Quelle  SchorrWaite.thy   Sprache: Isabelle

(*  Title:      HOL/Hoare/SchorrWaite.thy
    Author:     Farhad Mehta
    Copyright   2003 TUM
*)

section ‹Proof of the Schorr-Waite graph marking algorithm›

theory SchorrWaite
  imports HeapSyntax
begin

subsection ‹Machinery for the Schorr-Waite proof›

definition
  🍋 ‹Relations induced by a mapping›
  rel :: "('a \ 'a ref) \ ('a \ 'a) set"
  where "rel m = {(x,y). m x = Ref y}"

definition
  relS :: "('a \ 'a ref) set \ ('a \ 'a) set"
  where "relS M = (\m \ M. rel m)"

definition
  addrs :: "'a ref set \ 'a set"
  where "addrs P = {a. Ref a \ P}"

definition
  reachable :: "('a \ 'a) set \ 'a ref set \ 'a set"
  where "reachable r P = (r\<^sup>* `` addrs P)"

lemmas rel_defs = relS_def rel_def

text ‹Rewrite rules for relations induced by a mapping›

lemma self_reachable: "b \ B \ b \ R\<^sup>* `` B"
apply blast
done

lemma oneStep_reachable: "b \ R``B \ b \ R\<^sup>* `` B"
apply blast
done

lemma still_reachable: "\B\Ra\<^sup>*``A; \ (x,y) \ Rb-Ra. y\ (Ra\<^sup>*``A)\ \ Rb\<^sup>* `` B \ Ra\<^sup>* `` A "
apply (clarsimp simp only:Image_iff)
apply (erule rtrancl_induct)
 apply blast
apply (subgoal_tac "(y, z) \ Ra\(Rb-Ra)")
 apply (erule UnE)
 apply (auto intro:rtrancl_into_rtrancl)
apply blast
done

lemma still_reachable_eq: "\ A\Rb\<^sup>*``B; B\Ra\<^sup>*``A; \ (x,y) \ Ra-Rb. y \(Rb\<^sup>*``B); \ (x,y) \ Rb-Ra. y\ (Ra\<^sup>*``A)\ \ Ra\<^sup>*``A = Rb\<^sup>*``B "
apply (rule equalityI)
 apply (erule still_reachable ,assumption)+
done

lemma reachable_null: "reachable mS {Null} = {}"
apply (simp add: reachable_def addrs_def)
done

lemma reachable_empty: "reachable mS {} = {}"
apply (simp add: reachable_def addrs_def)
done

lemma reachable_union: "(reachable mS aS \ reachable mS bS) = reachable mS (aS \ bS)"
apply (simp add: reachable_def rel_defs addrs_def)
apply blast
done

lemma reachable_union_sym: "reachable r (insert a aS) = (r\<^sup>* `` addrs {a}) \ reachable r aS"
apply (simp add: reachable_def rel_defs addrs_def)
apply blast
done

lemma rel_upd1: "(a,b) \ rel (r(q:=t)) \ (a,b) \ rel r \ a=q"
apply (rule classical)
apply (simp add:rel_defs fun_upd_apply)
done

lemma rel_upd2: "(a,b) \ rel r \ (a,b) \ rel (r(q:=t)) \ a=q"
apply (rule classical)
apply (simp add:rel_defs fun_upd_apply)
done

definition
  🍋 ‹Restriction of a relation›
  restr ::"('a \ 'a) set \ ('a \ bool) \ ('a \ 'a) set"
    (‹(‹notation=‹mixfix relation restriction››_/ | _)› [50, 51] 50)
  where "restr r m = {(x,y). (x,y) \ r \ \ m x}"

text ‹Rewrite rules for the restriction of a relation›

lemma restr_identity[simp]:
 " (\x. \ m x) \ (R |m) = R"
by (auto simp add:restr_def)

lemma restr_rtrancl[simp]: " \m l\ \ (R | m)\<^sup>* `` {l} = {l}"
by (auto simp add:restr_def elim:converse_rtranclE)

lemma [simp]: " \m l\ \ (l,x) \ (R | m)\<^sup>* = (l=x)"
by (auto simp add:restr_def elim:converse_rtranclE)

