Il est important que les logiciels pilotant les systèmes critiques (avions, centrales nucléaires, etc.) fonctionnent correctement — alors que la plupart des systèmes informatisés de la vie courante (micro-ordinateur, distributeur de billets, téléphone portable) ont des dysfonctionnements visibles. Il ne s'agit pas là d'un simple problème d'ingéniérie : on sait depuis les travaux de Turing et de Cook que la preuve de propriétés de bon fonctionnement sur les programmes est un problème intrinsèquement difficile.<br /><br />Pour résoudre ce problème , il faut des méthodes à la fois efficaces (coûts en temps et en mémoire modérés), sûres (qui trouvent tous les problèmes possibles) et précises (qui fournissent peu d'avertissements pour des problèmes inexistants). La recherche de ce compromis nécessite des recherches faisant appel à des domaines aussi divers que la logique formelle, l'analyse numérique ou l'algorithmique « classique ».<br /><br />De 2002 à 2007 j'ai participé au développement de l'outil d'analyse statique Astrée. Ceci m'a suggéré quelques développements annexes, à la fois théoriques et pratiques (utilisation de techniques de preuve formelle, analyse de filtres numériques...). Plus récemment, je me suis intéressé à l'analyse modulaire de propriétés numériques et aux applications en analyse de programme de techniques de résolution sous contrainte (programmation semidéfinie, techniques SAT et SAT modulo théorie).

Cette thèse présente une nouvelle optimisation de l'interprétation fonctionnelle (dite "Dialectica") de Gödel pour l'extraction de programmes plus efficaces à partir de preuves arithmétiques et même analytiques (classiques). La version dite "légère" de Dialectica se combine aussi et encore plus facilement avec l'optimisation dite "monotone" de Kohlenbach sur l'interprétation fonctionnelle de Gödel pour l'extraction de majorants et marges plus efficaces à partir de preuves monotones (classiques). La Dialectica légère est obtenue par l'adaptation des quantificateurs "uniformes" (sans signification computationnelle) de Berger. En plus, sa présentation est faite dans le style de la Déduction Naturelle, comme amélioration de l'adaptation récente de Jørgensen s! ur la Dialectica originelle de Gödel. Un bon nombre d'exemples concrèts sont traités sur l'ordinateur par la nouvelle technique d'extraction de programmes. La comparaison en machine avec la technique de synthèse de programmes appelée "A-traduction raffinée" de Berger, Buchholz et Schwichtenberg montre une très bonne performance de la Dialectica légère. Cette dernière n'est dépassée que dans le cas du Lemme de Dickson. Nous développons aussi la théorie de la synthèse de programmes efficaces, de complexité calculatoire polynômiale en temps, par la nouvelle Dialectica légère (monotone). Dans ce but nous métissons deux structures préexistantes de Cook-Urquhart-Ferreira et respectivement Kohlenbach pour obtenir une "Analyse bornée par des polynômes en temps". Ici, le résultat théorique est prometteur mais des exemple! s pratiques restent encore à trouver pour montrer la diff! ére nce de cette structure par rapport à l'"Analyse bornée par un polynôme" de Kohlenbach.

Cette thèse présente une formalisation des nombres algébriques et de leur théorie. Elle apporte deux nouvelles contributions importantes à la formalisation de résultats mathématiques dans des assistants à la preuve, ici Coq : la construction intuitionniste des nombres algébriques réels et la preuve qu'ils constituent un corps réel clos, ainsi que la programmation et la certification de procédures d'élimination des quantificateurs pour les théories des corps algébriquement clos et des corps réels clos. Pour atteindre ces résultats, nous avons apporté des contributions aux outils et aux méthodologies de preuves et de formalisation des mathématiques en Coq. En particulier, nous fournissons pour Coq/SSReflect un cadre pour travailler avec des types quotients. Nous fournissons une bibliothèque complète sur les structures algébriques de nombres ordonnés et normés. Nous avons réalisé une courte implémentation des réels de Cauchy accompagnée de tactiques pour effectuer facilement des raisonnements comportant des affirmations de la forme "soit n un entier suffisamment grand", couramment utilisés dans les preuves mathématiques sur papier. Nous avons également développé une petite bibliothèque d'analyse de base sur les polynômes à coefficients dans un corps réel clos. Une grande partie de nos résultats s'intègrent dans la formalisation de la preuve du théorème de Feit-Thompson et ont aussi pour objectif d'aider à certifier des procédures plus efficace d'élimination des quantificateurs sur les réels.

