Évaluation et implémentation des langages Les langages de programmation et le processus de programmation Critères de conception et d’évaluation des langages de programmation Implémentation des langages de programmation

Les langages de programmation et le processus de programmation Programmer, c’est plus que simplement écrire du code. Pourquoi étudier les langages de programmation? Les paradigmes et applications de la programmation.

Programmer, c’est plus que simplement écrire du code. Avant d’écrire le code,le problème est l’analyse. Un algorithme est développé (ou emprunté), le coût de la solution est évalué. Après avoir écrit le code, le programme doit être maintenu. Les langages de programmation transmettent des instructions aux ordinateurs. Qu’est-ce qu’un ordinateur comprend? Comment l’ordinateur nous répondra?

Programmer, c’est plus que simplement écrire du code (suite) Comment les langages de programmation diffèrent-ils des langages naturels? Qu’est-ce qui fait de quelqu’un un bon programmeur? Un programmeur devrait-il connaître plus d’un langages de programmation?

Pourquoi étudier les langages de programmation? Pour mieux comprendre la relation entre les algorithmes et les programmes. Pour apprendre à trouver des solutions générales, indépendantes du langage choisi. Pour pouvoir mieux choisir les outils de programmation les plus appropriés.

Pourquoi étudier les langages de programmation? (suite) Pour apprécier le fonctionnement des ordinateurs en sachant comment les langages sont implémentés. Pour faciliter l’apprentissage de nouveaux langages. Pour savoir développer de nouveaux langages formels (pour l’entré de données par exemple). Pour constater comment les langages influencent l’informatique en tant que discipline, et encouragent les bonnes pratiques de développement de logiciels.

Les différent types de langages: Paradigmes de programmation Différent langages permettent de résoudre différents problèmes de façon différentes. Une opération peut être exprimée dans différents langages, puis exécuté sur la même machine.

Différents paradigmes de programmation Langages impératifs: Ces langages permettent au programmeur d’attribuer des valeurs à des espaces mémoire, afin de décrire explicitement comment résoudre le problème. (Java, C++, Pascal) Langages déclaratifs: Ces langages permettent au programmeur de déclarer diverse entités et relations. Le programme pourra ensuite utiliser ces déclarations pour résoudre le problème. (Prolog, Lisp)

Langages Déclaratifs Programmation fonctionnelle: Un programme consiste en la déclaration de fonctions. Un appel à une fonction est fait et retournera un élément qui dépendra de la valeur de ses paramètres qui peuvent, eux même, être des appels à des fonctions.(Lisp) Programmation logique: Un programme consiste en la déclaration d’une série d ’axiomes et de règles de déduction, et la présentation d’un théorème à prouver. Le programme répond si le théorème peut être prouvé ou non à partir des déclarations. (Prolog)

Langages Impératifs Programmation procédurale: Le programme est divisé en blocs pouvant contenir des variables locales, ainsi que d’autres blocs. (C, Fortran, Pascal) Programmation orientée objet: Des objets se rapportant au problème sont définis, avec leurs attributs et leur façon de réagir à différent événements. Le problème est résolu grâce a l’interaction entre ces objets. (Java, Smalltalk) Programmation concurrente: Langage permettant l’utilisation de plusieurs CPU opérant en parallèle. Les donnés peuvent être partagées entre les processeurs ou restreintes à certain d’entre eux. (Ada 95, Java)

Spécialisation d’un langage Langages à usage général: la plupart des langages que vous connaissez. Langages spécialises: ex: matlab (mathématiques), Cobol (production de rapports), SQL (bases de données), Perl (langage script).

Niveau de complexité et d’abstraction Langages de bas niveau (langage machine, assembleur). Langages de haut niveau (les langages les plus utilisés). Langages de très haut niveau (Prolog, ainsi que certain langages spécialises). Au delà des langages de programmation: Environnements de programmation et outils de développement logiciel (JBuilder, Visulal C++)

Domaines d’application Traitement de données ("business applications"). Important dans le passé, maintenant largement remplacé par les bases de données, tableurs, et logiciels spécialisés. Calcul scientifique (incluant l’ingénierie). Aujourd’hui, largement influencé par la conception de nouveau hardwares tel que les superordinateurs ou les ordinateurs vectoriels.

Domaines d’application (2) Intelligence artificielle et autres applications en marge de l’informatique. Logiciel éducatifs, jeux… De nouveaux hardware sont proposés (présentement surtout simulés) pour l’intelligence artificielle: réseaux de neurones, ordinateurs à connexion. Applications en interne compilateurs, systèmes d’exploitation, GUI, API.

Critères pour la conception et l’évaluation de langages de programmation Lisibilité Aptitude à l’écriture Fiabilité Coût

Lisibilité Ce critère est subjectif, mais important. La lisibilité d’un langage est rendu essentielle par les usages courrant du génie logiciel, en particulier, pour les fins d’évolution, de maintenance, et de mise à jour des logiciels. Abstraction: permettre la généralité des programmes, l’abstraction procédurale, et l’abstraction des données. Absence d’ambiguïtés Absence d’une surabondance de choix: Par exemple, certain langages permettent d’écrire les boucles de plusieurs façon différentes.

Lisibilité (2) Orthogonalité: l’absence de restrictions sur la façon de combiner les primitives du langage. (Il est plus facile de constater le manque d’orthogonalité.) Exemple: Un tableau peut-il contenir des éléments de n’importe quel type? Résulte en une diminution du nombre de cas spéciaux. Peut être poussé trop loin (Algol 68).

