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[hdrcouchot.git] / annexePromelaProof.tex
1 \JFC{Voir section~\ref{sec:spin:proof}}
2
3 Cette section donne les preuves des deux théorèmes de correction et complétude 
4 du chapitre~\ref{chap:promela}.
5
6
7 \begin{lemma}[Strategy Equivalence]\label{lemma:strategy}
8   Let $\phi$  be a  DDN with strategy  $(S^t)^{t \in  \Nats}$ and $\psi$  be its
9   translation.  There exists an execution of $\psi$ with weak fairness s.t.  the
10   scheduler makes \verb+update_elems+ update elements of $S^t$ at iteration $t$.
11 \end{lemma}
12 \begin{Proof}
13   The proof is direct  for $t=0$. Let us suppose it is  established until $t$ is
14   some $t_0$.  Let  us consider pseudo-periodic strategies.  Thanks  to the weak
15   fairness equity property, \verb+update_elems+ will modify elements of $S^t$ at
16   iteration $t$.
17 \end{Proof}
18
19 In     what     follows,     let     $Xd^t_{ji}$     be     the     value     of
20 \verb+Xd[+$j$\verb+].v[+$i$\verb+]+  after  the   $t^{\text{th}}$  call  to  the
21 function  \verb+fetch_values+.  Furthermore,  let $Y^k_{ij}$  be the  element at
22 index  $k$  in  the  channel  \verb+channels[i].sent[j]+ of  size  $m$,  $m  \le
23 \delta_0$; $Y^0_{ij}$ and $Y^{m-1}_{ij}$ are  respectively the head and the tail
24 of the  channel.  Secondly, let $(M_{ij}^t)^{t \in  \{1, 1.5, 2, 2.5,\ldots\}}$ be a
25 sequence such  that $M_{ij}^t$ is the  partial function that  associates to each
26 $k$, $0 \le k \le  m-1$, the tuple $(Y^k_{ij},a^k_{ij},c^k_{ij})$ while entering
27 into the \verb+update_elems+ at iteration $t$ where
28 % \begin{itemize}
29 % \item
30  $Y^k_{ij}$ is the value of the channel \verb+channels[i].sent[j]+
31   at index $k$,
32 %\item 
33 $a^k_{ij}$ is the date (previous to $t$) when $Y^k_{ij}$ has been added and
34 %\item 
35 $c^k_{ij}$ is the  first date at which the value is  available on $j$. So,
36   the value is removed from the channel $i\rightarrow j$ at date $c^k_{ij}+1$.
37 %\end{itemize}
38 $M_{ij}^t$ has the following signature:
39 \begin{equation*}
40 \begin{array}{rrcl}
41 M_{ij}^t: & 
42 \{0,\ldots, \textit{max}-1\} &\rightarrow & E_i\times \Nats \times \Nats \\
43 & k  \in \{0,\ldots, m-1\} & \mapsto & M_{ij}(k)= (Y^k_{ij},a^k_{ij},c^k_{ij}).
44 \end{array}  
45 \end{equation*}
46
47 Intuitively,  $M_{ij}^t$  is  the  memory  of  \verb+channels[i].sent[j]+  while
48 starting the iteration $t$.  Notice that the domain of any $M_{ij}^1$ is $\{0\}$
49 and   $M_{ij}^1(0)=(\verb+Xp[i]+,0,0)$:    indeed,   the   \verb+init+   process
50 initializes \verb+channels[i].sent[j]+ with \verb+Xp[i]+.
51
52 Let us  show how  to make the  indeterminism inside the  two functions\linebreak
53 \verb+fetch_values+  and  \verb+diffuse_values+  compliant with  \Equ{eq:async}.
54 The  function   $M_{ij}^{t+1}$  is  obtained   by  the  successive   updates  of
55 $M_{ij}^{t}$  through   the  two  functions\linebreak   \verb+fetch_values+  and
56 \verb+diffuse_values+.   Abusively,   let  $M_{ij}^{t+1/2}$  be   the  value  of
57 $M_{ij}^{t}$ after the former function during iteration $t$.
