Cette thèse étudie différents aspects de la réalisabilité classique due à Jean-Louis Krivine. Celle-ci permet de mettre en oeuvre l'isomorphisme de Curry-Howard: on peut ainsi associer un programme à chaque démonstration mathématique, et considérer chaque théorème comme une spécification. Dans un premier temps, on rappelle le formalisme de la réalisabilité classique ainsi que certains de ses résultats fondamentaux. On s'attache ensuite à l'analyse des contenus opérationnels obtenus suivant deux méthodes différentes d'étude des entiers des modèles de la réalisabilité. Dans un second temps, on rappelle la notion de jeu qui peut être associée à chaque formule du premier ordre dans ce cadre. Ces jeux permettent d'établir une correspondance entre les formules valides du calcul des prédicats et les protocoles de la couche transport des réseaux, que l'on peut spécifier de manière claire et précise par ce biais. La dernière partie est consacrée à l'étude de l'axiome du choix dépendant. On montre que la méthode développée pour le réaliser s'adapte à une expression simple de celui-ci au niveau des individus d'un modèle. On utilise enfin l'instruction associée pour réaliser un cas particulier du théorème de Herbrand. Le terme obtenu effectue une opération très générale, qui peut être interprétée dans le cadre des protocoles réseaux.

Au cours des dernières années, les assistants de preuves on fait des progrès considérables et ont atteint un grand niveau de maturité. Ils ont permit la certification de programmes complexes tels que des compilateurs et même des systèmes d'exploitation. Néanmoins, l'utilisation d'un assistant de preuve requiert des compétences techniques très particulières, qui sont très éloignées de celles requises pour programmer de manière usuelle. Pour combler cet écart, nous entendons concevoir un langage de programmation de style ML supportant la preuve de programmes. Il combine au sein d'un même outil la flexibilité de ML et le fin niveau de spécification offert par un assistant de preuve. Autrement dit, le système peut être utilisé pour programmer de manière fonctionnelle et fortement typée tout en autorisant l'obtention de nouvelles garanties au besoin.On étudie donc un langage en appel par valeurs dont le système de type étend une logique d'ordre supérieur. Il comprend un type égalité entre les programmes non typés, un type de fonction dépendant, la logique classique et du sous-typage. La combinaison de l'appel par valeurs,des fonctions dépendantes et de la logique classique est connu pour poser des problèmes de cohérence. Pour s'assurer de la correction du système (cohérence logique et sûreté à l'exécution), on propose un cadre théorique basé sur la réalisabilité classique de Krivine. La construction du modèle repose sur une propriété essentielle qui lie les différent niveaux d'interprétation des types d'une manière novatrice.On démontre aussi l'expressivité de notre système en se basant sur son implantation dans un prototype. Il peut être utilisé pour prouver des propriétés de programmes standards tels que la fonction « map »sur les listes ou le tri par insertion. / In recent years, proof assistant have reached an impressive level of maturity. They have led to the certification of complex programs such as compilers and operating systems. Yet, using a proof assistant requires highly specialised skills and it remains very different from standard programming. To bridge this gap, we aim at designing an ML-style programming language with support for proofs of programs, combining in a single tool the flexibility of ML and the fine specification features of a proof assistant. In other words, the system should be suitable both for programming (in the strongly-typed, functional sense) and for gradually increasing the level of guarantees met by programs, on a by-need basis.We thus define and study a call-by-value language whose type system extends higher-order logic with an equality type over untyped programs, a dependent function type, classical logic and subtyping. The combination of call-by-value evaluation, dependent functions and classical logic is known to raise consistency issues. To ensure the correctness of the system (logical consistency and runtime safety), we design a theoretical framework based on Krivine's classical realisability. The construction of the model relies on an essential property linking the different levels of interpretation of types in a novel way.We finally demonstrate the expressive power of our system using our prototype implementation, by proving properties of standard programs like the map function on lists or the insertion sort.

