若干算法程序的形式化推导与生成技术研究

PAR方法基于分划与递推、量词变换规则、循环不变式开发新策略和软件转换工具,实现了复杂算法问题的形式化开发.采用PAR方法形式化推导几个典型的算法问题.通过量词变换规则对程序规约进行形式化推导,可以得到具有数学引用透明性、易于形式化证明的求解算法问题的递推关系;并在此基础上,自然地导出循环不变式.在得到简短、易于理解、高可靠性的Apla算法程序之后,通过转换工具自动生成Java,C 等可执行程序.     

后序遍历二叉树非递归算法的推导及形式化证明

开发涉及非线性数据结构算法程序的循环不变式一直是形式化方法的难点。本文使用PAR方法开发循环不变式的新策略,对后序遍历二叉树问题循环不变式的开发使用递归定义技术,得到了该问题循环不变式的简单精确的表达形式,简化了算法程序的推导和证明过程;利用PAR平台提供的抽象程序设计语言Ap1a中的数据抽象机制,使所得的算法程序结构简洁清晰且易于证明;最后,使用Dijkstra-Gries标准程序证明法形式证明了该问题的核心算法程序(只有4行代码),并使用PAR平台将Apla程序转换成正确的C++代码。实例的成功进一步说明PAR方法提供的循环不变式的开发技术对推导和证明非线性数据结构算法程序的有效性。     

基于算法框架的可重用部件设计与实现

对算法程序的功能规约进行等价变换,可以自然而且方便地得到求解问题设计思想的精确表达,即循环不变式。抽象算法又可以通过循环不变式获得。对算法程序中的算子进行提取、抽象就可以得到算法框架,而算法框架可以设计出可重用部件。文章通过对数组段极值问题的求解,展示了形式化推导不仅可以得到正确、高效的算法程序,而且具有软件重用的功能,并进一步给出了利用可重用部件求解数组段极值问题的C++实现。     

循环不变式开发技术研究

高可靠性软件是当今软件开发的热点问题。确保算法程序逻辑结构正确最理想的途径是算法程序的形式化推导和证明,而循环不变式是算法程序形式推导和证明的关键。循环不变式的开发一直是算法程序设计领域中最具挑战性、最富有创造性、也是最困难的问题之一。本文研究了众多现有循环不变式开发方法中较为典型的几种方法,指出了它们的基本原理、技术难点、特点及效果,旨在探寻循环不变式本质特征,从而为研究更简单、有效的生成方法提出指导。     

一种形式化开发非递归算法的方法*

提出了一种简单、统一的形式化开发非递归算法的方法.该方法直接面向非递归算法,在形式化方法PAR的指导下,使用循环不变式的开发新策略,在得到求解递归问题的循环不变式的同时,能直接得到易读、高效且可靠的非递归算法,并通过一个具体实例进行了阐述.对使用形式化方法及循环不变式开发新策略开发非递归算法的方法作了较深入的实践和探讨.     

形式化开发Hanoi塔问题非递归算法

使用形式化方法PAR及循环不变式开发新策略,开发了Hanoi塔问题非递归算法,并对其进行了形式化地正确性证明。本文直接面向非递归算法,在得到求解Hanoi塔问题的循环不变式的同时,直接得到易读、高效且可靠的非递归算法。对使用形式化方法及循环不变式开发新策略开发非递归算法作了较深入的实践和探讨。     

基于不变式生成的循环停机性验证

循环的停机性验证是程序验证中的一个难点。程序不变式用来描述程序变量的取值关系,其中线性不变式可以帮助描述程序变量间的线性关系,循环不变式能够有效刻画循环中的变量关系。本文基于线性不变式和多项式循环不变式的生成,将循环的停机性验证转化为求解一个最优化问题,给出了一个实用的程序停机性验证框架。基于该框架可以自动地验证程序的停机性,并给出循环的复杂度上界。实验结果说明了该方法的实用性。     

非线性循环不变式的自动生成

提出了一个自动生成非线性循环不变式的算法。循环不变式可以表示成一个带参数的多项式的形式,根据断言的归纳特性,将循环不变式的生成问题转变成一个约束求解问题,这个约束求解问题的每个解对应于一个循环不变式,如果约束求解问题仅有零解,则说明不存在该参数多项式形式的循环不变式。该算法在Maple中得到了实现,并通过一些实例说明了该算法的有效性。     

形式化开发非递归Koch曲线算法

形式化方法是构建可信软件的重要途径。Koch曲线是典型的分形图形。基于形式化方法PAR及循环不变式开发策略,开发了Koch曲线非递归算法,并对其进行了形式化的正确性证明。在得到求解Koch曲线算法的循环不变式的同时,直接得到易读、高效且可靠的非递归算法。对使用形式化方法及循环不变式开发策略开发分形程序非递归算法作了较深入的实践和探讨。     

一类数组算法的演绎综合

1.引言演绎综合是一种形式化开发算法程序的方法,它从给定问题的一个易于理解、简洁明确的规范说明出发(规范说明表达了所要设计程序的目的),通过定理证明,程序变换,演绎推理等手段,形式化地推导出解决问题的正确算法或程序。算法程序演绎综合的基础     