lemma restr_upd: "((rel (r (q := t)))|(m(q := True))) = ((rel (r))|(m(q := True))) "
apply (auto simp:restr_def rel_def fun_upd_apply)
apply (rename_tac a b)
apply (case_tac "a=q")
 apply auto
done

lemma restr_un: "((r \ s)|m) = (r|m) \ (s|m)"
  by (auto simp add:restr_def)

lemma rel_upd3: "(a, b) \ (r|(m(q := t))) \ (a,b) \ (r|m) \ a = q "
apply (rule classical)
apply (simp add:restr_def fun_upd_apply)
done

definition
  🍋 ‹A short form for the stack mapping function for List›
  S :: "('a \ bool) \ ('a \ 'a ref) \ ('a \ 'a ref) \ ('a \ 'a ref)"
  where "S c l r = (\x. if c x then r x else l x)"

text ‹Rewrite rules for Lists using S as their mapping›

lemma [rule_format,simp]:
 "\p. a \ set stack \ List (S c l r) p stack = List (S (c(a:=x)) (l(a:=y)) (r(a:=z))) p stack"
apply(induct_tac stack)
 apply(simp add:fun_upd_apply S_def)+
done

lemma [rule_format,simp]:
 "\p. a \ set stack \ List (S c l (r(a:=z))) p stack = List (S c l r) p stack"
apply(induct_tac stack)
 apply(simp add:fun_upd_apply S_def)+
done

lemma [rule_format,simp]:
 "\p. a \ set stack \ List (S c (l(a:=z)) r) p stack = List (S c l r) p stack"
apply(induct_tac stack)
 apply(simp add:fun_upd_apply S_def)+
done

lemma [rule_format,simp]:
 "\p. a \ set stack \ List (S (c(a:=z)) l r) p stack = List (S c l r) p stack"
apply(induct_tac stack)
 apply(simp add:fun_upd_apply S_def)+
done

primrec
  🍋 ‹Recursive definition of what is means for a the graph/stack structure to be reconstructible›
  stkOk :: "('a \ bool) \ ('a \ 'a ref) \ ('a \ 'a ref) \ ('a \ 'a ref) \ ('a \ 'a ref) \ 'a ref \'a list \ bool"
where
  stkOk_nil:  "stkOk c l r iL iR t [] = True"
| stkOk_cons:
    "stkOk c l r iL iR t (p#stk) = (stkOk c l r iL iR (Ref p) (stk) \
      iL p = (if c p then l p else t) ∧
      iR p = (if c p then t else r p))"

text ‹Rewrite rules for stkOk›

lemma [simp]: "\t. \ x \ set xs; Ref x\t \ \
  stkOk (c(x := f)) l r iL iR t xs = stkOk c l r iL iR t xs"
apply (induct xs)
 apply (auto simp:eq_sym_conv)
done

lemma [simp]: "\t. \ x \ set xs; Ref x\t \ \
 stkOk c (l(x := g)) r iL iR t xs = stkOk c l r iL iR t xs"
apply (induct xs)
 apply (auto simp:eq_sym_conv)
done

lemma [simp]: "\t. \ x \ set xs; Ref x\t \ \
 stkOk c l (r(x := g)) iL iR t xs = stkOk c l r iL iR t xs"
apply (induct xs)
 apply (auto simp:eq_sym_conv)
done

lemma stkOk_r_rewrite [simp]: "\x. x \ set xs \
  stkOk c l (r(x := g)) iL iR (Ref x) xs = stkOk c l r iL iR (Ref x) xs"
apply (induct xs)
 apply (auto simp:eq_sym_conv)
done

lemma [simp]: "\x. x \ set xs \
 stkOk c (l(x := g)) r iL iR (Ref x) xs = stkOk c l r iL iR (Ref x) xs"
apply (induct xs)
 apply (auto simp:eq_sym_conv)
done

lemma [simp]: "\x. x \ set xs \
 stkOk (c(x := g)) l r iL iR (Ref x) xs = stkOk c l r iL iR (Ref x) xs"
apply (induct xs)
 apply (auto simp:eq_sym_conv)
done


