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出版者:

作者:Pontelli, Enrico 编

出品人:

页数:844

译者:

出版时间:

价格:$ 157.07

装帧:

isbn号码:9783540899815

丛书系列:

图书标签:

• 逻辑编程
• Prolog
• 人工智能
• 计算理论
• 编程语言
• 算法
• 推理
• 知识表示
• 专家系统
• 约束逻辑编程

探寻代码深处的精妙逻辑：《形式化方法与系统验证》 一、本书导言：从概念到现实的严谨桥梁 在当代软件工程与硬件设计的复杂洪流中，我们正面临着前所未有的可靠性挑战。随着系统规模的指数级增长，传统基于测试的验证方法已然力不从心，无法穷尽所有潜在的错误路径。本书《形式化方法与系统验证》（Formal Methods and System Verification）正是为应对这一核心挑战而生的力作。它不再满足于“尽力而为”的保证，而是致力于构建一套基于数学严谨性的、可证明的正确性框架。 本书聚焦于如何运用数学逻辑、模型论和算法理论，对复杂的计算系统进行精确的建模、分析和验证。它引导读者从“编写能够运行的代码”深入到“证明代码的正确性”，为构建下一代高可靠性、高安全性系统奠定了坚实的理论基础和实践工具。 二、核心内容模块解析 本书结构清晰，逻辑严密，共分为六个主要部分，层层递进，确保读者能够系统地掌握形式化验证的精髓。 第一部分：基础理论的奠基石（Foundations） 本部分是理解后续所有高级主题的基石。我们首先回顾和强化了读者在离散数学、集合论和数理逻辑方面的基础知识，但重点立刻转向形式化方法的核心： 命题逻辑与一阶逻辑（Propositional and First-Order Logic）： 详细阐述了逻辑演算的语法、语义学，以及如何运用推理规则（如自然演绎、序列演算）来构造有效的证明。特别强调了一阶逻辑在描述系统状态和动态行为方面的表达能力。 模型论基础（Basics of Model Theory）： 引入了模型、结构和满足性（satisfiability）的概念。理解模型如何解释一个形式语言的表达式，是后续进行模型检查（Model Checking）的关键前提。 抽象代数在建模中的应用： 简要介绍了代数规范方法（Algebraic Specification）的初步概念，展示如何使用代数结构来定义数据类型和抽象操作的规范。 第二部分：系统建模的艺术（System Modeling） 形式化验证的有效性，极大地依赖于对真实系统进行准确而简洁的抽象建模。本部分详细介绍了描述并发、时间、状态转换系统的主要范式： 有限状态机（FSMs）与状态转换系统（STS）： 从最基础的系统行为描述开始，讨论状态空间的爆炸性问题，并引出最小化和规范化技术。 时序逻辑（Temporal Logic）： 这是描述系统动态行为的强大工具。本书深入探讨了计算树逻辑（CTL）和线性时序逻辑（LTL）的语法、语义以及它们如何精确地表达“总是”、“最终”、“直到”等时序特性。 进程代数与并发系统： 介绍 CSP (Communicating Sequential Processes) 和 CCS (Calculus of Communicating Systems) 等进程演算框架。重点在于如何使用这些代数工具来建模和分析通信、同步和死锁等并发问题。 第三部分：模型检查技术（Model Checking Techniques） 模型检查是目前最成熟和应用最广泛的形式化验证技术之一。本部分专注于如何自动化地验证一个系统模型是否满足给定的逻辑规范： 状态空间探索算法： 详述了深度优先搜索（DFS）和广度优先搜索（BFS）在状态空间遍历中的应用，以及如何处理循环和不可达状态。 二元决策图（BDDs）与约简技术： 深入讲解如何使用BDDs来有效地表示和操作布尔函数，从而管理指数级增长的状态空间，实现符号化模型检查（Symbolic Model Checking）。 LTL 和 CTL 模型的验证算法： 详细阐述了著名的 Rabin 算法和 Büchi 自动机在验证无限路径上的时序规范中的核心作用，以及如何通过构建合成自动机进行验证。 可扩展性挑战与优化： 讨论了现实世界系统中状态空间爆炸的缓解策略，包括局部模型检查（Local Model Checking）和抽象（Abstraction）技术。 第四部分：定理证明方法（Theorem Proving） 当系统复杂到模型检查的有限状态空间方法无法应对时，需要诉诸于更强大的、基于推理的验证方法——定理证明： 交互式定理证明器（Interactive Theorem Provers - ITPs）： 介绍诸如 Coq, Isabelle/HOL 等先进证明助手的结构和使用哲学。重点展示如何构建和验证复杂的数学定理和程序规范。 归纳证明的构建： 详细讲解如何运用数学归纳法来证明关于递归结构或无限归纳集合的性质。 程序规范与断言（Specification and Assertions）： 阐述如何使用前置条件（Preconditions）和后置条件（Postconditions）来精确定义程序模块的行为，并利用归约推理（Calculus of Derivations）来证明程序的正确性。 SMT 求解器在验证中的角色： 介绍可满足性模理论（Satisfiability Modulo Theories, SMT）求解器，展示它们如何高效地处理包含算术、数组、位向量等特定理论的逻辑公式，并将其应用于软件验证（如道真验证 Datalog Verification）。 第五部分：软件和硬件的特定应用（Application Specifics） 本部分将理论知识与工程实践紧密结合，探讨形式化方法在不同领域的核心应用： 安全关键软件验证： 侧重于如何对操作系统内核、驱动程序或嵌入式控制软件进行故障注入分析和不变式（Invariants）的验证。 硬件描述语言（HDL）的验证： 讨论如何将 VHDL 或 Verilog 模型转化为可供模型检查或定理证明工具处理的形式，以确保芯片设计的逻辑正确性。 分布式系统的一致性验证： 针对 Paxos 或 Raft 等共识算法，展示如何形式化地证明其活性的（Liveness）和安全性（Safety）属性。 第六部分：面向未来的趋势（Future Directions） 最后，本书展望了形式化方法的前沿研究方向： 混合系统（Hybrid Systems）的分析： 如何结合连续动态（如物理定律）和离散逻辑来建模物理控制系统。 机器学习模型的验证： 讨论如何应用形式化工具来验证深度学习模型的鲁棒性、公平性和安全性。 形式化方法的工业化部署： 探讨如何降低工具的学习曲线和使用门槛，推动形式化方法成为主流工程实践的一部分。 三、本书的独特价值 本书的价值不仅在于全面覆盖了形式化方法的理论广度，更在于其强调理论与实践的紧密结合。它避免了纯粹的数学推导堆砌，而是通过大量的案例研究和具体的算法描述，让读者能够清晰地理解如何将抽象的逻辑转化为可操作的验证流程。无论是计算机科学专业的学生、寻求系统可靠性提升的工程师，还是致力于形式化数学研究的学者，都将从这本书中获得构建真正可靠计算系统的深刻洞察和实用技能。它不是一本关于“如何编码”的书，而是一本关于“如何证明代码的正确性”的权威指南。

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