Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10216/169102
Author(s): Vinicius Correia Honorato
Title: AI-Assisted Formal Specification and Verification in Dafny: A Multi-Provider VS Code Extension
Issue Date: 2025-07-22
Abstract: Formal software verification represents an essential approach for ensuring correctness and reliability of critical systems, yet faces significant barriers due to the complexity of manually specifying method contracts, loop invariants, and other verification constructs. This dissertation addresses this limitation through the development of an advanced Visual Studio Code extension that automates the generation for formal specification and verification constructs using multiple artificial intelligence providers. The work extends the original implementation of a VSCode extension for Dafny, transforming an initial prototype into a robust and scalable platform for formal verification assistance. The solution implements a multi-provider architecture that integrates AI services including OpenAI, Claude, and DeepSeek through a unified interface, with intelligent fallback mechanisms ensuring continuous availability even during individual service disruptions. Firebase integration enables dynamic configuration management and secure credential storage, making it suitable for both academic and industrial environments. Experimental validation through a controlled crossover design study performing a total of 42 formal specification and verification tasks demonstrates the effectiveness of the proposed approach. Results reveal a System Usability Scale score of 74.6/100, indicating good user acceptance. Comparative analysis shows significantly superior success rates for AI-assisted approaches (85.7%) compared to manual methods (42.1%). Temporal efficiency evaluation demonstrates 43.8% productivity gains, with average completion times of 6.25 minutes for tool-assisted approaches versus 11.12 minutes for manual methods. The contributions of this research include the empirical validation of three established research questions: (1) How is the usability and level of user experience of the multi-provider AI verification assist plugin?; (2) How do the success rates of verification specification generation compare between manual and AI-aided approaches?; and (3) How does the time efficiency of verification specification generation compare between manual and AI-aided methods? This work further demonstrates the viability of multi-provider architectures for AI-assisted development tools, and establishes replicable experimental methodologies for evaluating formal verification tools. The results suggest that intelligent integration of multiple AI providers can significantly improve the accessibility and effectiveness of formal software verification. The enhanced platform establishes a foundation for more reliable, secure, and empirically validated AI-assisted formal verification tools, bridging the gap between research prototypes and production-ready development environments. Future work directions include expanded experimental validation with larger participant cohorts, integrated tutorial systems for educational applications, and advanced verification construct generation including automated lemma synthesis.
Description: A verificação formal de software representa uma abordagem essencial para garantir a correção e a confiabilidade de sistemas críticos, mas enfrenta barreiras significativas devido à complexidade de especificar manualmente contratos de métodos, invariantes de laço e outras construções de verificação. Esta dissertação aborda essa limitação através do desenvolvimento de uma extensão avançada para o Visual Studio Code que automatiza a geração de construções de especificação e verificação formal usando múltiplos provedores de inteligência artificial. O trabalho estende a implementação original de uma extensão VSCode para Dafny, transformando um protótipo inicial em uma plataforma robusta e escalável para assistência à verificação formal. A solução implementa uma arquitetura multiprovedor que integra serviços de IA, incluindo OpenAI, Claude e DeepSeek, através de uma interface unificada, com mecanismos inteligentes de fallback garantindo disponibilidade contínua mesmo durante interrupções de serviços individuais. A integração com Firebase permite o gerenciamento dinâmico de configurações e o armazenamento seguro de credenciais, tornando-a adequada para ambientes acadêmicos e industriais. A validação experimental, por meio de um estudo controlado com design crossover que realizou um total de 42 tarefas de especificação e verificação formal, demonstra a eficácia da abordagem proposta. Os resultados revelam uma pontuação de 74,6/100 na Escala de Usabilidade do Sistema (System Usability Scale), indicando boa aceitação do usuário. A análise comparativa mostra taxas de sucesso significativamente superiores para abordagens assistidas por IA (85,7%) em comparação com métodos manuais (42,1%). A avaliação da eficiência temporal demonstra ganhos de produtividade de 43,8%, com tempos médios de conclusão de 6,25 minutos para abordagens assistidas por ferramentas versus 11,12 minutos para métodos manuais. As contribuições desta pesquisa incluem a validação empírica de três questões de pesquisa estabelecidas: (1) Qual a usabilidade e o nível de experiência do usuário do plugin de assistência à verificação de IA multiprovedor?; (2) Como as taxas de sucesso da geração de especificações de verificação se comparam entre abordagens manuais e assistidas por IA?; e (3) Como a eficiência de tempo da geração de especificações de verificação se compara entre métodos manuais e assistidos por IA? Este trabalho demonstra ainda a viabilidade de arquiteturas multiprovedor para ferramentas de desenvolvimento assistidas por IA e estabelece metodologias experimentais replicáveis para avaliar ferramentas de verificação formal. Os resultados sugerem que a integração inteligente de múltiplos provedores de IA pode melhorar significativamente a acessibilidade e a eficácia da verificação formal de software. A plataforma aprimorada estabelece uma base para ferramentas de verificação formal assistidas por IA mais confiáveis, seguras e empiricamente validadas, preenchendo a lacuna entre protótipos de pesquisa e ambientes de desenvolvimento prontos para produção. As direções para trabalhos futuros incluem validação experimental expandida com maiores coortes de participantes, sistemas de tutorial integrados para aplicações educacionais e geração avançada de construções de verificação, incluindo síntese automatizada de lemas.
Subject: Outras ciências da engenharia e tecnologias
Other engineering and technologies
Scientific areas: Ciências da engenharia e tecnologias::Outras ciências da engenharia e tecnologias
Engineering and technology::Other engineering and technologies
TID identifier: 204120241
URI: https://hdl.handle.net/10216/169102
Document Type: Dissertação
Rights: openAccess
Appears in Collections:FEUP - Dissertação

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