valuation et implmentation des langages Les langages de

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 CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 1

Les langages de programmation ﮂ Les premiers ordinateurs digitaux furent construits dans les années 40. Le premier langage de programmation de hautniveau fut Plankalkül Un programe qui calcule le maximum de trois variables ﮂ Developé pour le Z 3 par Konrad Zuse entre 1943 et 1945. ﮂ Par contre, il n’ a été implementé que en 1998. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 2

Mais meme avant • Décrire les pas et les figures de danse, et les mettre sur le papier. • En plus des caractéristiques propres à cette dernière (hauteur, force, durée, etc. ), le mouvement comporte un aspect tridimensionnel particulièrement difficile à rendre en deux dimensions. • Décrire la fluidité du mouvement, rendre sa durée, sa dynamique, sa trajectoire au sol et dans l'espace, décrire les variantes, les singularités d'un danseur, les subtilités d'un style CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 3

Programmer, c’est plus que simplement écrire du code. ﭖ Pourquoi étudier les langages de programmation? ﭖ Un paradigme est un style de programmation qui traite de la manière dont les solutions aux problèmes doivent être formulées dans un langage de programmation CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 4

Programmer, c’est plus (mais moins) que simplement écrire du code. צּ Avant de coder, il faut analyser le problème. צּ Un algorithme est développé (ou emprunté), le coût de la solution est évalué. צּ Après avoir écrit le code, le programme doit être maintenu. Al-Khawarizmi (783 – 850) fut un mathématicien, géographe, astrologue et astronome d'origine perse. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 5

ﻻ Les langages de programmation transmettent des instructions aux ordinateurs ﻻ Qu’est-ce qu’un ordinateur comprend? ﻻ Comment l’ordinateur répondra? ﻻ What is the matrix? CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 6

Programmer, c’est plus que simplement écrire du code • 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? CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 7

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 8

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 9

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 10

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) CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 11

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) CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 12

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) CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 13

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). CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 14

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++) CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 15

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 16

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 17

Critères pour la conception et l’évaluation de langages de programmation Lisibilité Aptitude à l’écriture Fiabilité Coût CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 18

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 19

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). CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 20

• 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? -ouun programme bref bâtie à partir d’éléments complexes et spécialises? CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 21

• 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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 22

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 23

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 24

L’implémentation de langages de programmation – Processeurs de langage – machines virtuelles – Modèles d’implémentation – Compilation et exécution CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 25

Processeurs de langage • Un 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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 26

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 27

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). CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 28

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 29

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] CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 30

Machines virtuelles—exemples Layer 0: Layer 1: Layer 2: Layer 3: Layer 4: Layer 5: Layer 6: IBM Netvista avec Pentium 4 de Intel, 2 GHz Langage machine IBM Intel Windows XP Java byte-code Java 2. 0 (code developé en JRE 1. 4. 0) comparateur intelligent de programmes C++, écrit en Java deux programmes C++ à comparer afin de trouver les similarités CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 31

Machines virtuelles—exemples (2) Layer 0: Layer 1: Layer 2: Layer 3: Layer 4: Layer 5: Layer 6: Layer 7: Layer 8: IBM Netvista avec Pentium 4 de Intel, 2 GHz Langage machine IBM Intel Windows NT 4. 0 Java byte-code JDK 1. 2 Une implémentation en Java de Prolog Une implémentation en Prolog de my. SQL Un patron de base de données défini et créé des enregistrements à insérer dans la base de données CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 32

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 33

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 34

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. CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 35

Programme source Compilation et exécution compilateur Analyse lexicale (scaning) Séquence d’unités lexicales Table de symboles Optimisation du code Programme abstrait (code intermédiaire) Analyse syntaxique (parsing) Arbre syntaxique Analyse sémantique Programme abstrait (optimisé) Génération du code Code exécutable (object code) Chargeur/Éditeur de liens (Loader/Linker) Programme résultant Données d’entré Ordinateur Données de sortie CSI 3525, Évaluation et Implémentation, page 36