Cette thèse s'intéresse à la correspondance de Curry-Howard classique et son interaction avec le forcing de Cohen, en s'appuyant sur les outils de la réalisabilité classique. Dans une première partie, nous commençons par une introduction générale à la réalisabilité classique dans PA2, avec pour fil directeur l'extraction de témoin. Cette introduction couvre la description de la machine abstraite de Krivine (KAM), la construction des modèles, la réalisation de l'arithmétique et les deux principales problématiques calculatoires : la spécification et l'extraction de témoin. Pour illustrer la flexibilité de ce cadre, nous montrons ensuite qu'il s'adapte sans effort à diverses extensions : l'ajout d'instructions supplémentaires dans la KAM ou l'introduction de types de données primitifs tels que les entiers, les rationnels et les réels. Ces divers travaux ont été formalisés dans l'assistant de preuves Coq.Dans une seconde partie, nous redéfinissons ce cadre à l'ordre supérieur et le comparons à PA2. Ce changement, nécessaire pour exprimer pleinement la transformation de forcing, uniformise la théorie et permet d'intégrer tous les types de données. Nous présentons ensuite le forcing en réalisabilité classique, initialement dû à Krivine, puis l'étendons aux filtres génériques, lorsque les conditions de forcing forment un type de données. Cela permet de relire le forcing comme une transformation de programmes, dans le but d'obtenir des réalisateurs plus efficaces plutôt que des résultats d'indépendance. Cette méthode est illustrée notamment par l'exemple du théorème de Herbrand, dont la preuve par forcing donne un programme nettement plus efficace que la preuve habituelle. / This thesis focuses on the computational interpretation of Cohen's forcing through the classical Curry-Howard correspondence, using the tools of classical realizability. In a first part, we start by a general introduction to classical realizability in second-order arithmetic (PA2). We cover the description of the Krivine Abstract Machine (KAM), the construction of the realizability models, the realizers for arithmetic and the main two computational topics: specification and witness extraction. To illustrate the flexibility of this approach, we show that it can be effortlessly adapted to several extensions such as new instructions in the KAM or primitive datatypes like natural, rational and real numbers. These various works are formalized in the Coq proof assistant.In the second part, we redesign this framework in a higher-order setting and compare it to PA2.This change is necessary to fully express the forcing transformation, but it also allows us to uniformize the theory and integrate all datatypes. We present forcing in classical realizability, initially due to Krivine, and extend it to generic filters whenever the forcing conditions form a datatype. We can then see forcing as a program transformation adding a memory cell with its access primitives. Our aim is to find more efficient realizers rather than independence results, which are the common use of forcing techniques. The methodology is illustrated on the example of Herbrand's theorem, the proof by forcing of which gives a much more efficient program than the usual proof. Furthermore, we can recover the natural algorithm that one can write to solve the underlying computational problem if we use a datatype as forcing poset.

La réalisabilité classique de Jean-Louis Krivine associe à chaque modèle de calcul et chaque modèle de la théorie des ensembles un nouveau modèle de la théorie des ensembles, appelé modèle de réalisabilité, d'une façon similaire au forcing. Chaque modèle de réalisabilité est muni d’une algèbre de Boole caractéristique $\gimel 2$ (gimel 2), dont la structure donne des informations sur les propriétés du modèle de réalisabilité. En particulier, les modèles de forcing correspondent au cas où $\gimel 2$ est l'algèbre de Boole à deux éléments.Ce travail présente de nouveaux outils pour manipuler les modèles de réalisabilité et donne de nouveaux résultats obtenus en les exploitant. L'un d'entre eux est qu'au premier ordre, la théorie des algèbres de Boole à au moins deux éléments est complète pour $\gimel 2$, au sens où $\gimel 2$ eut être rendue élémentairement équivalente à n'importe quelle algèbre de Boole. Deux autres résultats montrent que $\gimel 2$ peut être utilisée pour étudier les modèles dénotationnels de langage de programmation (chacun part d'un modèle dénotationnel et classifie ses degrés de parallélisme à l'aide de $\gimel 2$). Un autre résultat montre que la technique de Jean-Louis Krivine pour réaliser l'axiome des choix dépendants à partir de l'instruction quote peut se généraliser à des formes plus fortes de