subsection ‹The Schorr-Waite algorithm›

theorem SchorrWaiteAlgorithm:
"VARS c m l r t p q root
 {R = reachable (relS {l, r}) {root} ∧ (∀x. ¬ m x) ∧ iR = r ∧ iL = l}
 t := root; p := Null;
 WHILE p ≠ Null ∨ t ≠ Null ∧ ¬ t^.m
 INV {∃stack.
          List (S c l r) p stack ∧                                      🍋 ‹‹i1››
          (∀x ∈ set stack. m x) ∧                                       🍋 ‹‹i2››
          R = reachable (relS{l, r}) {t,p} ∧                            🍋 ‹‹i3››
          (∀x. x ∈ R ∧ ¬m x ⟶                                         🍋 ‹‹i4››
                 x ∈ reachable (relS{l,r}|m) ({t}∪set(map r stack))) ∧
          (∀x. m x ⟶ x ∈ R) ∧                                         🍋 ‹‹i5››
          (∀x. x ∉ set stack ⟶ r x = iR x ∧ l x = iL x) ∧             🍋 ‹‹i6››
          (stkOk c l r iL iR t stack)                                   🍋 ‹‹i7››}
 DO IF t = Null ∨ t^.m
      THEN IF p^.c
               THEN q := t; t := p; p := p^.r; t^.r := q                🍋 ‹‹pop››
               ELSE q := t; t := p^.r; p^.r := p^.l;                    🍋 ‹‹swing››
                        p^.l := q; p^.c := True          FI
      ELSE q := p; p := t; t := t^.l; p^.l := q;                        🍋 ‹‹push››
               p^.m := True; p^.c := False            FI       OD
 {(∀x. (x ∈ R) = m x) ∧ (r = iR ∧ l = iL) }"
  (is "Valid
         {(c, m, l, r, t, p, q, root). ?Pre c m l r root}
         (Seq _ (Seq _ (While {(c, m, l, r, t, p, q, root). ?whileB m t p} _)))
         (Aseq _ (Aseq _ (Awhile {(c, m, l, r, t, p, q, root). ?inv c m l r t p} _ _))) _")
proof (vcg)
  {
    fix c m l r t p q root
    assume "?Pre c m l r root"
    thus "?inv c m l r root Null"  by (auto simp add: reachable_def addrs_def)
  next
    fix c m l r t p q
    let "\stack. ?Inv stack"  =  "?inv c m l r t p"
    assume a: "?inv c m l r t p \ \(p \ Null \ t \ Null \ \ t^.m)"
    then obtain stack where inv: "?Inv stack" by blast
    from a have pNull: "p = Null" and tDisj: "t=Null \ (t\Null \ t^.m )" by auto
    let "?I1 \ _ \ _ \ ?I4 \ ?I5 \ ?I6 \ _"  =  "?Inv stack"
    from inv have i1: "?I1" and i4: "?I4" and i5: "?I5" and i6: "?I6" by simp+
    from pNull i1 have stackEmpty: "stack = []" by simp
    from tDisj i4 have RisMarked[rule_format]: "\x. x \ R \ m x"  by(auto simp: reachable_def addrs_def stackEmpty)
    from i5 i6 show "(\x.(x \ R) = m x) \ r = iR \ l = iL"  by(auto simp: stackEmpty fun_eq_iff intro:RisMarked)
  next
    fix c m l r t p q root
    let "\stack. ?Inv stack"  =  "?inv c m l r t p"
    let "\stack. ?popInv stack"  =  "?inv c m l (r(p \ t)) p (p^.r)"
    let "\stack. ?swInv stack"  =
      "?inv (c(p \ True)) m (l(p \ t)) (r(p \ p^.l)) (p^.r) p"
    let "\stack. ?puInv stack"  =
      "?inv (c(t \ False)) (m(t \ True)) (l(t \ p)) r (t^.l) t"
    let "?ifB1"  =  "(t = Null \ t^.m)"
    let "?ifB2"  =  "p^.c"

    assume "(\stack.?Inv stack) \ ?whileB m t p"
    then obtain stack where inv: "?Inv stack" and whileB: "?whileB m t p" by blast
    let "?I1 \ ?I2 \ ?I3 \ ?I4 \ ?I5 \ ?I6 \ ?I7" = "?Inv stack"
    from inv have i1: "?I1" and i2: "?I2" and i3: "?I3" and i4: "?I4"
                and i5: "?I5" and i6: "?I6" and i7: "?I7" by simp+
    have stackDist: "distinct (stack)" using i1 by (rule List_distinct)

