Compositional synthesis of reactive systems

Abstract

Synthesis is the task of automatically deriving correct-by-construction implementations from formal specifications. While it is a promising path toward developing verified programs, it is infamous for being hard to solve. Compositionality is recognized as a key technique for reducing the complexity of synthesis. So far, compositional approaches require extensive manual effort. In this thesis, we introduce algorithms that automate these steps. In the first part, we develop compositional synthesis techniques for distributed systems. Providing assumptions on other processes' behavior is fundamental in this setting due to inter-process dependencies. We establish delay-dominance, a new requirement for implementations that allows for implicitly assuming that other processes will not maliciously violate the shared goal. Furthermore, we present an algorithm that computes explicit assumptions on process behavior to address more complex dependencies. In the second part, we transfer the concept of compositionality from distributed to single-process systems. We present a preprocessing technique for synthesis that identifies independently synthesizable system components. We extend this approach to an incremental synthesis algorithm, resulting in more fine-grained decompositions. Our experimental evaluation shows that our techniques automate the required manual efforts, resulting in fully automated compositional synthesis algorithms for both distributed and single-process systems.

Synthese ist die Aufgabe korrekte Implementierungen aus formalen Spezifikation abzuleiten. Sie ist zwar ein vielversprechender Weg für die Entwicklung verifizierter Programme, aber auch dafür bekannt schwer zu lösen zu sein. Kompositionalität gilt als eine Schlüsseltechnik zur Verringerung der Komplexität der Synthese. Bislang erfordern kompositionale Ansätze einen hohen manuellen Aufwand. In dieser Dissertation stellen wir Algorithmen vor, die diese Schritte automatisieren. Im ersten Teil entwickeln wir kompositionale Synthesetechniken für verteilte Systeme. Aufgrund der Abhängigkeiten zwischen den Prozessen ist es in diesem Kontext von grundlegender Bedeutung, Annahmen über das Verhalten der anderen Prozesse zu treffen. Wir etablieren Delay-Dominance, eine neue Anforderung für Implementierungen, die es ermöglicht, implizit anzunehmen, dass andere Prozesse das gemeinsame Ziel nicht böswillig verletzen. Darüber hinaus stellen wir einen Algorithmus vor, der explizite Annahmen über das Verhalten anderer Prozesse ableitet, um komplexere Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Im zweiten Teil übertragen wir das Konzept der Kompositionalität von verteilten auf Einzelprozesssysteme. Wir präsentieren eine Vorverarbeitungmethode für die Synthese, die unabhängig synthetisierbare Systemkomponenten identifiziert. Wir erweitern diesen Ansatz zu einem inkrementellen Synthesealgorithmus, der zu feineren Dekompositionen führt. Unsere experimentelle Auswertung zeigt, dass unsere Techniken den erforderlichen manuellen Aufwand automatisieren und so zu vollautomatischen Algorithmen für die kompositionale Synthese sowohl für verteilte als auch für Einzelprozesssysteme führen.