58
59 In  what follows, we  consider elements  $i$ and  $j$ both  in $\llbracket  1, n
60 \rrbracket$   that  are   updated.   At   iteration   $t$,  $t   \geq  1$,   let
61 $(Y^0_{ij},a^0_{ij},c^0_{ij})$ be the value of $M_{ij}^t(0)$ at the beginning of
62 \verb+fetch_values+.   If $t$  is  equal  to $c^0_{ij}+1$  then  we execute  the
63 instruction    that   assigns    $Y^0_{ij}$   (\textit{i.e.},     the   head    value   of
64 \verb+channels[i].sent[j]+)  to   $Xd_{ji}^t$.   In  that   case,  the  function
65 $M_{ij}^t$ is updated as follows: $M_{ij}^{t+1/2}(k) = M_{ij}^{t}(k+1)$ for each
66 $k$, $0 \le k \le m-2$ and $m-1$ is removed from the domain of $M_{ij}^{t+1/2}$.
67 Otherwise (\textit{i.e.}, when  $t < c^0_{ij}+1$ or when  the domain of $M_{ij}$
68 is  empty)   the  \verb+skip+  statement  is  executed   and  $M_{ij}^{t+1/2}  =
69 M_{ij}^{t}$.
70
71 In the function \verb+diffuse_values+, if  there exists some $\tau$, $\tau\ge t$
72 such that \mbox{$D^{\tau}_{ji} = t$}, let  $c_{ij}$ be defined by $ \min\{l \mid
73 D^{l}_{ji} =  t \} $.  In  that case, we  execute the instruction that  adds the
74 value   \verb+Xp[i]+   to  the   tail   of  \verb+channels[i].sent[j]+.    Then,
75 $M_{ij}^{t+1}$ is defined  as an extension of $M_{ij}^{t+1/2}$  in $m$ such that
76 $M_{ij}^{t+1}(m)$ is $(\verb+Xp[i]+,t,c_{ij})$.  Otherwise (\textit{i.e.}, when $\forall l
77 \, .  \, l \ge t  \Rightarrow D^{l}_{ji} \neq t$ is established) the \verb+skip+
78 statement is executed and $M_{ij}^{t+1} = M_{ij}^{t+1/2}$.
79
80
81 \begin{lemma}[Existence of SPIN Execution]\label{lemma:execution}
82   For any sequences $(S^t)^{t  \in \Nats}$,\linebreak $(D^t)^{t \in \Nats}$, for
83   any map $F$ there exists a SPIN  execution such that for any iteration $t$, $t
84   \ge  1$, for  any $i$ and $j$ in  $\llbracket 1, n \rrbracket$  we  have the
85   following properties:
86    
87 \noindent If the domain of $M_{ij}^t$ is not empty, then
88 \begin{equation}
89   \left\{
90     \begin{array}{rcl}
91       M_{ij}^1(0) & = & \left(X_i^{D_{ji}^{0}}, 0,0 \right) \\
92       \textrm{if $t \geq 2$ then }M_{ij}^t(0) & = &
93       \left(X_i^{D_{ji}^{c}},D_{ji}^{c},c \right) \textrm{, }
94       c = \min\{l | D_{ji}^l > D_{ji}^{t-2} \}
95     \end{array}
96   \right.
97   \label{eq:Mij0}
98 \end{equation}
99 \noindent Secondly we have:
100 \begin{equation}
101   \forall t'\, .\,   1 \le t' \le t  \Rightarrow   Xd^{t'}_{ji} = X^{D^{t'-1}_{ji}}_i
102   \label{eq:correct_retrieve}
103 \end{equation}
104 \noindent Thirdly, for any $k\in S^t$.  Then, the value of the computed variable
105 \verb+Xp[k]+  at  the  end  of  the  \verb+update_elems+  process  is  equal  to
106 $X_k^{t}$          \textit{i.e.},          $F_{k}\left(         X_1^{D_{k\,1}^{t-1}},\ldots,
107   X_{n}^{D_{k\,{n}}^{t-1}}\right)$ at the end of the $t^{\text{th}}$ iteration.
108 \end{lemma}
109 \begin{Proof}
110 The proof is done by induction on the number of iterations.
111
112 \paragraph{Initial case:}
113
114 For the first  item, by definition of $M_{ij}^t$, we  have $M_{ij}^1(0) = \left(
115   \verb+Xp[i]+, 0,0 \right)$ that is obviously equal to $\left(X_i^{D_{ji}^{0}},
116   0,0 \right)$.