    show "(?ifB1 \ (?ifB2 \ (\stack.?popInv stack)) \
                          (¬?ifB2 ⟶ (∃stack.?swInv stack)) ) ∧
            (¬?ifB1 ⟶ (∃stack.?puInv stack))"
    proof -
      {
        assume ifB1: "t = Null \ t^.m" and ifB2: "p^.c"
        from ifB1 whileB have pNotNull: "p \ Null" by auto
        then obtain addr_p where addr_p_eq: "p = Ref addr_p" by auto
        with i1 obtain stack_tl where stack_eq: "stack = (addr p) # stack_tl"
          by auto
        with i2 have m_addr_p: "p^.m" by auto
        have stackDist: "distinct (stack)" using i1 by (rule List_distinct)
        from stack_eq stackDist have p_notin_stack_tl: "addr p \ set stack_tl" by simp
        let "?poI1\ ?poI2\ ?poI3\ ?poI4\ ?poI5\ ?poI6\ ?poI7" = "?popInv stack_tl"
        have "?popInv stack_tl"
        proof -

          🍋 ‹List property is maintained:›
          from i1 p_notin_stack_tl ifB2
          have poI1: "List (S c l (r(p \ t))) (p^.r) stack_tl"
            by(simp add: addr_p_eq stack_eq, simp add: S_def)

          moreover
          🍋 ‹Everything on the stack is marked:›
          from i2 have poI2: "\ x \ set stack_tl. m x" by (simp add:stack_eq)
          moreover

          🍋 ‹Everything is still reachable:›
          let "(R = reachable ?Ra ?A)" = "?I3"
          let "?Rb" = "(relS {l, r(p \ t)})"
          let "?B" = "{p, p^.r}"
          🍋 ‹Our goal is ‹R = reachable ?Rb ?B›.›
          have "?Ra\<^sup>* `` addrs ?A = ?Rb\<^sup>* `` addrs ?B" (is "?L = ?R")
          proof
            show "?L \ ?R"
            proof (rule still_reachable)
              show "addrs ?A \ ?Rb\<^sup>* `` addrs ?B" by(fastforce simp:addrs_def relS_def rel_def addr_p_eq
                   intro:oneStep_reachable Image_iff[THEN iffD2])
              show "\(x,y) \ ?Ra-?Rb. y \ (?Rb\<^sup>* `` addrs ?B)" by (clarsimp simp:relS_def)
                   (fastforce simp add:rel_def Image_iff addrs_def dest:rel_upd1)
            qed
            show "?R \ ?L"
            proof (rule still_reachable)
              show "addrs ?B \ ?Ra\<^sup>* `` addrs ?A"
                by(fastforce simp:addrs_def rel_defs addr_p_eq
                    intro:oneStep_reachable Image_iff[THEN iffD2])
            next
              show "\(x, y)\?Rb-?Ra. y\(?Ra\<^sup>*``addrs ?A)"
                by (clarsimp simp:relS_def)
                   (fastforce simp add:rel_def Image_iff addrs_def dest:rel_upd2)
            qed
          qed
          with i3 have poI3: "R = reachable ?Rb ?B"  by (simp add:reachable_def)
          moreover

          🍋 ‹If it is reachable and not marked, it is still reachable using...›
          let "\x. x \ R \ \ m x \ x \ reachable ?Ra ?A"  =  ?I4
          let "?Rb" = "relS {l, r(p \ t)} | m"
          let "?B" = "{p} \ set (map (r(p \ t)) stack_tl)"
          🍋 ‹Our goal is ‹∀x. x ∈ R ∧ ¬ m x ⟶ x ∈ reachable ?Rb ?B›.›
          let ?T = "{t, p^.r}"

