Cette thèse s'inscrit dans le cadre des travaux consacrés au développement des modèles sémantiques destinés aux langages de programmation concurrents. Une particularité de notre étude réside dans la considération explicite d'une récursivité au niveau des programmes parallèles. Pour ces programmes nous proposons une sémantique originale, dont nous étudions en détail les propriétés. Bien que le modèle proposé ne soit pas d'états finis, il est possible de le munir d'une structure de systèmes de transitions bien structurés au sens de Finkel ce qui établit la décidabilité de nombreux problèmes de vérification. Cette sémantique à la Plotkin permet de mieux comprendre le comportement des programmes récursifs-parallèles, d'analyser formellement certaines de leurs propriétés, de décrire la stratégie d'implémentation et d'énoncer en quel sens elle est correcte.

Ce travail se situe dans le cadre de la vérification et de la validation des systèmes répartis, particulièrement les protocoles de télécommunication. Nous nous sommes intéressés au problème de la génération automatique de tests de conformité pour les protocoles de télécommunication et plus précisément à l'utilisation, en amont de TGV (un outil de génération de séquences de test), de techniques d'analyse statique. La génération de test de conformité fondée sur des techniques de vérification par modèles (l'approche employée par TGV) est limitée par le problème d'explosion d'état. Même si ce problème, dans la pratique, peut être contourné (en choisissant le fonctionnement à la volée de TGV), quelque aspects de cette méthode (par exemple la conception des objectifs de test pour un modèle, sans le construire explicitement) posent encore des problèmes. Dans notre thèse on propose une méthodologie de test basée sur des techniques issues des domaines de la vérification et de l'analyse statique. Cette méthodologie consiste en un ensemble de procédures qui ont pour but de simplifier la spécification en tenant compte de sa structure ou de la structure des objectifs de test et cela avant de la génération des cas de test. On réduit ainsi la taille des modèles observables des spécifications. Nous avons étendu aussi le concept de l'objectif de test. Les objectifs de test abstraits ont des contraintes symboliques attachées aux paramètres des signaux d'entrée. À partir des contraintes d'entrée les procédures mentionnées ci-dessus calculent des contraintes pour les paramètres des signaux de sortie des objectifs de test abstraits. Ensuite, des objectifs de test concrets pourront être dérivés et en utilisant l'outil de test existant TGV on pourrait générer des tests de conformité

Map Theory est une extension équationnelle du lambda-calcul non-typé conçue par Klaus Grue pour être une fondation commune de l'informatique et des mathématiques. Elle permet en particulier une interprétation complète du calcul des prédicats et de ZFC+FA, où ZFC est la théorie de Zermelo-Fraenkel, et FA est l'axiome de bonne fondation usuel. Toutes les notions primitives de la logique du premier ordre et de la théorie des ensembles, valeurs de vérité, connecteurs, quantificateurs, appartenance et égalité, y sont traduites par des termes du lambda-calcul enrichi de quelques constantes. De plus, Map Theory permet de représenter les types de données inductifs et de donner un sens calculatoire immédiat à tous les constructeurs ensemblistes usuels. La version initiale de Map Theory par K. Grue ne considère cependant que les ensembles (ou classes) bien-fondée relativement à la relation d'appartenance. Dans le cadre du renouveau d'intérêt pour l'antifondation induit par les developpements récents de l'informatique théorique, nous montrons dans notre thèse qu'il est possible d'élaborer une version antifondée de Map Theory qui prenne en compte l'existence des objets non-bien-fondés, et qui permette de raisonner sur ces objets par co-induction. Ce nouveau système ouvre la possibilité d'une représentation directe des types de données co-inductifs, et de la modèlisation des phènoménes et processus circulaires. Dans une première partie, nous présenterons l'axiomatisation MTA de ce nouveau système, et nous montrerons que ZFC+AFA, où AFA est l'axiome d'Antifondation de Aczel-Forti-Honsell, y est interprétable syntaxiquement. Dans la deuxième partie, nous montrerons la consistance de MTA relativement à ZFC+SI, où SI est l'axiome exprimant l'existence d'un cardinal fortement inaccessible.

In large-scale model-based development, developers periodically need to combine collections of interrelated models. These models may capture different features of a system, describe alternative perspectives on a single feature, or express ways in which different features alter one another's structure or behaviour. We refer to the process of combining a set of interrelated models as "model fusion". A number of factors make model fusion complicated. Models may overlap, in that they refer to the same concepts, but these concepts may be presented differently in each model, and the models may contradict one another. Models may describe independent system components, but the components may interact, potentially causing undesirable side effects. Finally, models may cross-cut, modifying one another in ways that violate their syntactic or semantic properties. In this thesis, we study three instances of the fusion problem for "behavioural models", motivated by real-world applications. The first problem is combining "partial" models of a single feature with the goal of creating a more complete description of that feature. The second problem is maintenance of "variant" specifications of individual features. The goal here is to combine the variants while preserving their points of difference (i.e., variabilities). The third problem is analysis of interactions between models describing "different" features. Specifically, given a set of features, the goal is to construct a composition such that undesirable interactions are absent. We provide an automated tool-supported solution to each of these problems and evaluate our solutions. The main novelties of the techniques presented in this thesis are (1) preservation of semantics during the fusion process, and (2) applicability to large and evolving collections of models. These are made possible by explicit modelling of partiality, variability and regularity in behavioural models, and providing semantic-preserving notions for relating these models.

