时序逻辑之线性时序逻辑（LTL）和分支时序逻辑（CTL）对比及典型示例_ctl和ltl-程序员宅基地

技术标签： 安全  时序模型  软件工程师  

在模型检测工具NuSMV中，时序逻辑是用来描述系统性质（或形式规约）的形式化语言，包括两类，一类是线性时序逻辑（Linear-time Temporal Logic, LTL）,另一类是分支时序逻辑（也称计算树逻辑，Computing Tree Logic, CTL），二者主要的区别在于采取不同的方式对Kripke结构所对应的计算树分支进行展开。

线性时序逻辑

定义

时态运算符限定于描述从一个给定的状态开始的某条路径上的事件。
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特点

  • 将时间建模成状态序列，无限延伸到未来，该状态序列称为计算路径（简称“路径”），隐含了整个系统是按着一个路径向前发展演化的，隐含使用全称量词，不适用存在量词（与CTL不同）
  • 使用指示未来的连接词（时间操作符），只表达一条路径上的不确定性，而CTL表达多个路径

构成

  • 项（terms）：p表示原子命题

  • 经典布尔操作

    • ¬(not), v(or), ∧(and)
    • →(imply, if-then): p->q, 如果p发生则会出现q

  • 基本时态操作（Basic temporal operators）

    • ☐(G, always), ◇(F, eventually), ○(X, next), U(strong unit)
    • Gp - p holds globally in the future.
    • Fp - p holds sometime（不确定性！）in the future.
    • Xp - p holds next time.
    • pUq - p holds until q holds.

语义

<>p ：p在以后某个时刻会真
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[]p ：从当前时刻起，p总是为真
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Xp ：p在下一个时刻为真
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示例

以红绿灯为例（gr:green ye:yellow re:red）

性质1：信号灯按照“红、黄、绿、红、黄、绿…”的顺序变化
对应的LTL：[] ( (grUye) v (yeUre) v (reUgr) )

性质2：信号灯不能在同一时间出现两种以上的颜色
对应的LTL： [] ( ¬(gr∧ye) ∧ ¬(ye∧re) ∧ ¬(re∧gr) ∧ (gr v ye v re) )

分支时序逻辑

定义

时态运算符限定于从一个给定的状态开始的所有可能路径上。
在这里插入图片描述

构成

CTL由路径量词和时态算子构成。

路径量词：

  • A（“for all computation paths”，全称量词，将来全部路径）
  • E（“exist some computation path” ，存在量词，存在一条将来路径）

时态算子：

  • X（next：下一个状态）
  • F（future：某个未来的状态）
  • G（globally：所有的未来状态）
  • U（until：路径上存在某个状态满足性质q，而且它之前的每
    个状态都满足性质p）
  • R（release：路径上从第一个状态开始，都要满足性质q，直
    到某个状态满足性质p）

常见表达：

  • AX p：在所有未来路径上，公式在下一个状态为真
  • AF p：在所有未来路径上，公式在某个状态必然为真
    在这里插入图片描述
  • AG p：在所有未来路径上，公式都永远为真
    在这里插入图片描述
  • A (p U q)：在所有未来路径都存在：公式p一直为真，直到公式q为真
  • EX p：存在一条未来路径，下一状态公式为真
  • EF p：存在一条未来路径，公式在某个状态一定为真
    在这里插入图片描述
  • EG p：存在一条未来路径，公式永为真
    在这里插入图片描述
  • E (p U q)：存在一条未来路径，公式p一直为真，直到公式q为真

示例

以进程访问共享数据为例，假设有两个进程proc1和proc2，当进入“critical”状态表示正在访问共享数据，“entering”状态表示进程请求访问共享数据，当任务调度允许访问后进入“critical”状态访问共享数据。

性质1：不存在进程1和进程2同时进入“critical”状态
对应的CTL：AG ! (proc1.state = critical & proc2.state = critical)

性质2：如果进程1处于“entering”状态（即请求进入“critical”状态），那么最终进程1都会进入“critical”状态
对应的CTL：AG (proc1.state = entering -> AF proc1.state = critical)

参考资料

  1. 嵌入式系统的属性与验证
  2. NuSMV 2.6 Tutorial
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.csdn.net/yuniruchujian/article/details/106213848

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