bio-informatique théorique en se fondant sur le formalisme des réseaux d'automates, notamment booléens. Les trois principaux thèmes abordés sur ces réseaux sont la robustesse environnementale, la combinatoire comportementale et la robustesse structurelle. La robustesse environnementale est notamment évoquée à travers une étude de la manière dont les réseaux d'automates réagissent face à l'influence de conditions de bord fixées (on y retrouve une généralisation au cas non-linéaire d'un résultat connu dans le domaine des automates cellulaires). La combinatoire comportementale est quant à elle abordée par les cycles d'interaction dont on connaît l'importance sur la dynamique des réseaux. Pour ces motifs particuliers et leurs intersections sont présentées des caractérisations combinatoires de leur comportement asymptotique en parallèle, qui font ensuite l'objet de comparaisons. Enfin, le thème de la robustesse structurelle est traité au travers du concept de graphe de transition général, qui a mené à mettre en évidence tous les comportements possibles des cycles d'interaction, à donner une classification de la robustesse des réseaux vis-à-vis de leur asynchronisme/synchronisme, de laquelle se sont imposées des études plus précises sur le rôle de la non-monotonie dans ces réseaux.

Le stockage et la gestion de données sont des questions centrales en infor- matique. La structuration sous forme d'arbres est devenue la norme (XML, JSON). Pour en assurer la pérennité et l'échange efficace des données, il est nécessaire d'identifier de nouveaux mécanismes de transformations automati- sables. Nous nous concentrons sur l'étude de transformations d'arbres en mots représentées par des machines à états finies. Nous définissons les transducteurs séquentiels d'arbres en mots ne pouvant utiliser qu'une et unique fois chaque nœud de l'arbre d'entrée pour décider de la production. En réduisant le problème d'équivalence des transducteurs séquentiels à celui des morphismes appliqués à des grammaires algébriques (Plandowski, 95), nous prouvons qu'il est décidable en temps polynomial. Cette thèse introduit la notion de transducteur travailleur, forme norma- lisée de transducteurs séquentiels, cherchant à produire la sortie le "plus tôt possible" dans la transduction. A l'aide d'un algorithme de normalisation et de minimisation, nous prouvons qu'il existe un représentant canonique, unique transducteur travailleur minimal, pour chaque transduction de notre classe. La décision de l'existence d'un transducteur séquentiel représentant un échantillon, i.e. paires d'entrées et sorties d'une transformation, est prouvée NP-difficile. Nous proposons un algorithme d'apprentissage produisant à par- tir d'un échantillon le transducteur canonique le représentant, ou échouant, le tout en restant polynomial. Cet algorithme se base sur des techniques d'infé- rence grammaticales et sur l'adaptation du théorème de Myhill-Nerode.

Ce travail présente l'approche UML/PNO (Unified Modelling Language with Petri Net Objects) pour la spécification de systèmes temps réel. La méthode propose d'enrichir la description semi-formelle UML du système par une modélisation formelle basée sur les réseaux de Petri. Les concepts UML de sous-système et d'interface ont été étendus afin d'améliorer la description de la vue système en termes de tructuration, gestion de projet et organisation de la modélisation. L'objectif est également d'adapter la méthode de modélisation système à une approche " orientée composant " pour le temps réel. Le concept " d'objet composé " permet d'intégrer des spécificités temps réel au sein du composant (protocole de communication, contrainte temporelle, effet observable). Le comportement des objets est spécifié à l'aide des réseaux de Petri à places et transitions stochastiques temporelles afin de permettre la validation et la vérification du système en cours de spécification. L'approche de validation propose des traductions semi-automatiques des diagrammes UML en réseaux de Petri. Les techniques classiques de simulation et d'évaluation de performances peuvent alors être appliquées. Ces traductions présentent l'avantage de rassembler, sur un même modèle à réseau de Petri, tous les aspects dynamiques du composant apparaissant dans différents diagrammes UML et de vérifier ainsi la cohérence de son comportement et de son utilisation. La vérification utilise les techniques d'analyse formelle, basées sur l'utilisation conjointe du graphe de classes et de la logique linéaire. Une approche de vérification quantitative des contraintes temporelles est proposée au niveau de l'analyse des besoins et des exigences du système. Une partie de ce travail a été concrétisée par l'intégration d'un module (ArgoPNO) dans l'atelier de génie logiciel ArgoUML. A ce jour, une première automatisation de la démarche de vérification des contraintes temporelles est opérationnelle sur cet outil.

