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. / Parallel program design and implementation is a complex, error prone task. Verifying parallel programs is also harder than verifying sequential ones. To ease the development and the proof of correction of parallel programs, we propose to combine the functional bulk synchronous parallel language BSML; the algorithmic skeleton, that are higher order function on distributed data structures which offer an abstraction of the parallelism ; and the Coq proof assistant, who’s specification language is rich enough to write purely functional programs together with their properties. We propose an embedding of BSML primitives in the Coq logic in a modular form, adapted to program extraction. So we can write BSML programs in Coq, reason on them, extract them and then execute them in parallel. To ease the specification of these programs, we formalise the relation between parallel programs using distributed data structures and specification using sequential data structure. We prove the correctness of an implementation of the BH skeleton. This skeleton is devoted to the treatment of distributed lists in the BSP model. For a set of application, starting from a sequential specification of a problem, we derive an instance of our skeletons, then extract a BSML program which is executed on parallel machines.

Les systèmes à canaux non fiables ont été introduits à l'origine comme un modèle de communication. Ils ont donné naissance à une classe de complexité restée mal comprise pendant longtemps. Dans cette thèse, nous étudions et comblons certaines des plus importantes lacunes dans la connaissance de cette classe. Nous fournissons entre autres des bornes inférieure et supérieure qui se rejoignent pour la complexité en temps. Puis nous proposons un nouvel outil de preuve : le Problème de Sous Mot de Post (PEP). C'est un problème simple, inspiré du Problème de Correspondance de Post, et complet pour cette classe de complexité. Nous étudions ensuite PEP et ses variantes, ainsi que les langages de solutions de PEP sur lesquels nous avons fourni des résultats de complexité et des outils de preuve tels que des lemmes de pompage. / Lossy channel systems were originally introduced to model communication protocols. It gave birth to a complexity class wich remained scarcely undersood for a long time. In this thesis we study some of the most important gaps. In particular, we bring matching upper and lower bounds for the time complexity. Then we describe a new proof tool : the Post Embedding Problem (PEP) which is a simple problem, closely related to the Post Correspondence Problem, and complete for this complexity class. Finally, we study PEP, its variants and the languages of solutions of PEP on which we provide complexity results and proof tools like pumping lemmas.

Cette thèse appartient au domaine des méthodes formelles. Nous nous concentrons sur leur application à une méthodologie spécifique pour le développement de logiciels: l'ingénierie à base de composants. Le Grid Component Model (GCM) suit cette méthodologie en fournissant tous les moyens pour définir, composer, et dynamiquement reconfigurer les applications distribuées à base de composants. Dans cette thèse, nous abordons la spécification formelle, la vérification et le déploiement d'applications GCM reconfigurables et distribuées. Notre première contribution est un cas d'étude industriel sur la spécification comportementale et la vérification d'une application distribuée et reconfigurable: L'HyperManager. Notre deuxième contribution est une plate-forme, élaborée avec l'assistant de preuve Coq, pour le raisonnement sur les architectures logicielles: Mefresa. Cela comprend la mécanisation de la spécification du GCM, et les moyens pour raisonner sur les architectures reconfigurables GCM. En outre, nous adressons les aspects comportementaux en formalisant une sémantique basée sur les traces d'exécution de systèmes de transitions synchronisées. Enfin, notre troisième contribution est un nouveau langage de description d'architecture (ADL): Painless. En outre, nous discutons son intégration avec ProActive, un intergiciel Java pour la programmation concurrente et distribuée, et l'implantation de référence du GCM. / This thesis belongs to the domain of formal methods. We focus their application on a specific methodology for the development of software: component-based engineering.The Grid Component Model (GCM) endorses this approach by providing all the means to define, compose and dynamically reconfigure component-based distributed applications. In this thesis we address the formal specification, verification and deployment of distributed and reconfigurable GCM applications. Our first contribution is an industrial case study on the behavioural specification and verification of a reconfigurable distributed application: The HyperManager. Our second contribution is a framework, developed with the Coq proof assistant, for reasoning on software architectures: Mefresa. This encompasses the mechanization of the GCM specification, and the means to reason about reconfigurable GCM architectures. Further, we address behavioural concerns by formalizing a semantics based on execution traces of synchronized transition systems. Overall, it provides the first steps towards a complete specification and verification platform addressing both architectural and behavioural properties. Finally, our third contribution is a new Architecture Description Language (ADL), denominated Painless. Further, we discuss its proof-of-concept integration with ProActive, a Java middleware for concurrent and distributed programming, and the de facto reference implementation of the GCM.