          have "?Ra\<^sup>* `` addrs ?A \ ?Rb\<^sup>* `` (addrs ?B \ addrs ?T)"
          proof (rule still_reachable)
            have rewrite: "\s\set stack_tl. (r(p \ t)) s = r s"
              by (auto simp add:p_notin_stack_tl intro:fun_upd_other)
            show "addrs ?A \ ?Rb\<^sup>* `` (addrs ?B \ addrs ?T)"
              by (fastforce cong:map_cong simp:stack_eq addrs_def rewrite intro:self_reachable)
            show "\(x, y)\?Ra-?Rb. y\(?Rb\<^sup>*``(addrs ?B \ addrs ?T))"
              by (clarsimp simp:restr_def relS_def)
                (fastforce simp add:rel_def Image_iff addrs_def dest:rel_upd1)
          qed
          🍋 ‹We now bring a term from the right to the left of the subset relation.›
          hence subset: "?Ra\<^sup>* `` addrs ?A - ?Rb\<^sup>* `` addrs ?T \ ?Rb\<^sup>* `` addrs ?B"
            by blast
          have poI4: "\x. x \ R \ \ m x \ x \ reachable ?Rb ?B"
          proof (rule allI, rule impI)
            fix x
            assume a: "x \ R \ \ m x"
            🍋 ‹First, a disjunction on 🍋‹p^.r› used later in the proof›
            have pDisj:"p^.r = Null \ (p^.r \ Null \ p^.r^.m)" using poI1 poI2
              by auto
            🍋 ‹🍋‹x› belongs to the left hand side of @{thm[source] subset}:›
            have incl: "x \ ?Ra\<^sup>*``addrs ?A" using  a i4 by (simp only:reachable_def, clarsimp)
            have excl: "x \ ?Rb\<^sup>*`` addrs ?T" using pDisj ifB1 a by (auto simp add:addrs_def)
            🍋 ‹And therefore also belongs to the right hand side of @{thm[source]subset},›
            🍋 ‹which corresponds to our goal.›
            from incl excl subset  show "x \ reachable ?Rb ?B" by (auto simp add:reachable_def)
          qed
          moreover

          🍋 ‹If it is marked, then it is reachable›
          from i5 have poI5: "\x. m x \ x \ R" .
          moreover

          🍋 ‹If it is not on the stack, then its 🍋‹l› and 🍋‹r› fields are unchanged›
          from i7 i6 ifB2
          have poI6: "\x. x \ set stack_tl \ (r(p \ t)) x = iR x \ l x = iL x"
            by(auto simp: addr_p_eq stack_eq fun_upd_apply)

          moreover

          🍋 ‹If it is on the stack, then its 🍋‹l› and 🍋‹r› fields can be reconstructed›
          from p_notin_stack_tl i7 have poI7: "stkOk c l (r(p \ t)) iL iR p stack_tl"
            by (clarsimp simp:stack_eq addr_p_eq)

          ultimately show "?popInv stack_tl" by simp
        qed
        hence "\stack. ?popInv stack" ..
      }
      moreover

      🍋 ‹Proofs of the Swing and Push arm follow.›
      🍋 ‹Since they are in principle simmilar to the Pop arm proof,›
      🍋 ‹we show fewer comments and use frequent pattern matching.›
      {
        🍋 ‹Swing arm›
        assume ifB1: "?ifB1" and nifB2: "\?ifB2"
        from ifB1 whileB have pNotNull: "p \ Null" by clarsimp
        then obtain addr_p where addr_p_eq: "p = Ref addr_p" by clarsimp
        with i1 obtain stack_tl where stack_eq: "stack = (addr p) # stack_tl" by clarsimp
        with i2 have m_addr_p: "p^.m" by clarsimp
        from stack_eq stackDist have p_notin_stack_tl: "(addr p) \ set stack_tl"
          by simp
        let "?swI1\?swI2\?swI3\?swI4\?swI5\?swI6\?swI7" = "?swInv stack"
        have "?swInv stack"
        proof -

          🍋 ‹List property is maintained:›
          from i1 p_notin_stack_tl nifB2
          have swI1: "?swI1"
            by (simp add:addr_p_eq stack_eq, simp add:S_def)
          moreover

          🍋 ‹Everything on the stack is marked:›
          from i2
          have swI2: "?swI2" .
          moreover