Cette thèse présente un algorithme qui élimine les racines carrées et les divisions dans des programmes sans boucles, utilisés dans des systèmes embarqués, tout en préservant la sémantique. L'élimination de ces opérations permet d'éviter les erreurs d'arrondis à l'exécution, ces erreurs d'arrondis pouvant entraîner un comportement complètement inattendu de la part du programme. Cette trans- formation respecte les contraintes du code embarqué, en particulier la nécessité pour le programme produit de s'exécuter en mémoire fixe. Cette transformation utilise deux algorithmes fondamentaux développés dans cette thèse. Le premier permet d'éliminer les racines carrées et les divisions des expressions booléennes contenant des comparaisons d'expressions arithmétiques. Le second est un algorithme qui résout un problème d'anti-unification particulier, que nous appelons anti-unification contrainte. Cette transformation de programme est définie et prouvée dans l'assistant de preuves PVS. Elle est aussi implantée comme une stratégie de ce système. L'anti-unification contrainte est aussi utilisée pour étendre la transformation à des programmes contenant des fonctions. Elle permet ainsi d'éliminer les racines carrées et les divisions de spécifications écrites en PVS. La robustesse de cette méthode est mise en valeur par un exemple conséquent: l'élimination des racines carrées et des divisions dans un programme de détection des conflits aériens.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / The end of chip frequency scaling capacity, due heat dissipation limitations, made manufacturers search for an alternative to sustain the processing capacity growth. The chosen solution was to increase the hardware parallelism, by packing multiple independent processors in a single chip, in a Multiple-Instruction Multiple-Data (MIMD) fashion, each with special instructions to operate over a vector of data, in a Single-Instruction Multiple-Data (SIMD) manner. Such paradigm change, brought to software developer the convoluted task of producing efficient and scalable applications. Programming languages and associated tools evolved to aid such task for new developed applications. But automated optimizations capable of coping with such a new complex hardware, from legacy, single threaded applications, is still lacking.To apply code transformations, either developers or compilers, require to assert that, by doing so, they are not changing the expected comportment of the application producing unexpected results. But syntactically poor codes, such as use of pointer parameters with multiple possible indirections, complex loop structures, or incomplete codes, make very hard to extract application behavior solely from the source code in what is called a static analyses. To cope with the lack of information extracted from the source code, many tools and research has been done in, how to use dynamic analyses, that does application profiling based on run-time information, to fill the missing information. The combination of static and dynamic information to characterize an application are called hybrid analyses. This works advocates for the use of hybrid analyses to be able to optimizations on loops, regions where most of computations are done. It proposes a framework capable of statically applying some complex loop transformations, that previously would be considered unsafe, by assuring their safe use during run-time with a lightweight test.The proposed framework uses application execution profiling to help the static loop optimizer to: 1) identify and classify program hot-spots, so as to focus only on regions vital for the execution time; 2) guide the optimizer in understanding the overall loop behavior, so as to reduce the valid loop transformations search space; 3) using instruction's memory access functions, it statically builds a lightweight run-time test that determine, based on the program parameters values, if a given optimization is safe to be used or not. It's applicability is shown by performing complex loop transformations into a variety of loops, obtained from applications of different fields, and demonstrating that the run-time overhead is insignificant compared to the loop execution time or gained performance, in the vast majority of cases.