117
118 Next, the first call to  the function \verb+fetch_value+ either assigns the head
119 of   \verb+channels[i].sent[j]+  to   \verb+Xd[j].v[i]+  or   does   not  modify
120 \verb+Xd[j].v[i]+.  Thanks to  the \verb+init+ process, both cases  are equal to
121 \verb+Xp[i]+,  \textit{i.e.}, $X_i^0$.  The  equation (\ref{eq:correct_retrieve})  is then
122 established.
123
124
125 For  the last  item, let  $k$, $0  \le  k \le  n-1$.  At  the end  of the  first
126 execution\linebreak   of   the  \verb+update_elems+   process,   the  value   of
127 \verb+Xp[k]+       is\linebreak       $F(\verb+Xd[+k\verb+].v[0]+,       \ldots,
128 \verb+Xd[+k\verb+].v[+n-1\verb+]+)$.  Thus,  by definition of $Xd$,  it is equal
129 to $F(Xd^1_{k\,0}, \ldots,Xd^1_{k\,n-1})$.  Thanks to \Equ{eq:correct_retrieve},
130 we can conclude the proof.
131
132
133
134 \paragraph{Inductive case:}
135
136 Suppose now that lemma~\ref{lemma:execution} is established until iteration $l$.
137
138 First,  if domain  of definition  of the  function $M_{ij}^l$  is not  empty, by
139 induction  hypothesis $M_{ij}^{l}(0)$  is  $\left(X_i^{D_{ji}^{c}}, D_{ji}^{c},c
140 \right)$ where $c$ is $\min\{k | D_{ji}^k > D_{ji}^{l-2} \}$.
141
142 At iteration $l$, if  $l < c + 1$ then the  \verb+skip+ statement is executed in
143 the   \verb+fetch_values+  function.   Thus,   $M_{ij}^{l+1}(0)$  is   equal  to
144 $M_{ij}^{l}(0)$.  Since $c > l-1$  then $D_{ji}^c > D_{ji}^{l-1}$ and hence, $c$
145 is $\min\{k  | D_{ji}^k  > D_{ji}^{l-1} \}$.  Obviously, this implies  also that
146 $D_{ji}^c > D_{ji}^{l-2}$ and $c=\min\{k | D_{ji}^k > D_{ji}^{l-2} \}$.
147
148 We now consider that at iteration $l$, $l$ is $c + 1$.  In other words, $M_{ij}$
149 is modified depending on the domain $\dom(M^l_{ij})$ of $M^l_{ij}$:
150 \begin{itemize}
151 \item  if $\dom(M_{ij}^{l})=\{0\}$  and $\forall  k\,  . \,  k\ge l  \Rightarrow
152   D^{k}_{ji} \neq l$  is established then $\dom(M_{ij}^{l+1})$ is  empty and the
153   first item of the lemma  is established; 
154 \item if $\dom(M_{ij}^{l})=\{0\}$ and $\exists  k\, . \, k\ge l \land D^{k}_{ji}
155   = l$  is established then $M_{ij}^{l+1}(0)$  is $(\verb+Xp[i]+,l,c_{ij})$ that
156   is  added  in  the  \verb+diffuse_values+ function  s.t.\linebreak  $c_{ij}  =
157   \min\{k  \mid  D^{k}_{ji}  = l  \}  $.   Let  us  prove  that we  can  express
158   $M_{ij}^{l+1}(0)$  as  $\left(X_i^{D_{ji}^{c'}},D_{ji}^{c'},c' \right)$  where
159   $c'$ is  $\min\{k |  D_{ji}^k > D_{ji}^{l-1}  \}$.  First,  it is not  hard to
160   establish that  $D_{ji}^{c_{ij}}= l \geq  D_{ji}^{l} > D_{ji}^{l-1}$  and thus
161   $c_{ij}  \geq   c'$.   Next,  since   $\dom(M_{ij}^{l})=\{0\}$,  then  between
162   iterations $D_{ji}^{c}+1$ and $l-1$, the \texttt{diffuse\_values} function has
163   not updated $M_{ij}$.  Formally we have
164 $$
165 \forall t,k  \, .\, D_{ji}^c <  t < l \land  k \geq t  \Rightarrow D_{ji}^k \neq
166 t.$$
167
168 Particularly, $D_{ji}^{c'} \not  \in \{D_{ji}^{c}+1,\ldots,l-1\}$.  We can apply
169 the     third    item     of    the     induction    hypothesis     to    deduce
170 $\verb+Xp[i]+=X_i^{D_{ji}^{c'}}$ and we can conclude.
