Introduction à la programmation

A. SIGAYRET – UFR ST :
La programmation

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   La programmation constitue souvent un point d'entrée à l'informatique : un nombre non négligeable d'étudiants se sont décidés pour des études informatiques après avoir appris par eux-mêmes à programmer. Il en résulte souvent une compétence technique très poussée dans le langage de programmation choisi, généralement le C ou un langage syntaxiquement proche.
   Paradoxalement, cet apprentissage précoce peut constituer un désavantage car la virtuosité de programmation dans un langage ne préjuge pas des capacités globales à suivre un cursus informatique. En effet, l'apprentissage indispensable d'autres langages de programmation aux paradigmes différents nécessitera d'abandonner les réflexes d'écriture acquis. De plus, la création d'un logiciel dans une optique professionnelle nécessite de prendre en compte beaucoup d'autres paramètres à la fois théoriques et pratiques.
   Préalable indispensable à la programmation professionnelle, les questions théoriques sont abordées par l'algorithmique. On y découvre par exemple que certains problèmes ne peuvent être résolus par une machine. L'impossibilité théorique est liée à la théorie mathématique sous-tendant la conception des ordinateurs, soit que le problème posé ne puisse pas être résolu par la machine, soit que le temps de calcul nécessaire serait déraisonnablement long.
   D'autre part, la mise au point de programmes complexes nécessite la coordination de plusieurs programmeurs, et l'évolution indispensable des logiciels produits nécessite des modifications de programme impliquant une très grande lisibilité du code source. C'est l'objet du génie logiciel qui, comme toute activité humaine collective doit prendre en compte les questions de communication inter-individuelle ou collective, pour ne rien dire des questions financières.
   Enfin, bien que l'informatique soit une discipline jeune, il existe une grande diversité de langages de programmation (Il semble que la création de langages de programmation soit une activité du cerveau aussi gratifiante que la création de langues artificielles!). Pour ne pas s'y perdre, quelques éléments de classification ne sont donc pas inutiles.

Les classements que je propose ici constituent une synthèse – pas forcément consensuelle – de l'existant.

Les paradigmes de programmation
La manière dont un langage de programmation est conçu reflète le mode de représentation de la réalité à programmer que peuvent avoir les concepteurs du langage.
- Programmation impérative :
  On se focalise sur les instructions permettant de réaliser le traitement en suivant les directives données directement par le programmeur.
  1. Programmation "spaghetti" (Goto).
    Exp : Basic (initial). Assembleurs.
  2. Programmation itérative (si-alors-sinon, pour, tantque)
    1. simple
    2. structurée (procédures et/ou fonctions, qui sont des blocs nommés avec passage de paramètres).
      Exp : Fortran, C.
- Programmation [orientée] objet :
  On se focalise sur la structuration des données et leur traitement. Classement selon autonomie et communication des objets.
  - Objets classes (hiérarchisés). Exp : Pascal, Ada, Smalltalk. Java.
  - Objets prototypes (objet de référence).
  - Objets composants (autonomes et communicants).
- Programmation déclarative :
  On se focalise sur la description des buts à atteindre, laissant la manière d'atteindre ces objectifs à la discrétion du compilateur.
  - Programmation descriptive. Exp : XML, HTML, LaTeX.
  - Programmation fonctionnelle (des fonctions, pas de procédures).
    Exp Lisp, Caml.
    N.B. Les langages fonctionnels peuvent avoir des instructions itératives qui leur donne les capacités d'un langage impératif structuré.
  - Programmation logique, par prédicats logiques et/ou par contraintes. Exp Prolog.
Les niveaux de programmation des langages impératifs
L'évolution historique des langages les éloigne progressivement de la machine pour les rapprocher du fonctionnement de l'esprit humain
- Niveau I – Microcode.
  Il s'agit du code directement compréhensible par la machine. Par exemple 1111010000000000 peut être l'instruction qui place le contenu du premier registre du processeur dans la pile.
- Niveau II – Assembleur.
  Les langages de ce niveau sont aussi proches de la machine que le microcode et dépendent donc à la fois du processeur et du système d'exploitation. Chaque instruction du processeur correspond à une instruction plus signifiante pour un humain, par exemple, PUSH AX remplacera 1111010000000000 dans un document texte que le programmeur éditera et qui sera ensuite traduit (compilé) par un programme (un compilateur). Le programme se déroule séquentiellement sauf s'il rencontre une instruction de saut (de type JUMP, CALL, ...).
- Niveau III – Bas niveau.
  Dans ce niveau apparait la notion de procédure et de fonction : des blocs de programme se voient attribuer un nom et peuvent donc être appelés. Les instructions de saut sont remplacés par des instructions itératives. Le programme est ainsi structuré en unités fonctionnelles qui peuvent interagir. Les données traitées peuvent être classées dans différents types (entier, réel, caractère, etc.) mais le contrôle exercé sur ces types par le programme reste faible (typage flou). Le plus célèbre langage de cette catégorie est le C. On peut placer ici aussi le Basic, bien que les premières versions de ce langage aient conservé (tels des fossiles vivants) des instructions de saut GOTO qui n'ont disparu qu'ultérieurement au profit des boucles itératives.
- Niveau IV – Moyen niveau.
  Dans ce niveau, le typage des données est mieux établi, un entier ne peut être confondu avec un caractère (typage fort). Le langage peut autoriser la généralisation de type : un entier est un cas particulier de réel, un caractère peut constituer une chaîne de caractères de taille un (typage souple = typage sémantique), il peut au contraire strictement cloisonner les types de données : un entier ne doit pas être confondu avec un nombre réel lequel doit avoir une virgule décimale (typage stricte). Les procédures et fonctions sont bien définies et peuvent être regroupées en unités fonctionnelles. Le langage Pascal appartient à cette catégorie où ne peut pas vraiment placer le C++.
- Niveau V – Haut niveau.
  Dans ce niveau, le langage est prévu pour s'adapter le mieux possible à la manière de penser de l'être humain (ou du moins du programmeur :-) ). La notion d'objet apparait, c'est à dire un bloc de programme individualisé et constitué de données et de traitements ayant une cohérence conceptuelle. Un ensemble d'outils sophistiqués de génie logiciel gèrent automatiquement tous les problèmes de bas niveau, voire une partie des questions conceptuelles. Le langage Java appartient à ce niveau, ainsi que les évolutions des langages du niveau précédent telles que Delphi, Objective C, etc. Le langage Python a l'avantage d'une mise en page du code semblable à celle de l'algorithmique.
- Niveau VI – Très haut niveau.
  Les langages de ce niveau doivent être capables de communiquer avec les humains et de reproduire leurs raisonnements. On parle alors d'intelligence artificielle. On peut alors se heurter à des limites théoriques (NP-complétude, indécidabilité, etc.) avec lesquelles il faut négocier. De tels langages sont par exemple utilisés en robotique.
Compilation ou interprétation
Ce qu'écrit le programmeur, le code source, ne peut être utilisé directement par la machine mais doit être traduit en microcode.
Cette traduction peut se faire de deux manières :
– Un compilateur crée un fichier appelé exécutable qui contient le code machine directement utilisable. La compilation permet d'avoir un programme directement prévu pour la machine sans s'inquiéter du code source devenu inutile.
– Un interpréteur lit le code source et le traduit à mesure en code machine qui est exécuté progressivement. L'interprétation permet plus facilement de suivre l'exécution du programme et de corriger les éventuelles erreurs de programmation.

2017-07-01 – A. Sigayret