Le développement des réseaux de communication digitaux tel Internet a rendu omniprésents les protocoles de communication. Les différents appareils électroniques que nous utilisons au quotidien doivent interagir les uns avec les autres afin de réaliser les taches nombreuses et variées qui sont devenues courantes, comme d'utiliser d'un téléphone portable, envoyer ou recevoir des messages électroniques, faire des achats en ligne et ainsi de suite. Pour ces applications, la sécurité est une notion cruciale. Par exemple, dans le cas des achats en ligne, il faut que la transaction ait lieu sans divulguer les informations personnelles de l'acheteur à un tiers. Les protocoles de communications contiennent les règles qui régissent ces interactions. Afin de s'assurer qu'ils garantissent un certain niveau de sécurité, on souhaite pouvoir les analyser. Une analyse manuelle, ou leur faire subir des tests, n'est pas suffisant, les attaques pouvant se révéler subtiles. Certains protocols ont été utilisés pendant des années avant qu'une attaque soit découverte contre eux. Étant donnée leur ubiquité croissante dans de nombreuses applications importantes, comme le commerce électronique, un des défis importants auquel la recherche doit faire face consiste à développer des méthodes et des outils de vérification pour augmenter notre confiance dans les protocoles sécurisés, et dans les applications qui dépendent de ces protocoles. Par exemple, plus de 28 milliards d'euros sont dépensés en France au cours de transactions sur Internet, et cette quantité ne cesse d'augmenter. De plus, de nouveaux types de protocoles apparaissent continuellement afin de relever de nouveaux défis technologiques et de société, e.g. le vote électronique, le passeport numérique pour n'en citer que quelques-uns. / With the development of digital networks, such as Internet, communication protocols are omnipresent. Digital devices have to interact with each other in order to perform the numerous and complex tasks we have come to expect as commonplace, such as using a mobile phone, sending or receiving electronic mail, making purchases online and so on. In such applications, security is important. For instance, in the case of an online purchase, the right amount of money has to be paid without leaking the buyer personal information to outside parties. Communication protocols are the rules that govern these interactions. In order to make sure that they guarantee a certainlevel of security, it is desirable to analyze them. Doing so manually or by testing them is not enough, as attacks can be quite subtle. Some protocols have been used for years before an attack was discovered. Because of their increasing ubiquity in many important applications, e.g. electronic commerce, a very important research challenge consists in developing methods and verification tools to increase our trust on security protocols, and so on the applications that rely on them. For example, more than 28 billion Euros were spent in France using Internet transactions, and the number is growing. Moreover, new types of protocols are continuously appearing in order to face new technological and societal challenges, e.g. electronic voting, electronic passport to name a few.