Nous nous positionnons dans un contexte d'informatique ambiante dans lequel il arrive que les besoins de l'utilisateur n'aient pas été prévus, notamment en situation exceptionnelle. Dans ce cas, il peut ne pas exister de système préconçu qui réponde exactement à ces besoins. Pour les satisfaire, il faut alors pouvoir composer les systèmes disponibles dans l'environnement, et le système composé doit permettre à l'utilisateur de faire des choix à l'exécution. Ainsi, l'utilisateur a la possibilité d'adapter l'exécution de la composition à son contexte. Cela signifie que la composition intègre des structures de contrôle de l'exécution, destinées à l'utilisateur : la composition est dite flexible. Dans cette thèse, nous proposons de répondre au problème de la composition flexible en contexte d'intelligence ambiante avec un planificateur produisant des plans flexibles. Dans un premier temps, nous proposons une modélisation de la planification flexible. Pour cela, nous définissons les opérateurs de séquence et d'alternative, utilisés pour caractériser les plans flexibles. Nous définissons deux autres opérateurs au moyen de la séquence et de l'alternative : l'entrelacement et l'itération. Nous nous référons à ce cadre théorique pour délimiter la flexibilité traitée par notre planificateur Lambda-Graphplan. L'originalité de Lambda-Graphplan est de produire des itérations en s'appuyant sur une approche par graphe de planification. Nous montrons notamment que Lambda-Graphplan est très performant avec les domaines se prêtant à la construction de structures itératives. / In a context of Ambient Intelligence, some of the user's needs might not be anticipated, e.g. when the user is in an unforeseen situation. In this case, there could exist no system that exactly meets their needs. By composing the available systems, the user could obtain a new system that satisfies their needs. In order to adapt the composition to the context, the composition must allow the user to make choices at runtime. So the composition includes control structures for the user: the composition is flexible. In this thesis, I deal with the problem of the flexible composition by automated planning. I propose a model of flexible planning. The sequence and the choice operators are defined and used to characterize flexible plans. Then, two other operators are derived from the sequence and the choice operators: the interleaving and the iteration operators. I refer to this framework to define the flexibility produced by my planner, Lambda-Graphplan, which is based on the planning graph. The originality of Lambda-Graphplan is to produce iterations. I show that Lambda-Graphplan is very efficient on domains that allow the construction of iterative structures.

Les grammaires catégorielles abstraites (ou λ-grammaires) sont un formalisme basé sur le λ-calcul simplement typé. Elles peuvent être vues comme des grammaires générant de tels termes, et ont été introduites afin de modéliser l'interface entre la syntaxe et la sémantique du langage naturel, réunissant deux idées fondamentales : la distinction entre tectogrammaire (c.a.d. structure profonde d'un énoncé) et phénogrammaire (c.a.d représentation de la surface d'un énoncé) de la langue, exprimé par Curry ; et une modélisation algébrique du principe de compositionnalité afin de rendre compte de la sémantique des phrases, due à Montague. Un des avantages principaux de ce formalisme est que l'analyse d'une grammaires catégorielle abstraite permet de résoudre aussi bien le problème de l'analyse de texte, que celui de la génération de texte. Des algorithmes d'analyse efficaces ont été découverts pour les grammaires catégorielles abstraites de termes linéaires et quasi-linéaires, alors que le problème de l'analyse est non-élémentaire dans sa forme la plus générale. Nous proposons d'étudier des classes de termes pour lesquels l'analyse grammaticale reste solvable en temps polynomial. Ces résultats s'appuient principalement sur deux théorèmes de typage : le théorème de cohérence, spécifiant qu'un λ-terme donné est l'unique habitant d'un certain typage ; et le théorème d'expansion du sujet, spécifiant que deux termes β-équivalents habitent les même typages. Afin de mener cette étude à bien, nous utiliserons une représentation abstraite des notions de λ-termes et de typages, sous forme de jeux. En particulier, nous nous appuierons grandement sur cette notion afin de démontrer le théorème de cohérence pour de nouvelles familles de λ-termes et de typages. Grâce à ces résultats, nous montrerons qu'il est possible de construire de manière directe, un reconnaisseur dans le langage Datalog, pour des grammaires catégorielles abstraites de λ-termes quasi-affines.