In large-scale model-based development, developers periodically need to combine collections of interrelated models. These models may capture different features of a system, describe alternative perspectives on a single feature, or express ways in which different features alter one another's structure or behaviour. We refer to the process of combining a set of interrelated models as "model fusion". A number of factors make model fusion complicated. Models may overlap, in that they refer to the same concepts, but these concepts may be presented differently in each model, and the models may contradict one another. Models may describe independent system components, but the components may interact, potentially causing undesirable side effects. Finally, models may cross-cut, modifying one another in ways that violate their syntactic or semantic properties. In this thesis, we study three instances of the fusion problem for "behavioural models", motivated by real-world applications. The first problem is combining "partial" models of a single feature with the goal of creating a more complete description of that feature. The second problem is maintenance of "variant" specifications of individual features. The goal here is to combine the variants while preserving their points of difference (i.e., variabilities). The third problem is analysis of interactions between models describing "different" features. Specifically, given a set of features, the goal is to construct a composition such that undesirable interactions are absent. We provide an automated tool-supported solution to each of these problems and evaluate our solutions. The main novelties of the techniques presented in this thesis are (1) preservation of semantics during the fusion process, and (2) applicability to large and evolving collections of models. These are made possible by explicit modelling of partiality, variability and regularity in behavioural models, and providing semantic-preserving notions for relating these models.

A psi-calculus is an extension of the pi-calculus with nominal data types for data structures, logical assertions, and conditions. These can be transmitted between processes and their names can be statically scoped as in the standard pi-calculus. Expressiveness and therefore modelling convenience significantly exceed those of other formalisms: psi-calculi can capture the same phenomena as other extensions of the pi-calculus, and can be more general, e.g. by allowing structured channels, higher-order formalisms such as the lambda calculus for data structures, and predicate logic for assertions. Ample comparisons to related calculi are provided and a few significant applications are discussed. The labelled operational semantics and definition of bisimulation is straightforward, without a structural congruence. Minimal requirements on the nominal data and logic are established in order to prove general algebraic properties of psi-calculi. The purity of the semantics is on par with the pi-calculus. The theory of weak bisimulation is established, where the tau actions are unobservable. The notion of barb is defined as the output label of a communication action, and weak barbed equivalence is bisimilarity for tau actions and preservation of weak barbs in all static contexts. It is proved that weak barbed equivalence coincides with weak bisimulation equivalence. A symbolic transition system and bisimulation equivalence is presented, and shown fully abstract with respect to bisimulation congruence in the non-symbolic semantics. The symbolic semantics is necessary for an efficient implementation of the calculus in automated tools exploring state spaces, and the full abstraction property means processes are bisimilar in the symbolic setting if they are bisimilar in the original semantics. Psi-calculi remove the necessity of proving general properties every time a new mobile process calculus is defined. By properly instantiating the framework the properties are guaranteed to hold, thus removing the need to do tedious and error-prone proofs.

Cette thèse propose une nouvelle approche du parallélisme et de la concurrence, posant les bases d'un langage de programmation à la fois sûr et "secure" (garantissant la sécurité des données), fondé sur une sémantique formelle claire et simple, tout en étant adapté aux architectures multi-cœur. Nous avons adopté le paradigme synchrone, dans sa variante réactive, qui fournit une alternative simple à la programmation concurrente standard en limitant l'impact des erreurs dépendant du temps ("data-races"). Dans un premier temps, nous avons considéré un langage réactif d'orchestration, DSL, dans lequel on fait abstraction de la mémoire (Partie 1). Dans le but de pouvoir traiter la mémoire et la sécurité, nous avons ensuite étudié (Partie 2) un noyau réactif, CRL, qui utilise un opérateur de parallélisme déterministe. Nous avons prouvé la réactivité bornée des programmes de CRL. Nous avons ensuite équipé CRL de mécanismes pour contrôler le flux d'information (Partie 3). Pour cela, nous avons d'abord étendu CRL avec des niveaux de sécurité pour les données, puis nous avons défini dans le langage étendu, SSL, un système de types permettant d'éviter les fuites d'information. Parallèlement (Partie 4), nous avons ajouté la mémoire à CRL, en proposant le modèle DSLM. En utilisant une notion d'agent, nous avons structuré la mémoire de telle sorte qu'il ne puisse y avoir de "data-races". Nous avons également étudié l'implémentation de DSLM sur les architectures multi-cœur, fondée sur la notion de site et de migration d'un agent entre les sites. L'unification de SSL et de DSLM est une piste pour un travail futur.