          🍋 ‹Everything is still reachable:›
          let "R = reachable ?Ra ?A" = "?I3"
          let "R = reachable ?Rb ?B" = "?swI3"
          have "?Ra\<^sup>* `` addrs ?A = ?Rb\<^sup>* `` addrs ?B"
          proof (rule still_reachable_eq)
            show "addrs ?A \ ?Rb\<^sup>* `` addrs ?B"
              by(fastforce simp:addrs_def rel_defs addr_p_eq intro:oneStep_reachable Image_iff[THEN iffD2])
          next
            show "addrs ?B \ ?Ra\<^sup>* `` addrs ?A"
              by(fastforce simp:addrs_def rel_defs addr_p_eq intro:oneStep_reachable Image_iff[THEN iffD2])
          next
            show "\(x, y)\?Ra-?Rb. y\(?Rb\<^sup>*``addrs ?B)"
              by (clarsimp simp:relS_def) (fastforce simp add:rel_def Image_iff addrs_def fun_upd_apply dest:rel_upd1)
          next
            show "\(x, y)\?Rb-?Ra. y\(?Ra\<^sup>*``addrs ?A)"
              by (clarsimp simp:relS_def) (fastforce simp add:rel_def Image_iff addrs_def fun_upd_apply dest:rel_upd2)
          qed
          with i3
          have swI3: "?swI3" by (simp add:reachable_def)
          moreover

          🍋 ‹If it is reachable and not marked, it is still reachable using...›
          let "\x. x \ R \ \ m x \ x \ reachable ?Ra ?A" = ?I4
          let "\x. x \ R \ \ m x \ x \ reachable ?Rb ?B" = ?swI4
          let ?T = "{t}"
          have "?Ra\<^sup>*``addrs ?A \ ?Rb\<^sup>*``(addrs ?B \ addrs ?T)"
          proof (rule still_reachable)
            have rewrite: "(\s\set stack_tl. (r(addr p := l(addr p))) s = r s)"
              by (auto simp add:p_notin_stack_tl intro:fun_upd_other)
            show "addrs ?A \ ?Rb\<^sup>* `` (addrs ?B \ addrs ?T)"
              by (fastforce cong:map_cong simp:stack_eq addrs_def rewrite intro:self_reachable)
          next
            show "\(x, y)\?Ra-?Rb. y\(?Rb\<^sup>*``(addrs ?B \ addrs ?T))"
              by (clarsimp simp:relS_def restr_def) (fastforce simp add:rel_def Image_iff addrs_def fun_upd_apply dest:rel_upd1)
          qed
          then have subset: "?Ra\<^sup>*``addrs ?A - ?Rb\<^sup>*``addrs ?T \ ?Rb\<^sup>*``addrs ?B"
            by blast
          have ?swI4
          proof (rule allI, rule impI)
            fix x
            assume a: "x \ R \\ m x"
            with i4 addr_p_eq stack_eq  have inc: "x \ ?Ra\<^sup>*``addrs ?A"
              by (simp only:reachable_def, clarsimp)
            with ifB1 a
            have exc: "x \ ?Rb\<^sup>*`` addrs ?T"
              by (auto simp add:addrs_def)
            from inc exc subset  show "x \ reachable ?Rb ?B"
              by (auto simp add:reachable_def)
          qed
          moreover

          🍋 ‹If it is marked, then it is reachable›
          from i5
          have "?swI5" .
          moreover

          🍋 ‹If it is not on the stack, then its 🍋‹l› and 🍋‹r› fields are unchanged›
          from i6 stack_eq
          have "?swI6"
            by clarsimp
          moreover

          🍋 ‹If it is on the stack, then its 🍋‹l› and 🍋‹r› fields can be reconstructed›
          from stackDist i7 nifB2
          have "?swI7"
            by (clarsimp simp:addr_p_eq stack_eq)

          ultimately show ?thesis by auto
        qed
        then have "\stack. ?swInv stack" by blast
      }
      moreover

      {
        🍋 ‹Push arm›
        assume nifB1: "\?ifB1"
        from nifB1 whileB have tNotNull: "t \ Null" by clarsimp
        then obtain addr_t where addr_t_eq: "t = Ref addr_t" by clarsimp
        with i1 obtain new_stack where new_stack_eq: "new_stack = (addr t) # stack" by clarsimp
        from tNotNull nifB1 have n_m_addr_t: "\ (t^.m)" by clarsimp
        with i2 have t_notin_stack: "(addr t) \ set stack" by blast
        let "?puI1\?puI2\?puI3\?puI4\?puI5\?puI6\?puI7" = "?puInv new_stack"
        have "?puInv new_stack"
        proof -

          🍋 ‹List property is maintained:›
          from i1 t_notin_stack
          have puI1: "?puI1"
            by (simp add:addr_t_eq new_stack_eq, simp add:S_def)
          moreover