choix. Enfin, un dernier résultat, obtenu en collaboration avec Laura Fontanella, accompagne le précédent en adaptant la condition d'antichaîne dénombrable du forcing au cadre de la réalisabilité, ce qui semble semble ouvrir une piste prometteuse pour réaliser l'axiome du choix. / Jean-Louis Krivine's classical realizability defines, from any given model of computation and any given model of set theory, a new model of set theory called the realizability model, in a similar way to forcing. Each realizability model is equipped with a characteristic Boolean algebra $\gimel 2$ (gimel 2), whose structure encodes important information about the properties of the realizability model. For instance, forcing models are precisely the realizability models in which $\gimel 2$ is the Boolean algebra with to elements.This document defines new tools for studying realizability models and exploits them to derive new results. One such result is that, as far as first-order logic is concerned, the theory of Boolean algebras with at least two elements is complete for $\gimel 2$, meaning that for each Boolean algebra B (with at least two elements), there exists a realizability model in which $\gimel 2$ is elementarily equivalent to B. Next, two results show that $\gimel 2$ can be used as a tool to study denotational models of programming languages (each one of them takes a particular denotational model and classifies its degrees of parallelism using $\gimel 2$). Moving to set theory, another results generalizes Jean-Louis Krivine's technique of realizing the axiom of dependant choices using the instruction quote to higher forms of choice. Finally, a last result, which is joint work with Laura Fontanella, complements the previous one by adapting the countable antichain condition from forcing to classical realizability, which seems to open a new, promising approach to the problem of realizing the full axiom of choice.

Cette thèse se consacre à l'application de techniques de réalisabilité dans le cadre de l'étude du sens calculatoire de la logique. Dans une première partie, nous rappelons le formalisme de la réalisabilité classique de Krivine, dans lequel nous menons ensuite une étude du contenu opérationnel de tautologies purement classiques. Cette exploration du sens calculatoire de la disjonction classique révèle des comportements riches, avec une forte intuition interactive, qui s'interprètent avantageusement comme des structures de contrôle typées. Afin de mieux comprendre la nature de ces mécanismes, nous définissons ensuite une technique de réalisabilité à la Krivine pour un modèle de calcul concurrent, dans le but d'obtenir une notion de constructivité qui ne soit plus fondée sur l'idée de fonction, mais sur celle de processus interactif. Le cadre ainsi obtenu donne une interprétation réellement concurrente de la logique linéaire dans un calcul de processus dérivé du pi-calcul, permettant d'appliquer au cas concurrent la méthode de spécification précédemment étudiée dans le cas séquentiel. Par la suite, l'étude des traductions de la logique classique vers la logique linéaire mène à reconstruire systématiquement des décompositions interactives du calcul fonctionnel, permettant ainsi de faire le lien au niveau logique entre les réalisabilités classique et concurrente. Dans une dernière partie, nous étudions plus en détail le mode de calcul issu des algèbres de processus, afin de comprendre son système d'ordonnancement. Cette étude mène à la définition d'un modèle de calcul plus géométrique qui permet une exploration formelle de la notion de causalité dans les calculs concurrents.

Cette thèse porte sur l'étude théorique et pratique d'un système de typage appliqué à la preuve de programmes de style fonctionnels. Le système de base est le système ST créé par C.Raffalli; il comporte, outre le polymorphisme, du sous-typage et de l'omission de contenu non-algorithmique. Nous étudions tout d'abord les modèles de la théorie définie par le système de types, en construisant une axiomatique basée sur les treillis permettant de modéliser le calcul et la logique. Nous étudions sur cette base le système de types, montrons la réduction du sujet, et la possibilité de définir en interne la normalisabilité et la réductibilité des programmes. Dans la suite de la thèse, plus appliquée, nous étudions des codages de types de données riches inspirés des langages fonctionnels - y incluant notamment un système de modules du premier ordre- dans le Lambda-Calcul, et montrons qu'ils s'intègrent harmonieusement dans le système; la méthodologie développée dans cette partie permet d'étendre le langage de types et le langage de programmation en conservant un critère de consistance assurant la sûreté du code typé.

