ВКР ФИТ НГУ Разработка генератора условий корректности для языка poST

Методология разработки генератора условий корректности для процесс-ориентированных программ

Актуальность формальной верификации процесс-ориентированных программ для вашей ВКР

Студенты ФИТ НГУ, работающие над темами формальной верификации, сталкиваются с проблемой отсутствия инструментов автоматической генерации условий корректности для языка poST. Создание такого генератора требует глубокого понимания как семантики process-ориентированного программирования, так и методов дедуктивной верификации, что представляет значительную сложность для самостоятельной реализации.

Особую трудность составляет преобразование императивных конструкций poST в формальные условия, пригодные для анализа автоматическими доказателями теорем. Многие студенты недооценивают объем работ по созданию системы трансформации AST и генерации условий в форматах, поддерживаемых современными солверами. В этой статье мы представим комплексный подход к разработке такого генератора с практическими примерами на Java и Xtext.

Срочная помощь по вашей теме: Получите консультацию за 10 минут! Telegram: @Diplomit Телефон/WhatsApp: +7 (987) 915-99-32, Email: admin@diplom-it.ru

Оформите заказ онлайн: Заказать ВКР ФИТ НГУ

Архитектура системы генерации условий корректности

Многоуровневая система преобразования poST-программ

Эффективный генератор условий корректности должен включать следующие компоненты:

• Парсер и AST-генератор — разбор исходного кода на poST
• Анализатор семантики — построение графа потока управления
• Генератор условий верификации — создание утверждений для солверов
• Экспортер форматов — вывод в языки доказателей (Why3, Frama-C)
• Интегратор солверов — запуск и анализ результатов верификации

Реализация парсера на Xtext

Грамматика языка poST с поддержкой верификации

Рассмотрим расширенную грамматику poST с аннотациями для верификации:

grammar ru.diplom.post.verification.PostLanguage with org.eclipse.xtext.common.Terminals
generate postLanguage "http://www.diplom-it.ru/PostLanguage"
Program:
    'PROGRAM' name=ID
    (annotations+=Annotation)*
    vars+=VarDeclaration*
    processes+=Process+;
Annotation:
    '@Requires' condition=Expression |
    '@Ensures' condition=Expression |
    '@Invariant' condition=Expression |
    '@Decreases' expression=Expression;
VarDeclaration:
    'VAR' 
    (vars+=VariableDecl (',' vars+=VariableDecl)*)
    'END_VAR';
VariableDecl:
    name=ID ':' type=Type;
Process:
    'PROCESS' name=ID
    (annotations+=Annotation)*
    states+=State+;
State:
    'STATE' name=ID ':'
    (transitions+=Transition)*
    'END_STATE';
Transition:
    (guard=Expression)?
    'NEXT_STATE' nextState=[State];
// Пример аннотированной poST-программы
PROGRAM TrafficLight
@Invariant(red_light && !green_light || !red_light && green_light)
@Invariant(!(red_light && green_light))
VAR
    red_light: BOOL;
    green_light: BOOL;
    timer: INT;
END_VAR
PROCESS control
STATE red:
    @Requires(!green_light)
    @Ensures(red_light && !green_light)
    red_light := TRUE;
    green_light := FALSE;
    timer := 30;
    NEXT_STATE green;
STATE green:
    @Requires(!red_light)
    @Ensures(!red_light && green_light)
    red_light := FALSE;
    green_light := TRUE;
    timer := 25;
    NEXT_STATE red;
END_STATE
END_PROCESS
END_PROGRAM