Lisibilité (3) Expressivité des structures de contrôle et de données. Qu’est-ce qui est plus facile à lire et maintenir: un long programme bâtie à partir d’éléments simple? -ou- un programme bref bâtie à partir d’éléments complexes et spécialises? Exemples d’expressivité: la récursivité, le retour arrière incorporé de Prolog, la recherche dans les langages de base de données. Exemple de peu d’expressivité: instructions d’assembleur. Apparence: syntaxe élégante, commentaires.

Aptitude à l’écriture Encore subjectif. Abstraction: comme pour la lisibilité Simplicité: Basic et Pascal sont simple Prolog est conceptuellement simple, mais difficile en pratique. C++ et Java? Expressivité (encore). Modularité: aussi la présence d’outils de modularisation et la capacité d’être incorporé dans un environnement de programmation intégré.

Fiabilité et Coût Fiabilité: Vérification des types, traitement des exceptions et erreurs, l’absence d’ambiguïtés (et en générale la lisibilité et l’aptitude a l’écriture). Coût associées à l’utilisation du langage. Temps nécessaire au développement (facilité de programmation, disponibilité de code, de librairies et de documentation). Facilité d’implémentation: (affecte la disponibilité et le coût des compilateurs) Algol 68 a échoué, Ada presque; l’implémentation de Pascal, C, C++ et Java ont été de grand succès. Temps nécessaire pour traduire, et l’efficacité du code résultant. Portabilité et standardisation.

L’implémentation de langages de programmation Processeurs de langage machines virtuelles Modèles d’implémentation Compilation et exécution

Processeurs de langage A processeur de langage est un dispositif (logiciel ou matériel (hardware)) capable d’exécuter des instructions du langage. La traduction est le processus qui transforme un programme d’un langage à un autre, tout en préservant son sens et sa fonctionnalité. Le langage cible peut être directement exécutable sur l’ordinateur, ou (plus souvent) devra à nouveau être traduit en un langage de niveau inférieur.

Machines virtuelles Une machine virtuelle est une réalisation logicielle (simulation) d’un processeur de langage. Il est difficile de programmer directement pour le hardware—le hardware est donc généralement « enveloppé » de plusieurs couches logicielles. Une couche peut être partagé par plusieurs processeurs de langage,chacun ayant sa propre machine virtuelle au dessus de cette couche.

Exemple de couches partagées Tout processeurs de langage nécessitent une capacité d’entrées /sorties. Tout les processeurs de langage doivent effectuer des calcules (utiliser le CPU).

Machines virtuelles Il existe normalement une hiérarchie de machines virtuelles: Au plus bas niveau: hardware. Au plus haut: des langages plus intuitifs pour le programmeur. Chaque couche est exprimée uniquement en terme de la précédente, ce qui assure une abstraction approprié.

Exemple de hiérarchie de machines virtuelles Layer 0: hardware Layer 1: microcode Layer 2: langage machine Layer 3: appels système Layer 4: code indépendant de la machine Layer 5: langage de haut niveau (ou assembleur) Layer 6: programme d’application Layer 7: données d’entré [aussi un langage]

Machines virtuelles—exemples Layer 0: IBM Netvista avec Pentium 4 de Intel, 2GHz Layer 1: Langage machine IBM Intel Layer 2: Windows XP Layer 3: Java byte-code Layer 4: Java 2.0 (code developé en JRE 1.4.0) Layer 5: comparateur intelligent de programmes C++, écrit en Java Layer 6: deux programmes C++ à comparer afin de trouver les similarités

Machines virtuelles—exemples (2) Layer 0: IBM Netvista avec Pentium 4 de Intel, 2GHz Layer 1: Langage machine IBM Intel Layer 2: Windows NT 4.0 Layer 3: Java byte-code Layer 4: JDK 1.2 Layer 5: Une implémentation en Java de Prolog Layer 6: Une implémentation en Prolog de mySQL Layer 7: Un patron de base de données défini et créé Layer 8: des enregistrements à insérer dans la base de données

Modèles d’implémentation Compilation: Traduit le programme en un langage d’une machine virtuelle d’une couche plus basse. Le code résultant sera exécuté plus tard. Interprétation: Divise le programme en petit fragments (représentant des éléments de syntaxe). Une boucle traduit et exécute immédiatement les fragments.

Modèles d’implémentation(2) La compilation pure et l’interprétation pure sont peu utilisé. L’implémentation des langages de programmation utilise souvent un mélange des deux. - exemple: Java est compilé en « bytecode », puis celui-ci est interprété. On designer un processeur de langage comme interpréteur si il ressemble plus à un interpréteur, et comme compilateur, si il ressemble plus à un compilateur.

Modèles d’implémentation(3) Certain langages se prêtent mieux à l’interprétation, par exemple Prolog et Lisp qui sont utilisé de manière interactive. D’autre se prêtent mieux à la compilation, tel que C++ et Java. Il existe des versions compilés de Prolog et Lisp: Une boucle d’interprétation de haut-niveau régît l’interaction usagée. Les prédicats / fonctions sont compilées en un format optimisé qui est interprété.

Compilation et exécution Programme source compilateur Séquence d’unités lexicales Analyse lexicale (scaning) Analyse syntaxique (parsing) Table de symboles Arbre syntaxique Optimisation du code Programme abstrait (code intermédiaire) Analyse sémantique Programme abstrait (optimisé) Chargeur/Éditeur de liens (Loader/Linker) Génération du code Code exécutable (object code) Programme résultant Données d’entré Ordinateur Données de sortie