Cette thèse porte sur l'adaptation de la réalisabilité et la paramétricité au cas des types dépendants dans le cadre des Systèmes de Types Purs. Nous décrivons une méthode systématique pour construire une logique à partir d'un langage de programmation, tous deux décrits comme des systèmes de types purs. Cette logique fournit des formules pour exprimer des propriétés des programmes et elle offre un cadre formel adéquat pour développer une théorie de la réalisabilité au sein de laquelle les réalisateurs des formules sont exactement les programmes du langage de départ. Notre cadre permet alors de considérer les théorèmes de représentation pour le système T de Gödel et le système F de Girard comme deux instances d'un théorème plus général.Puis, nous expliquons comment les relations logiques de la théorie de la paramétricité peuvent s'exprimer en terme de réalisabilité, ce qui montre que la logique engendrée fournit un cadre adéquat pour développer une théorie de la paramétricité du langage de départ. Pour finir, nous montrons comment cette théorie de la paramétricité peut-être adaptée au système sous-jacent à l'assistant de preuve Coq et nous donnons un exemple d'application original de la paramétricité à la formalisation des mathématiques.

Cette thèse étudie deux modèles de réalisabilité pour la logique classique construits sur la sémantique des jeux HO, interprétant la logique, l'arithmétique et l'analyse classiques directement par des programmes manipulant un espace de stockage d'ordre supérieur.La non-innocence en jeux HO autorise les références d'ordre supérieur, et le non parenthésage révèle la CPS des jeux HO et fournit une catégorie de continuations dans laquelle interpréter le lambda-mu calcul de Parigot. Deux modèles de réalisabilité sont construits sur cette interprétation calculatoire directe des preuves classiques.Le premier repose sur l'orthogonalité, comme celui de Krivine, mais il est simplement typé et au premier ordre. En l'absence de codage de l'absurdité au second ordre, une mu-variable libre dans les réaliseurs permet l'extraction. Nous définissons un bar-récurseur et prouvons qu'il réalise l'axiome du choix dépendant, utilisant deux conséquences de la structure de CPO du modèle de jeux: toute fonction sur les entiers (même non calculable) existe dans le modèle, et toute fonctionnelle sur des séquences est Scott-continue. La bar-récursion est habituellement utilisée pour réaliser intuitionnistiquement le « double negation shift » et en déduire la traduction négative de l'axiome du choix. Ici, nous réalisons directement l'axiome du choix dans un cadre classique.Le second, très spécifique au modèle de jeux, repose sur des conditions de gain: des ensembles de positions d'un jeu munis de propriétés de cohérence. Un réaliseur est alors une stratégie dont les positions sont toutes gagnantes. / This thesis investigates two realizability models for classical logic built on HO game semantics. The main motivation is to have a direct computational interpretation of classical logic, arithmetic and analysis with programs manipulating a higher-order store.Relaxing the innocence condition in HO games provides higher-order references, and dropping the well-bracketing of strategies reveals the CPS of HO games and gives a category of continuations in which we can interpret Parigot's lambda-mu calculus. This permits a direct computational interpretation of classical proofs from which we build two realizability models.The first model is orthogonality-based, as the one of Krivine. However, it is simply-typed and first-order. This means that we do not use a second-order coding of falsity, and extraction is handled by considering realizers with a free mu-variable. We provide a bar-recursor in this model and prove that it realizes the axiom of dependent choice, relying on two consequences of the CPO structure of the games model: every function on natural numbers (possibly non computable) exists in the model, and every functional on sequences is Scott-continuous. Usually, bar-recursion is used to intuitionistically realize the double negation shift and consequently the negative translation of the axiom of choice. Here, we directly realize the axiom of choice in a classical setting.The second model relies on winning conditions and is very specific to the games model. A winning condition is a set of positions in a game which satisfies some coherence properties, and a realizer of a formula is then a strategy which positions are all winning.