          🍋 ‹Everything on the stack is marked:›
          from i2
          have puI2: "?puI2"
            by (simp add:new_stack_eq fun_upd_apply)
          moreover

          🍋 ‹Everything is still reachable:›
          let "R = reachable ?Ra ?A" = "?I3"
          let "R = reachable ?Rb ?B" = "?puI3"
          have "?Ra\<^sup>* `` addrs ?A = ?Rb\<^sup>* `` addrs ?B"
          proof (rule still_reachable_eq)
            show "addrs ?A \ ?Rb\<^sup>* `` addrs ?B"
              by(fastforce simp:addrs_def rel_defs addr_t_eq intro:oneStep_reachable Image_iff[THEN iffD2])
          next
            show "addrs ?B \ ?Ra\<^sup>* `` addrs ?A"
              by(fastforce simp:addrs_def rel_defs addr_t_eq intro:oneStep_reachable Image_iff[THEN iffD2])
          next
            show "\(x, y)\?Ra-?Rb. y\(?Rb\<^sup>*``addrs ?B)"
              by (clarsimp simp:relS_def) (fastforce simp add:rel_def Image_iff addrs_def dest:rel_upd1)
          next
            show "\(x, y)\?Rb-?Ra. y\(?Ra\<^sup>*``addrs ?A)"
              by (clarsimp simp:relS_def) (fastforce simp add:rel_def Image_iff addrs_def fun_upd_apply dest:rel_upd2)
          qed
          with i3
          have puI3: "?puI3" by (simp add:reachable_def)
          moreover

          🍋 ‹If it is reachable and not marked, it is still reachable using...›
          let "\x. x \ R \ \ m x \ x \ reachable ?Ra ?A" = ?I4
          let "\x. x \ R \ \ ?new_m x \ x \ reachable ?Rb ?B" = ?puI4
          let ?T = "{t}"
          have "?Ra\<^sup>*``addrs ?A \ ?Rb\<^sup>*``(addrs ?B \ addrs ?T)"
          proof (rule still_reachable)
            show "addrs ?A \ ?Rb\<^sup>* `` (addrs ?B \ addrs ?T)"
              by (fastforce simp:new_stack_eq addrs_def intro:self_reachable)
          next
            show "\(x, y)\?Ra-?Rb. y\(?Rb\<^sup>*``(addrs ?B \ addrs ?T))"
              by (clarsimp simp:relS_def new_stack_eq restr_un restr_upd)
                 (fastforce simp add:rel_def Image_iff restr_def addrs_def fun_upd_apply addr_t_eq dest:rel_upd3)
          qed
          then have subset: "?Ra\<^sup>*``addrs ?A - ?Rb\<^sup>*``addrs ?T \ ?Rb\<^sup>*``addrs ?B"
            by blast
          have ?puI4
          proof (rule allI, rule impI)
            fix x
            assume a: "x \ R \ \ ?new_m x"
            have xDisj: "x=(addr t) \ x\(addr t)" by simp
            with i4 a have inc: "x \ ?Ra\<^sup>*``addrs ?A"
              by (fastforce simp:addr_t_eq addrs_def reachable_def intro:self_reachable)
            have exc: "x \ ?Rb\<^sup>*`` addrs ?T"
              using xDisj a n_m_addr_t
              by (clarsimp simp add:addrs_def addr_t_eq)
            from inc exc subset  show "x \ reachable ?Rb ?B"
              by (auto simp add:reachable_def)
          qed
          moreover

          🍋 ‹If it is marked, then it is reachable›
          from i5
          have "?puI5"
            by (auto simp:addrs_def i3 reachable_def addr_t_eq fun_upd_apply intro:self_reachable)
          moreover

          🍋 ‹If it is not on the stack, then its 🍋‹l› and 🍋‹r› fields are unchanged›
          from i6
          have "?puI6"
            by (simp add:new_stack_eq)
          moreover

          🍋 ‹If it is on the stack, then its 🍋‹l› and 🍋‹r› fields can be reconstructed›
          from stackDist i6 t_notin_stack i7
          have "?puI7" by (clarsimp simp:addr_t_eq new_stack_eq)

          ultimately show ?thesis by auto
        qed
        then have "\stack. ?puInv stack" by blast

      }
      ultimately show ?thesis by blast
    qed
  }
qed

end