Modal logics have found applications in many diferent contexts. For example, epistemic modal logics can be used to reason about security protocols, temporal modal logics can be used to reason about the correctness of distributed systems and propositional dynamic logic can reason about the correctness of programs. However, pure modal logic is expressively weak and cannot represent many interesting secondorder properties that are expressible, for example, in the μ-calculus. Here we investigate the extension of modal logics with propositional quantification modulo bisimulation (bisimulation quantification). We extend existing work on bisimulation quantified modal logic by considering the variety of logics that result by restricting the structures over which they are interpreted. We show this can be a natural extension of modal logic preserving the intuitions of both modal logic and propositional quantification. However, we also find cases where such intuitions are not preserved. We examine cases where the axioms of pure modal logic and propositional quantification are preserved and where bisimulation quantifiers preserve the decidability of modal logic. We translate a number of recent decidability results for monadic second-order logics into the context of bisimulation quantified modal logics, and show how these results can be used to generate a number of interesting bisimulation quantified modal logics.

Cette thèse est structurée autour de deux axes d’études : (1) développer des logiques épistémiques formalisant la prise en compte de nouvelles données en présence d'informations incomplètes ou incohérentes ; (2) caractériser les notions de bisimulation sur les modèles de ces nouvelles logiques. Les logiques modales utilisées pour formaliser des raisonnements dans le cadre d’informations incomplètes et incohérentes, telle que la logique modale de contingence, sont généralement plus faibles que les logiques modales standards. Nos travaux se basent sur des méthodes logiques, algébriques et co-algébriques / In this Ph.D. dissertation we investigate reasoning about information change in the presence of incomplete or inconsistent information, and the characterisation of notions of bisimulation on models encoding such reasoning patterns. Modal logics for incomplete and inconsistent information are typically weaker than the standard modal logics, such as the modal logic of contingency. We use logical, algebraic and co-algebraic methods to achieve our aims. The dissertation consists of two main parts. The first part focusses on reasoning about information change, and the second part focusses on expressivity and bisimulation. In the following, we give an overview of the contents of this dissertation

Metamodellierung im Sinne der Meta Object Facility (MOF) stellt eine Methode für die strukturelle Definition der abstrakten Syntax von Modellierungssprachen und Modellen im Softwareentwicklungsprozess dar. Um Modellsimulation und dynamische Analysen für metamodellbasierte Sprachen zu unterstützen, fehlt es an einem Kalkül zur operationalen Semantik. In dieser Arbeit wird ausgehend von MOF die Aktionssemantik MActions entwickelt, die die Definition von operationaler Semantik als Verhalten in Metamodellen ermöglicht. Diese Erweiterung geht einher mit der Beschreibung von Laufzeitmodellen sowie Zuständen und Parallelitätseigenschaften, so dass eine Verifikation von dynamischen Eigenschaften möglich wird. Zu diesem Zweck wird mit der Linear Temporal Object Constraint Language (LT-OCL) exemplarisch eine prädikatenlogische Temporallogik entwickelt, die eine metamodellunabhängige Analyse für ausführbare Modelle erlaubt. Dabei ist die Semantik von temporalen Ausdrücken über Zuständsänderungen von (aufgezeichneten) Ausführungsläufen beschrieben, wobei eine Linearisierung parallele Änderungen zusammenführt. Als weiteren Anwendungsfall der dynamischen Analyse untersuchen wir die Relation zum Verhaltensvergleich im Sinne der Bisimulationstheorie. Metamodelle, Aktionssemantik und Temporallogik werden mittels einer erweiterten Abstract State Machine (ASM) formal beschrieben und kommen in zwei Fallstudien zur Anwendung (Timed Automata und C#). / Object-oriented metamodelling as defined by the Meta Object Facility (MOF) provide a means to describe the structure of models and the abstract syntax of modelling languages at various stages in a software development process. However, MOF lacks concepts for the definition of operational semantics and there is no support for dynamic model analysis based on the semantics and abstract states of a language definition. This thesis investigates on extending the metamodelling framework with an action semantics - the MActions - to support the definition of operational semantics in metamodels and enable simulation as well as verification of dynamic properties. For this purpose, runtime models are incorporated with semantics for states, time, and properties of parallelism that allow a generic analysis solely bound to a certain metamodel definition. Furthermore, we develop the Linear Temporal Object Constraint Language (LT-OCL) to perform a dynamic analysis of execution runs based on the executable models. The semantics of this temporal predicate logic is bound to state changes of (recorded) execution traces that are linearizations of parallel changes of the runtimes model. This establishes the link to the theory of bisimulation as a second application case of dynamic analysis. Abstract State Machines (ASM) have been used to formally define the action language in conjunction with metamodels and the temporal logic. As proof of concept of the whole approach, the framework has been implemented and applied to two languages as case studies (namely Timed Automata and C#).