Генерация условий верификации в формате Why3

Преобразование process-ориентированной семантики в логические условия

// Генератор условий корректности на Java
public class CorrectnessConditionGenerator {
    private final PostProgram program;
    private final StringBuilder why3Code = new StringBuilder();
    public CorrectnessConditionGenerator(PostProgram program) {
        this.program = program;
    }
    public String generateWhy3Conditions() {
        generatePreamble();
        generateTypeDeclarations();
        generateGlobalInvariants();
        generateProcessConditions();
        generateVerificationGoals();
        return why3Code.toString();
    }
    private void generatePreamble() {
        why3Code.append("theory ").append(program.getName()).append("\n\n");
        why3Code.append("use import bool.Bool\n");
        why3Code.append("use import int.Int\n");
        why3Code.append("use import real.Real\n\n");
    }
    private void generateTypeDeclarations() {
        for (VariableDecl var : program.getVars()) {
            why3Code.append("function ").append(var.getName())
                   .append(": ").append(mapType(var.getType())).append("\n");
        }
        why3Code.append("\n");
    }
    private void generateGlobalInvariants() {
        for (Annotation annotation : program.getAnnotations()) {
            if (annotation instanceof InvariantAnnotation) {
                String condition = translateExpression(
                    ((InvariantAnnotation) annotation).getCondition());
                why3Code.append("axiom invariant_").append(annotationCount++)
                       .append(": ").append(condition).append("\n");
            }
        }
    }
    private void generateProcessConditions() {
        for (Process process : program.getProcesses()) {
            generateStateInvariants(process);
            generateTransitionConditions(process);
        }
    }
    private void generateStateInvariants(Process process) {
        for (State state : process.getStates()) {
            for (Annotation annotation : state.getAnnotations()) {
                if (annotation instanceof RequiresAnnotation) {
                    String condition = translateExpression(
                        ((RequiresAnnotation) annotation).getCondition());
                    why3Code.append("predicate requires_").append(state.getName())
                           .append(" = ").append(condition).append("\n");
                } else if (annotation instanceof EnsuresAnnotation) {
                    String condition = translateExpression(
                        ((EnsuresAnnotation) annotation).getCondition());
                    why3Code.append("predicate ensures_").append(state.getName())
                           .append(" = ").append(condition).append("\n");
                }
            }
        }
    }
    private void generateTransitionConditions(Process process) {
        for (State state : process.getStates()) {
            for (Transition transition : state.getTransitions()) {
                generateTransitionVerificationCondition(state, transition);
            }
        }
    }
    private void generateTransitionVerificationCondition(State state, Transition transition) {
        String precondition = "requires_" + state.getName();
        String postcondition = "ensures_" + transition.getNextState().getName();
        String guard = transition.getGuard() != null ? 
                      translateExpression(transition.getGuard()) : "true";
        why3Code.append("goal transition_").append(state.getName())
               .append("_to_").append(transition.getNextState().getName())
               .append(":\n  forall ").append(generateQuantifiedVariables())
               .append(".\n  ").append(precondition).append(" -> ")
               .append(guard).append(" -> ")
               .append(postcondition).append("\n\n");
    }
    private String translateExpression(Expression expr) {
        // Рекурсивный перевод выражений poST в Why3
        PostToWhy3ExpressionTranslator translator = 
            new PostToWhy3ExpressionTranslator();
        return expr.accept(translator);
    }
}
// Пример сгенерированного кода Why3
theory TrafficLight
use import bool.Bool
use import int.Int
function red_light: bool
function green_light: bool
function timer: int
axiom invariant_1: red_light && not green_light || not red_light && green_light
axiom invariant_2: not (red_light && green_light)
predicate requires_red = not green_light
predicate ensures_red = red_light && not green_light
predicate requires_green = not red_light  
predicate ensures_green = not red_light && green_light
goal transition_red_to_green:
  forall red_light: bool, green_light: bool, timer: int.
  requires_red -> true -> ensures_green
goal transition_green_to_red:
  forall red_light: bool, green_light: bool, timer: int.
  requires_green -> true -> ensures_red
end

Методы дедуктивной верификации process-ориентированных программ

Таксономия подходов к доказательству свойств корректности

Почему 150+ студентов выбрали нас в 2025 году

• Оформление по всем требованиям вашего вуза (мы изучаем 30+ методичек ежегодно)
• Поддержка до защиты включена в стоимость
• Доработки без ограничения сроков
• Гарантия уникальности 90%+ по системе "Антиплагиат.ВУЗ"