Cette thèse s'intéresse au contenu calculatoire des preuves classiques, et plus spécifiquement aux preuves avec effets de bord et à la réalisabilité classique de Krivine. Le manuscrit est divisé en trois parties, dont la première consiste en une introduction étendue des concepts utilisés par la suite. La seconde partie porte sur l’interprétation calculatoire de l’axiome du choix dépendant en logique classique. Ce travail s'inscrit dans la continuité du système dPAω d'Hugo Herbelin, qui permet d’adapter la preuve constructive de l’axiome du choix en théorie des types de Martin-Löf pour en faire une preuve constructive de l’axiome du choix dépendant dans un cadre compatible avec la logique classique. L'objectif principal de cette partie est de démontrer la propriété de normalisation pour dPAω, sur laquelle repose la cohérence du système. La difficulté d'une telle preuve est liée à la présence simultanée de types dépendants (pour la partie constructive du choix), d'opérateurs de contrôle (pour la logique classique), d'objets co-inductifs (pour "encoder" les fonctions de type N → A par des streams (a₀,a₁,...)) et d'évaluation paresseuse avec partage (pour ces objets co-inductifs). Ces difficultés sont étudiées séparément dans un premier temps. En particulier, on montre la normalisation du call-by-need classique (présenté comme une extension du λµµ̃-calcul avec des environnements partagé), en utilisant notamment des techniques de réalisabilité à la Krivine. On développe ensuite un calcul des séquents classique avec types dépendants, définie comme une adaptation du λµµ̃-calcul, dont la correction est prouvée à l'aide d'une traduction CPS tenant compte des dépendances. Enfin, une variante en calcul des séquents du système dPAω est introduite, combinant les deux points précédents, dont la normalisation est finalement prouvée à l'aide de techniques de réalisabilité. La dernière partie, d'avantage orientée vers la sémantique, porte sur l’étude de la dualité entre l’appel par nom (call-by-name) et l’appel par valeur (call-by-value) dans un cadre purement algébrique inspiré par les travaux autour de la réalisabilité classique (et notamment les algèbres de réalisabilité de Krivine). Ce travail se base sur une notion d'algèbres implicatives développée par Alexandre Miquel, une structure algébrique très simple généralisant à la fois les algèbres de Boole complètes et les algèbres de réalisabilité de Krivine, de manière à exprimer dans un même cadre la théorie du forcing (au sens de Cohen) et la théorie de la réalisabilité classique (au sens de Krivine). Le principal défaut de cette structure est qu’elle est très orientée vers le λ-calcul, et ne permet d’interpréter fidèlement que les langages en appel par nom. Pour remédier à cette situation, on introduit deux variantes des algèbres implicatives les algèbres disjonctives, centrées sur le “par” de la logique linéaire (mais dans un cadre non linéaire) et naturellement adaptées aux langages en appel par nom, et les algèbres conjonctives, centrées sur le “tenseur” de la logique linéaire et adaptées aux langages en appel par valeur. On prouve en particulier que les algèbres disjonctives ne sont que des cas particuliers d'algèbres implicatives et que l'on peut obtenir une algèbre conjonctive à partir d'une algèbre disjonctive (par renversement de l’ordre sous-jacent). De plus, on montre comment interpréter dans ces cadres les fragments du système L de Guillaume Munch-Maccagnoni en appel par valeur (dans les algèbres conjonctives) et en appel par nom (dans les algèbres disjonctives). / This thesis focuses on the computational content of classical proofs, and specifically on proofs with side-effects and Krivine classical realizability. The manuscript is divided in three parts, the first of which consists of a detailed introduction to the concepts used in the sequel.The second part deals with the computational content of the axiom of dependent choice in classical logic. This works is in the continuity of the system dPAω developed Hugo Herbelin. This calculus allows us to adapt the constructive proof of the axiom of choice in Martin-Löf's type theory in order to turn it into a constructive proof of the axiom of dependent choice in a setting compatible with classical logic. The principal goal of this part is to prove the property of normalization for dPAω, on which relies the consistency of the system. Such a proof is hard to obtain, due to the simultaneous presence of dependent types (for the constructive part of the choice), of control operators (for classical logic), of co-inductive objects (in order to "encode" functions of type N → A as streams (a₀,a₁,...)) and of lazy evaluation with sharing (for this co-inductive objects). These difficulties are first studied separately. In particular, we prove the normalization of classical call-by-need (presented as an extension of the λµ̃µ-calculus with shared environments) by means of realizability techniques. Next, we develop a classical sequent calculus with dependent types, defined again as an adaptation of the λµ̃µ-calculus, whose soundness is proved thanks to a CPS translation which takes the dependencies into account. Last, a sequent-calculus variant of dPAω is introduced, combining the two previous