由规格说明到排序算法

本文给出由程序的规格说明变换出程序的一种系统化方法的新概念.对规格说明进行不同的变换可得到不同的不变式形式.这些不变式通过计算最弱前置条件给出了多种相应算法的框架。本文以若干著名的排序算法例示了以上的概念和方法。     

一种高效的算法程序设计方法-PAR方法

利用在长期的算法研究中提出的分划递推法（简称PAR方法）开发了三个问题的算法程序,说明PAR方法不仅为算法设计提供了统一而有效的途径,也为开发循环不变式奠定了基础。     

用Petri网描述程序精化中的循环不变式

形式化方法把程序看成规范,形式化开发方法包括形式规范和规范(程序)的精化.精化演算方法能够通过演算的方式,把规范逐步精化为程序.然而,演化的过程依赖于开发人员的经验,整个过程全部都是手动的.形式化方法的最高目标是软件自动化,使得能从规范自动开发出正确的程序.因而用Petri网来描述程序精化中的循环不变式,希望以此作为软件自动化的一个探索.     

基于数据分类的循环不变式自动生成

生成循环不变式是实现程序验证的关键步骤，但人工撰写循环不变式不仅步骤繁琐且容易出错。为此，提出一种基于数据分类的循环不变式生成方法，可直接为C程序的循环语句自动生成循环不变式。该方法生成循环程序的后置条件，并构造其Hoare三元组，通过收集循环程序执行过程中产生的测试数据，并根据其是否满足循环不变式的三个条件进行分类，从而生成循环不变式。所提出的方法在31个基准测试程序上，与目前比较先进的循环不变式生成方法进行比较分析。实验结果表明，所提出的方法不仅能够为C程序自动生成可验证的循环不变式，而且能够为最多的基准测试程序生成有效的循环不变式。     

用Petri网描述程序精化中的循环不变式

形式化方法把程序看成规范,形式化开发方法包括形式规范和规范（程序）的精化。精化演算方法能够通过演算的方式,把规范逐步精化为程序。然而,演化的过程依赖于开发人员的经验,整个过程全部都是手动的。形式化方法的最高目标是软件自动化,使得能从规范自动开发出正确的程序。因而用Petri网来描述程序精化中的循环不变式,希望以此作为软件自动化的一个探索。     

PAR方法和循环不变式的范畴语义

范畴论对理解程序规约及程序设计和正确性证明十分有用。PAR方法则是建立在严格的数学基础之上的一种统一的算法程序设计方法。循环不变式在循环算法程序的设计中至关重要。使用格理论和范畴论作为工具对PAR方法建立一个理论框架,并对其用范畴论的概念加以解释,从而使得PAR有更强的理论基础。在此基础上引入不动点原理深入刻划循环不变式的含义,循环不变式可以表示为谓词泛函的最小不动点,并从范畴论的角度解释该过程。     

利用循环不变式理解和开发程序

本文论述了循环不变式及其开发技术和程序设计的联系，并通过实例说明循环不变式在理解和开发程序中的巨大作用。     

概率线性时段不变式的统计模型检验

模型检验是软件工程形式化方法的一个重要组成部分,线性时段不变式是形式化方法中表述系统性质的一种重要表达式。对线性时段不变式的模型检验一直是形式化方法研究的一个重要内容。该文提出了一种针对带概率的线性时段不变式的模型检验方法,该方法针对不带有不确定性的概率模型,运用统计模型检验的方法,基于UPPAAL工具实现了概率线性时段不变式的统计模型检验。     

常用循环摘要的自动生成方法及其应用

采用形式化方法证明软件的正确性是保障软件可靠性的有效方法,而对循环语句的分析与验证是形式化证明中的关键,对循环语句的处理一直是程序分析与验证中的一个难点问题.本文提出使用循环语句修改的内存和这些内存中存放的新值来描述循环语句的执行效果,并将该执行效果定义为循环摘要.同时,本文提出了一种自动生成循环摘要的方法,可以为操作常用数据结构的循环自动生成循环摘要,包含嵌套循环.此外,基于循环摘要,我们可以自动生成循环语句的规约,包括循环不变式、循环的前置条件以及循环的后置条件.我们已经实现了自动生成循环摘要以及循环规约的方法,并将它们集成到验证工具Accumulator中,实验表明,我们的方法可以有效地生成循环摘要,并生成多种类型的规约,从而辅助软件程序的形式化证明,提高验证的自动化程度和效率,减轻验证人员的负担.     

基于Isabelle定理证明器算法程序的形式化验证

形式化验证对保证软件的正确性和可靠性具有十分重要的意义。定理机械证明是形式化验证的一个重要研究领域,Isabelle系统是一个被广泛运用的定理证明辅助工具。本文在分析Dijkstra最弱前置谓词理论的基础上,根据PAR方法开发的算法程序循环不变式,提出了一种使用Isabelle定理证明器对算法程序进行机械验证的方法。该方法既克服了传统手工验证过程的繁琐性和易错性等缺点,又达到"提高验证效率和保证算法程序高可信"的目标,具有很好的实用价值。