Ce travail porte sur la vérification de composants logiciels dans les systèmes embarqués critiques avioniques. Les conséquences d’une erreur dans de tels systèmes pouvant s'avérer catastrophiques, il se doivent de respecter leur spécification. La vérification formelle tend à prouver cette adéquation si elle est vraie, ou à produire un contre-exemple si elle ne l’est pas. Les méthodes actuelles ne sont pas capable de traiter les les systèmes industriels. La découverte d’informations supplémentaires (invariants) sur le système permet de réduire l’espace de recherche afin de renforcer l’objectif de preuve: les informations découvertes sont suffisantes pour conclure “facilement”. Nous définissons une architecture parallèle permettant à des méthodes de découverte d’invariants de collaborer autour d’un moteur de kinduction. Dans ce contexte nous proposons HullQe, une nouvelle heuristique de génération d’invariants potentiels combinant un calcul de pré-image par élimination de quantificateurs et des calculs d’enveloppes convexes. Nous montrons que HullQe est capable, automatiquement, de renforcer des objectifs de preuve correspondant à la vérification de patrons de conception courants en avionique. Pour autant que nous sachions, les méthodes actuelles sont incapables de conclure sur ces problèmes. Nous détaillons nos améliorations de l’algorithme d’élimination de quantificateurs de Monniaux afin d’assurer le passage à l’échelle sur nos systèmes. Notre framework formel Stuff est une implémentation de notre architecture parallèle composée de HullQe, d'une technique de découverte d’invariants basée sur des templates, et d'une généralisation de PDR à l’arithmétique. / This work studies the verification of software components in avionics critical embedded systems. As the failure of suchsystems can have catastrophic consequences, it is mandatory to make sure they are consistent with their specification.Formal verification consists in proving that a system respects its specification if it does, or to produce a counterexample if itdoes not. Current methods are unable to handle the verification problems stemming from realistic systems. Discoveringadditional information (invariants) on the system can however restrict the search space enough to strengthen the proofobjective: the information discovered allow to "easily" reach a conclusion. We define a parallel architecture for invariantdiscovery methods allowing them to collaborate around a k-induction engine. In this context we propose a new heuristic forthe generation of potential invariants by combining an iterated preimage calculus by quantifier elimination with convexhull computations, called HullQe. We show that HullQe is able to automatically strengthen proof objectives correspondingto safety properties on widespread design patterns in our field. To the best of our knowledge, these systems elude currenttechniques. We also detail our improvements to the quantifier elimination algorithm by David Monniaux in 2008, so that itscales to computing preimages on our systems. Our formal framework Stuff is an implementation of the parallel architecturewe propose in which we implemented not only HullQe, but also a template-based invariant discovery technique, and ageneralisation to Property Directed Reachability to linear real arithmetic and integer octagons.

Un problème de géométrie algébrique réelle s'exprime sous forme d’un système d’équations et d’inéquations polynomiales, dont l’ensemble des solutions est un ensemble semi-algébrique. L'objectif de cette thèse est de montrer comment les algorithmes de ce domaine peuvent être décrits formellement dans le langage du système de preuve Coq.Un premier résultat est la définition formelle et la certification de l’algorithme de transformation de Newton présentée dans la thèse d'A. Bostan. Ce travail fait intervenir non seulement des polynômes, mais également des séries formelles tronquées. Un deuxième résultat est la description d'un type de donnée représentant les ensembles semi-algébriques. Un ensemble semialgébrique est représenté par une formule logique du premier ordre basée sur des comparaisons entre expressions polynomiales multivariées. Pour ce type de données, nous montrons comment obtenir les différentes opérations ensemblistes et allons jusqu'à décrire les fonctions semi-algébriques. Pour toutes ces étapes, nous fournissons des preuves formelles vérifiées à l'aide de Coq. Enfin, nous montrons également comment la continuité des fonctions semi-algébrique peut être décrite, mais sans en fournir une preuve formelle complète. / A real algebraic geometry problem is expressed as a system of polynomial equations and inequalities, and the set of solutions are semi-algebraic sets. The objective of this thesis is to show how the algorithms of this domain can be formally described in the language of the Coq proof system. A first result is the formal definition and certification of the Newton transformation algorithm presented in A. Bostan's thesis. This work involves not only polynomials, but also truncated formal series. A second result is the description of a data type representing semi-algebraic sets. A semi-algebraic set is represented by a first-order logical formula based on comparisons between multivariate polynomial expressions. For this type of data, we show how to obtain the different set operations all the way to describing semialgebraic functions. For all these steps, we provide formal proofs verified with Coq. Finally, we also show how the continuity of semi-algebraic functions can be described, but without providing a fully formalized proof.