171
172 \item  if   $\{0,1\}  \subseteq  \dom(M_{ij}^{l})$   then  $M_{ij}^{l+1}(0)$  is
173   $M_{ij}^{l}(1)$.   Let  $M_{ij}^{l}(1)=  \left(\verb+Xp[i]+, a_{ij}  ,  c_{ij}
174   \right)$.   By  construction $a_{ij}$  is  $\min\{t'  |  t' >  D_{ji}^c  \land
175   (\exists k \, .\, k \geq t' \land D_{ji}^k = t')\}$ and $c_{ij}$ is $\min\{k |
176   D_{ji}^k = a_{ij}\}$.  Let us show  $c_{ij}$ is equal to $\min\{k | D_{ji}^k >
177   D_{ji}^{l-1} \}$ further  referred as $c'$.  First we  have $D_{ji}^{c_{ij}} =
178   a_{ij} >  D_{ji}^c$. Since $c$  by definition is  greater or equal to  $l-1$ ,
179   then $D_{ji}^{c_{ij}}>  D_{ji}^{l-1}$ and then $c_{ij} \geq  c'$.  Next, since
180   $c$ is  $l-1$, $c'$ is $\min\{k |  D_{ji}^k > D_{ji}^{c} \}$  and then $a_{ij}
181   \leq  D_{ji}^{c'}$. Thus,  $c_{ij} \leq  c'$  and we  can conclude  as in  the
182   previous part.
183 \end{itemize}
184
185
186 The case where  the domain $\dom(M^l_{ij})$ is empty but  the formula $\exists k
187 \, .\, k \geq  l \land D_{ji}^k = l$ is established  is equivalent to the second
188 case given above and then is omitted.
189
190
191 Secondly, let us focus on the formula~(\ref{eq:correct_retrieve}).  At iteration
192 $l+1$, let $c'$ be defined as $\min\{k | D_{ji}^k > D_{ji}^{l-1} \}$.  Two cases
193 have to be  considered depending on whether $D_{ji}^{l}$  and $D_{ji}^{l-1}$ are
194 equal or not.
195 \begin{itemize}
196 \item If  $D_{ji}^{l} = D_{ji}^{l-1}$, since $D_{ji}^{c'}  > D_{ji}^{l-1}$, then
197   $D_{ji}^{c'} > D_{ji}^{l}$ and then $c'$  is distinct from $l$. Thus, the SPIN
198   execution detailed  above does not  modify $Xd_{ji}^{l+1}$.  It is  obvious to
199   establish   that   $Xd_{ji}^{l+1}  =   Xd_{ji}^{l}   =  X_i^{D_{ji}^{l-1}}   =
200   X_i^{D_{ji}^{l}}$.
201 \item Otherwise $D_{ji}^{l}$ is greater than $D_{ji}^{l-1}$ and $c$ is thus $l$.