La prise de conscience générale de l'importance de vérifier plus scrupuleusement les programmes a engendré une croissance considérable des efforts de vérification formelle de programme durant cette dernière décennie. Néanmoins, le code qu'exécute l'ordinateur, ou code exécutable, n'est pas le code écrit par le développeur, ou code source. La vérification formelle de compilateurs est donc un complément indispensable à la vérification de code source.L'une des tâches les plus complexes de compilation est l'allocation de registres. C'est lors de celle-ci que le compilateur décide de la façon dont les variables du programme sont stockées en mémoire durant son exécution. La mémoire comporte deux types de conteneurs : les registres, zones d'accès rapide, présents en nombre limité, et la pile, de capacité supposée suffisamment importante pour héberger toutes les variables d'un programme, mais à laquelle l'accès est bien plus lent. Le but de l'allocation de registres est de tirer au mieux parti de la rapidité des registres, car une allocation de registres de bonne qualité peut conduire à une amélioration significative du temps d'exécution du programme.Le modèle le plus connu de l'allocation de registres repose sur la coloration de graphe d'interférence-affinité. Dans cette thèse, l'objectif est double : d'une part vérifier formellement des algorithmes connus d'allocation de registres par coloration de graphe, et d'autre part définir de nouveaux algorithmes optimisants pour cette étape de compilation. Nous montrons tout d'abord que l'assistant à la preuve Coq est adéquat à la formalisation d'algorithmes d'allocation de registres par coloration de graphes. Nous procédons ainsi à la vérification formelle en Coq d'un des algorithmes les plus classiques d'allocation de registres par coloration de graphes, l'Iterated Register Coalescing (IRC), et d'une généralisation de celui-ci permettant à un utilisateur peu familier du système Coq d'implanter facilement sa propre variante de cet algorithme au seul prix d'une éventuelle perte d'efficacité algorithmique. Ces formalisations nécessitent des réflexions autour de la formalisation des graphes d'interférence-affinité, de la traduction sous forme purement fonctionnelle d'algorithmes impératifs et de l'efficacité algorithmique, la terminaison et la correction de cette version fonctionnelle. Notre implantation formellement vérifiée de l'IRC a été intégrée à un prototype du compilateur CompCert.Nous avons ensuite étudié deux représentations intermédiaires de programmes, dont la forme SSA, et exploité leurs propriétés pour proposer de nouvelles approches de résolution optimale de la fusion, l'une des optimisations opéréeslors de l'allocation de registres dont l'impact est le plus fort sur la qualité du code compilé. Ces approches montrent que des critères de fusion tenant compte de paramètres globaux du graphe d'interférence-affinité, tels que sa largeur d'arbre, ouvrent la voie vers de nouvelles méthodes de résolution potentiellement plus performantes. / The need for trustful programs led to an increasing use of formal verication techniques the last decade, and especially of program proof. However, the code running on the computer is not the source code, i.e. the one written by the developper, since it has to betranslated by the compiler. As a result, the formal verication of compilers is required to complete the source code verication. One of the hardest phases of compilation is register allocation. Register allocation is the phase within which the compiler decides where the variables of the program are stored in the memory during its execution. The are two kinds of memory locations : a limited number of fast-access zones, called registers, and a very large but slow-access stack. The aim of register allocation is then to make a great use of registers, leading to a faster runnable code.The most used model for register allocation is the interference graph coloring one. In this thesis, our objective is twofold : first, formally verifying some well-known interference graph coloring algorithms for register allocation and, second, designing new graph-coloring register allocation algorithms. More precisely, we provide a fully formally veri ed implementation of the Iterated Register Coalescing, a very classical graph-coloring register allocation heuristics, that has been integrated into the CompCert compiler. We also studied two intermediate representations of programs used in compilers, and in particular the SSA form to design new algorithms, using global properties of the graph rather than local criteria currently used in the litterature.

De nombreux bugs informatiques ont mis en lumière le besoin de certifier les programmes informatiques et la vérification de programmes a connu un développement important au cours des quarante dernières années. Parmi les méthodes possibles, on trouve le model-checking, développé par Clarke et Emerson dans les années 80. Le model-checking consiste à trouver un modèle abstrait pour le système et un formalisme logique pour le comportement puis à vérifier si le modèle vérifie la propriété exprimée dans la logique. La difficulté consiste alors à développer des algorithmes efficaces pour les différents formalismes. Nous nous intéresserons en particulier au formalisme logique de strategy Logic SL, utilisée sur les systèmes multiagents. SL est particulièrement expressif de par son traitement des stratégies (comportements possibles pour les agents du système) comme des objets du premier ordre. Dans sa définition, divers choix sémantiques sont faits et, bien que ces choix se justifient, d'autres possibilités n'en sont pas plus absurdes: tel ou tel choix donne telle ou telle logique et chacune permet d'exprimer des propriétés différentes. Dans cette thèse, nous étudions les différentes implications des différents choix sémantiques. Nous commencerons par introduire SL et préciserons l'étendue des connaissances actuelles. Nous nous intéresserons ensuite aux possibilités non explorées par la sémantique originale. Nous étudierons aussi la logique sur des systèmes quantitatifs (ajout de contraintes d'énergie et de contraintes de compteurs). Finalement, nous examinerons la question des dépendances dans SL[BG] (un fragment de SL). / With the proliferation of computerised devices, software verification is more prevalent than ever. Since the 80's, multiple costly software failures have forced both private and public actors to invest in software verification. Among the main procedures we find the model-checking, developed by Clarke and Emerson in the 80's. It consists in abstracting both the system into a formal model and the property of expected behaviour in some logical formalism, then checking if the property's abstraction holds on the system's abstraction. The difficulty lies in finding appropriate models and efficient algorithms. In this thesis, we focus on one particular logical formalism: the Strategy Logic SL, used to express multi-objectives properties of multi-agents systems. Strategy Logic is a powerful and expressive formalism that treats strategies (i.e. potential behaviours of the agents) like first-order objects. It can be seen as an analogue to first-order logic for multi-agents systems. Many semantic choices were made in its definition without much discussion. Our main contributions are relative to the possibilities left behind by the original definition. We first introduce SL and present some complexity results (including some of our owns). We then outline some other semantic choices within SL's definition and study their influence. Third, we study the logic's behaviour under quantitative multi-agents systems (games with energy and counter constraints). Finally, we address the problem of dependencies within SL[BG], a fragment of SL.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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