systems. Its normalization is finally proved using realizability techniques. The last part, more oriented towards semantics, studies the duality between the call-by-name and the call-by-value evaluation strategies in a purely algebraic setting, inspired from several works around classical realizability (and in particular Krivine realizability algebras). This work relies on the notion of implicative algebras developed by Alexandre Miquel, a very simple algebraic structure generalizing at the same time complete Boolean algebras and Krivine realizability algebras, in such a way that it allows us to express in a same setting the theory of forcing (in the sense of Cohen) and the theory of classical realizability (in the sense of Krivine). The main default of these structures is that they are deeply oriented towards the λ-calculus, and that they only allows to faithfully interpret languages in call-by-name. To remediate the situation, we introduce two variants of implicative algebras: disjunctive algebras, centered on the "par" connective of linear logic (but in a non-linear framework) and naturally adapted to languages in call-by-name; and conjunctives algebras, centered on the "tensor" connective of linear logic and adapted to languages in call-by-value. Amongst other things, we prove that disjunctive algebras are particular cases of implicative algebras and that conjunctive algebras can be obtained from disjunctive algebras (by reversing the underlying order). Moreover, we show how to interpret in these frameworks the fragments of Guillaume Munch-Maccagnoni's system L corresponding to a call-by-value calculus (within conjunctive algebras) and to a call-by-name calculus (within disjunctive algebras).

L'ingénierie orientée services est un nouveau paradigme pour développer des logiciels distribués et collaboratifs. Un tel logiciel se compose de plusieurs entités, appelés services, chacun d'entre eux étant par exemple une application Web, un service Web, ou même un humain. Les services peuvent être développés indépendamment et sont composés pour atteindre quelques exigences. Les chorégraphies de service définissent ces exigences avec une perspective globale, basée sur les interactions entre des participants qui sont implémentés en tant que services. Cette thèse vise à formaliser des problèmes et tente d'élaborer un environnement intégré avec lequel les chorégraphies de services peuvent être développés correctement pour les deux types d'approches de développement: l'approche descendante et l'approche ascendante. Elle consiste à analyser la relation entre une spécification de chorégraphie et une implémentation de la chorégraphie au niveau du modèle et aussi au niveau de l'implémentation réelle. Particulièrement, il s'agit de la composition/décomposition des services, la vérification, et le test de l'implémentation de chorégraphie. Le premier point-clé de notre environnement intégré est de représenter le passage de valeurs entre les services en utilisant la technique symbolique et un solveur SMT. Cette technique nous permet de réduire les faux négatifs et de contourner le problème d'explosion combinatoire de l'espace d'états, ces problèmes sont durs à l'abstraction et à l'énumération des valeurs pour les approches existantes basées données. Le second point-clé est le test passif boîte noire de l'implémentation de chorégraphie. Il ne nécessite pas d'accéder au code source, ni de rendre indisponible l'implémentation pendant le processus de test. Notre environnement intégré est mis en œuvre dans nos outils qui sont disponibles en téléchargement ou à utiliser en ligne à l’adresse http://schora.lri.fr. / Service-oriented engineering is an emerging software development paradigm for distributed collaborative applications. Such an application is made up of several entities abstracted as services, each of them being for example a Web application, a Web service, or even a human. The services can be developed independently and are composed to achieve common requirements through interactions among them. Service choreographies define such requirements from a global perspective, based on interactions among a set of participants. This thesis aims to formalize the problems and attempts to develop a framework by which service choreographies can be developed correctly for both top-down and bottom-up approaches. It consists in analyzing the relation between a choreography specification and a choreography implementation at both model level and real implementation level. Particularly, it concerns the composition/decomposition service design, the verification, and the testing of choreography implementation. The first key point of our framework is to support value-passing among services by using symbolic technique and SMT solver. It overcomes false negatives or state space explosion issues due by abstracting or limiting the data domain of value-passing in existing approaches. The second key point is the black-box passive testing of choreography implementation. It does not require neither to access to source codes nor to make the implementation unavailable during the testing process. Our framework is fully implemented in our toolchains, which can be downloaded or used online at address: http://schora.lri.fr.