202   According     to     \Equ{eq:Mij0}     we     have    proved,     we     have
203   $M_{ij}^{l+1}(0)=(X_i^{D_{ji}^{l}},D_{ji}^{l},l)$.   Then  the SPIN  execution
204   detailed above  assigns $X_i^{D_{ji}^{l}}$ to $Xd_{ji}^{l+1}$,  which ends the
205   proof of (\ref{eq:correct_retrieve}).
206 \end{itemize}
207
208 We are left to prove the induction of  the third part of the lemma.  Let $k$, $k
209 \in S^{l+1}$. % and $\verb+k'+ = k-1$.
210 At the  end of the first  execution of the \verb+update_elems+  process, we have
211 $\verb+Xp[+k\verb+]+=                                   F(\verb+Xd[+k\verb+][0]+,
212 \ldots,\verb+Xd[+k\verb+][+n\verb+-1]+)+$.  By  definition of $Xd$,  it is equal
213 to      $F(Xd^{l+1}_{k\,0},      \ldots,Xd^{l+1}_{k\,n-1})$.      Thanks      to
214 \Equ{eq:correct_retrieve} we have proved, we can conclude the proof.
215 \end{Proof}
216
217
218 \begin{lemma}
219   Bounding the size of channels  to $\textit{max} = \delta_0$ is sufficient when
220   simulating a DDN where delays are bounded by $\delta_0$.
221 \end{lemma}
222
223 \begin{Proof}
224   For  any $i$,  $j$, at  each  iteration $t+1$,  thanks to  bounded delays  (by
225   $\delta_0$),  element $i$  has to  know at  worst $\delta_0$  values  that are
226   $X_j^{t}$, \ldots, $X_j^{t-\delta_0+1}$.  They  can be stored into any channel
227   of size $\delta_0$.
228 \end{Proof}
229
230
231 \promelasound*
232 \begin{Proof}
233 %   For  the  case  where  the  strategy  is  finite,  one  notice  that  property
234 %   verification  is achieved  under  weak fairness  property.  Instructions  that
235 %   write or read into \verb+channels[j].sent[i]+ are continuously enabled leading
236 %   to  convenient  available  dates  $D_{ji}$.   It is  then  easy  to  construct
237 %   corresponding iterations of the DDN that are convergent.
238 % \ANNOT{quel sens donnes-tu a \emph{convenient} ici ?}
239
240   Let us show the contraposition of the theorem.  The previous lemmas have shown
241   that for any  sequence of iterations of the DDN, there  exists an execution of
242   the PROMELA  model that  simulates them.   If some iterations  of the  DDN are
243   divergent, then  they prevent  the PROMELA model  from stabilizing,  \textit{i.e.},  not
244   verifying the LTL property (\ref{eq:ltl:conv}).
245 \end{Proof}
246
247
248 % \begin{Corol}[Soundness wrt universall convergence property]\label{Theo:sound}
249 % Let $\phi$ be a DDN model where strategy, $X^(0)$ 
250 % are only constrained to be pseudo-periodic and
251 % in $E$ respectively.
252 % Let $\psi$ be its translation.
253 % If all the executions of $\psi$ converge, 
254 % then  iterations of $\phi$ are universally convergent.
255 % \end{Corol}
256
257
258 \promelacomplete*
259
260 \begin{Proof}
261   For models $\psi$  that do not verify the  LTL property (\ref{eq:ltl:conv}) it
262   is easy  to construct corresponding iterations  of the DDN,  whose strategy is
263   pseudo-periodic since weak fairness property is taken into account.
264
265 %   i.e. iterations that  are divergent.   Executions are
266 %   performed under weak  fairness property; we then detail  what are continuously
267 %   enabled:
268 % \begin{itemize}
269 % \item if the strategy is not  defined as periodic, elements $0$, \ldots, $n$ are
270 %   infinitely often updated leading to pseudo-periodic strategy;
271 % \item  instructions  that  write  or read  into  \verb+channels[j].sent[i]+  are
272 %   continuously enabled leading to convenient available dates $D_{ji}$.
273 % \end{itemize}
274 % The simulated DDN does not stabilize and its iterations are divergent.
275  \end{Proof}
276