Интеграция с системами автоматического доказательства

Поддержка различных бэкендов для верификации

// Адаптер для интеграции с солверами
public class SolverIntegrationService {
    private final List<SolverAdapter> solvers = Arrays.asList(
        new Why3SolverAdapter(),
        new FramaCSolverAdapter(),
        new Z3SolverAdapter()
    );
    public VerificationResult verifyProgram(PostProgram program) {
        CorrectnessConditionGenerator generator = 
            new CorrectnessConditionGenerator(program);
        String verificationConditions = generator.generateWhy3Conditions();
        VerificationResult aggregateResult = new VerificationResult();
        for (SolverAdapter solver : solvers) {
            try {
                VerificationResult result = solver.verify(verificationConditions);
                aggregateResult.merge(result);
            } catch (SolverException e) {
                aggregateResult.addError("Ошибка солвера " + 
                    solver.getName() + ": " + e.getMessage());
            }
        }
        return aggregateResult;
    }
}
// Адаптер для Why3
public class Why3SolverAdapter implements SolverAdapter {
    @Override
    public VerificationResult verify(String why3Code) throws SolverException {
        // Сохранение временного файла
        Path tempFile = Files.createTempFile("verification_", ".why");
        Files.write(tempFile, why3Code.getBytes());
        // Запуск Why3
        ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("why3", "prove", 
            "-P", "z3", tempFile.toString());
        Process process = pb.start();
        // Анализ результатов
        String output = readProcessOutput(process);
        return parseWhy3Output(output);
    }
    private VerificationResult parseWhy3Output(String output) {
        VerificationResult result = new VerificationResult();
        // Парсинг вывода Why3
        if (output.contains("Valid")) {
            result.setOverallStatus(VerificationStatus.VALID);
        } else if (output.contains("Unknown")) {
            result.setOverallStatus(VerificationStatus.UNKNOWN);
        } else if (output.contains("Timeout")) {
            result.setOverallStatus(VerificationStatus.TIMEOUT);
        } else {
            result.setOverallStatus(VerificationStatus.INVALID);
        }
        // Извлечение информации о конкретных целях
        extractGoalResults(output, result);
        return result;
    }
}
// Сервис верификации с поддержкой инкрементального анализа
@Service
public class IncrementalVerificationService {
    public IncrementalVerificationResult verifyIncrementally(
            PostProgram program, 
            Set<String> modifiedProcesses) {
        IncrementalVerificationResult result = 
            new IncrementalVerificationResult();
        // Генерация условий только для измененных процессов
        for (String processName : modifiedProcesses) {
            Process process = program.getProcess(processName);
            if (process != null) {
                VerificationResult processResult = 
                    verifySingleProcess(process);
                result.addProcessResult(processName, processResult);
            }
        }
        // Проверка глобальных инвариантов
        VerificationResult globalResult = verifyGlobalInvariants(program);
        result.setGlobalResult(globalResult);
        return result;
    }
    private VerificationResult verifySingleProcess(Process process) {
        ProcessConditionGenerator generator = 
            new ProcessConditionGenerator(process);
        String conditions = generator.generateConditions();
        return solverIntegration.verify(conditions);
    }
}

Обработка сложных конструкций poST

Генерация условий для продвинутых языковых конструкций

Конструкция: Вложенные процессы и синхронизация

Метод генерации: Создание условий взаимного исключения и проверка отсутствия взаимных блокировок через инварианты взаимодействия

Конструкция: Временные задержки и таймеры

Метод генерации: Введение временных переменных и генерация условий временной корректности с использованием темпоральной логики

Конструкция: Разделяемые ресурсы и критические секции

Метод генерации: Генерация условий атомарности и проверка согласованности данных при параллельном доступе

Визуализация результатов верификации

Интеграция с Eclipse для интерактивной отладки

Для эффективной работы с результатами верификации система должна предоставлять:

1. Подсветку статуса верификации — визуальная индикация доказанных/недоказанных условий
2. Навигацию по контрпримерам — переход к проблемным местам в исходном коде
3. Интерактивное доказательство — ручное руководство солвером для сложных условий
4. Статистику верификации — отслеживание прогресса и сложности доказательств
5. Экспорт отчетов — генерация документации по результатам верификации

Примеры успешных реализаций можно изучить в нашем разделе выполненных работ.

Срочная помощь по вашей теме: Получите консультацию за 10 минут! Telegram: @Diplomit Телефон/WhatsApp: +7 (987) 915-99-32, Email: admin@diplom-it.ru

Оформите заказ онлайн: Заказать ВКР ФИТ НГУ

Заключение

Разработка генератора условий корректности для языка poST представляет собой сложную задачу, требующую интеграции знаний в области компиляторостроения, формальных методов и автоматического доказательства теорем. Представленные методики и практические примеры позволяют создать эффективную систему преобразования process-ориентированных программ в формальные условия, пригодные для дедуктивной верификации современными солверами.

Если вы столкнулись со сложностями в реализации парсера на Xtext, генерации условий верификации или интеграции с системами автоматического доказательства — обратитесь к нашим специалистам. Мы обеспечим не только качественное выполнение работы, но и полное соответствие гарантиям и требованиям ФИТ НГУ.

Дополнительные материалы для изучения:

• Актуальные темы дипломных работ по прикладной информатике
• Современные направления в информатике для ВКР
• Актуальные темы для диплома по информационным системам

Наши услуги и гарантии:

• Условия работы и как сделать заказ
• Наши гарантии
• Отзывы наших клиентов
• Примеры выполненных работ