Claude 生成可验证代码：契约驱动的局部验证路径与校验清单

当我们将大型语言模型 Claude 视为形式化验证的潜在协作者时，一个关键误区是期待它能端到端地生成经过数学证明的完整系统。现实是，正如数学家陶哲轩在其实验中所揭示的，Claude 能在 20 分钟内产出结构上与人类形式化证明相似的 Lean 代码，却会因对基础概念（如自然数从 0 还是 1 开始）的误解而引入根本性逻辑错误，最终仍需人工介入修复。这提示我们，Claude 在形式化验证领域的价值，并非替代数学家，而是作为一个强大的“契约起草助手”，在人类工程师的精确引导下，为关键代码片段生成可被轻量级工具验证的局部规范。本文将摒弃不切实际的全自动幻想，聚焦于一个务实且可立即落地的路径：契约驱动的局部验证。我们将提供具体的提示工程模板、参数配置以及一份不可或缺的人工校验清单，帮助开发者在享受 AI 效率的同时，牢牢守住正确性的底线。

形式化方法的核心，在于用数学逻辑证明程序在所有可能输入下均满足其规约，而非依赖有限的测试用例。Galois 公司对此有精辟阐述：它如同用数学证明勾股定理适用于所有直角三角形，而非仅仅测量几个实例。然而，将此原则应用于整个复杂系统往往不切实际。Galois 提出的“应用形式化方法”（Applied Formal Methods, AFM）原则强调“精准应用”——即识别系统中真正高危的组件（如核反应堆的温度监控逻辑），并仅在这些“高临界性”部分投入形式化验证资源。对于 Claude 而言，这意味着我们不应要求它验证整个应用程序，而应将其能力精确引导至那些一旦出错便会造成灾难性后果的核心函数上。通过精心设计的提示，我们可以约束 Claude 的输出，使其专注于为这些高危函数生成精确的前置条件（Precondition）和后置条件（Postcondition），即函数契约（Contract），从而为后续的自动化或半自动化验证奠定基础。

实现这一路径的关键，在于一套结构化的提示工程模板。一个有效的提示应包含四个强制性部分：上下文、任务、输出格式和约束。首先，上下文需明确告知 Claude 其角色是“安全关键代码的契约起草员”，并简要说明目标函数的业务语义及其失败后果（例如，“此函数计算航天器轨道，错误将导致任务失败”）。其次，任务必须具体化为“为以下函数生成 ACSL 格式的前置条件和后置条件契约”。第三，输出格式需严格指定，例如“仅输出包含 /* requires / 和 / ensures */ 注释块的 C 代码片段，不包含任何解释性文字”。最后，也是最重要的，是施加精确的约束。这些约束应包括：1) 数据范围约束（如“输入参数 x 必须满足 -1000.0 <= x <= 1000.0”）；2) 状态不变量（如“调用后，全局变量 system_state 不得被修改”）；3) 边界值处理（如“当输入为数组时，需显式声明索引的有效范围”）。通过将这些约束硬编码到提示中，我们极大地限制了 Claude “自由发挥”的空间，迫使其输出更贴近工程现实、可被工具解析的契约。

生成契约后，下一步是利用轻量级静态分析工具进行自动化验证。Frama-C 是一个理想的选择，它专为 C 语言设计，能直接解析嵌入在代码中的 ACSL 契约，并尝试通过内部的 WP（Weakest Precondition）或 Eva（Value Analysis）插件来证明契约的成立。配置 Frama-C 进行验证的典型命令如下：frama-c -wp -wp-prover alt-ergo -wp-timeout 30 your_file.c。此命令指示 Frama-C 使用 WP 插件，调用 Alt-Ergo 定理证明器，并为每个证明目标设置 30 秒的超时。实践中，我们应预期部分证明目标会失败。这并非坏事，它恰恰暴露了 Claude 生成契约中可能存在的语义模糊或逻辑漏洞。例如，Claude 可能会生成一个过于宽泛的后置条件，如“结果不为负”，而实际需求是“结果严格大于零”。此时，工具的失败报告就是我们进行人工校验的起点。这种“AI 生成 + 工具验证 + 人工校准”的闭环，比单纯依赖 AI 或单纯依赖人工都更高效。

尽管有工具辅助，人工校验环节仍是不可逾越的最后防线。为此，我们提供一份精简的“三问校验清单”，用于审查 Claude 生成的每一份契约：第一问，“断言是否可证？”——检查契约中的每一个 requires 和 ensures 子句，是否在当前工具链和超时设置下可被证明。如果工具报告“Unknown”或“Timeout”，需警惕该断言可能过于复杂或表述不清。第二问，“边界是否穷尽？”——审视所有涉及数值、数组索引或指针的条件，是否明确覆盖了最小值、最大值、零值和空值等关键边界情况。Claude 常常会忽略这些边缘场景。第三问，“语义是否精确？”——这是最核心的一问。对比契约的自然语言描述（在提示中给出的）与生成的形式化断言，确认后者是否无歧义地、完整地捕捉了前者的意图。例如，若需求是“返回数组中的最大值”，而契约仅写“返回值大于等于数组中任一元素”，则遗漏了“存在性”要求，必须修正为“返回值等于数组中某一元素，且大于等于所有其他元素”。这份清单虽短，却直指形式化验证的精髓——精确性。

综上所述，Claude 在形式化验证领域的实用价值，不在于它能否独立完成复杂的数学证明，而在于它能否在人类工程师设定的精确框架内，高效地产出高质量的局部代码契约。通过采用“契约驱动的局部验证”策略，结合结构化提示、轻量级验证工具和严谨的人工校验清单，我们可以将 Claude 的强大生成能力转化为切实的工程安全保障。这既是对 Galois 所倡导的“精准应用”原则的实践，也是对陶哲轩实验教训的积极回应——AI 是强大的助手，但最终的责任与判断，必须牢牢掌握在人类手中。未来的工作可探索将此流程自动化，例如开发一个包装器脚本，自动将 Claude 的输出喂给 Frama-C 并解析其报告，从而进一步提升这一人机协作范式的效率。