CSI 3525,

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Évaluation et Implémentation des langages

• Les langages de programmation et le processus de
  programmation
• Critères de conception et dévaluation des
  langages de programmation
• Implémentation des langages de programmation

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Les langages de programmation et le processus de
programmation

• Programmer, cest plus que simplement écrire du
  code.
• Pourquoi étudier les langages de programmation?
• Les paradigmes et applications de la
  programmation.

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Programmer, cest plus que simplement écrire du
code.

• Avant décrire le code,le problème est 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.
• Quest-ce quun ordinateur comprend?
• Comment lordinateur nous répondra?

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Programmer, cest plus que simplement écrire du
code (suite)

• Comment les langages de programmation
  diffèrent-ils des langages naturels?
• Quest-ce qui fait de quelquun un bon
  programmeur?
• Un programmeur devrait-il connaître plus dun
  langages de programmation?

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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 appropries.

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Pourquoi étudier les langages de programmation?
(suite)

• Pour apprécier le fonctionnement des ordinateurs
  en sachant comment les langages sont implémentés.
• Pour faciliter lapprentissage de nouveaux
  langages.
• Pour savoir développer de nouveaux langages
  formels (pour lentré de données par exemple).
• Pour constater comment les langages influencent
  linformatique en tant que discipline, et
  encouragent les bonnes pratiques de développement
  de logiciels.

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Les différent types de langagesParadigmes de
programmation

• Différent langages permettent de résoudre
  différent problèmes de façon différentes.
• Une opération peut être exprimée dans différent
  langages, puis exécuté sur la même machine.

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Différent paradigmes de programmation

• Langages impératifs Ces langages permettent au
  programmeur dattribuer des valeurs a 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 declarations pour résoudre le problème.
  (Prolog, Lisp)

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Langages Déclaratifs

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

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Langages Impératifs

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

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Spécialisation dun langage

• Langages a 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).

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Niveau de complexité et dabstraction

• 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)

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Domaines dapplication

• Traitement de données ("business applications").
• Important dans le passé, maintenant largement
  remplace par les bases de données, tableurs, et
  logiciels spécialisés.
• Calcul scientifique (incluant lingénierie).
• Aujourdhui, largement influencé par la
  conception de nouveau hardwares tel que les
  superordinateurs ou les ordinateurs vectoriels.

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Domaines dapplication (2)

• Intelligence artificielle et autres applications
  en marge de linformatique.
• Logiciel éducatifs, jeux
• De nouveaux hardware sont proposés (présentement
  surtout simulés) pour lintelligence
  artificielle réseaux de neurones, ordinateurs à
  connexion.
• Applications en interne
• compilateurs, systèmes dexploitation, GUI, API.

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Critères pour la conception et lévaluation de
langages de programmation

• Lisibilité
• Aptitude à lécriture
• Fiabilité
• Coût

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Lisibilité

• Ce critère est subjectif, mais important.
• La lisibilité dun langage est rendu essentielle
  par les usages courrant du génie logiciel, en
  particulier, pour les fins dévolution, de
  maintenance, et de mise à jour des logiciels.
• Abstraction permettre la généralité des
  programmes, labstraction procédurale, et
  labstraction des données.
• Absence dambiguïtés
• Absence dune surabondance de choix Par exemple,
  certain langages permettent décrire les boucles
  de plusieurs façon différentes.

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Lisibilité (2)

• Orthogonalité labsence de restrictions sur la
  façon de combiner les primitives du langage.(Il
  est plus facile de constater le manque
  dorthogonalité.)
• Exemple Un tableau peut-il contenir des éléments
  de nimporte quel type?
• Résulte en une diminution du nombre de cas
  spéciaux.
• Peut être pousse trop loin (Algol 68).

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Lisibilité (3)

• Expressivité des structures de contrôle et de
  données.
• Quest-ce qui est plus facile a lire et
  maintenir
• un long programme bâtie à partir déléments
  simple?
• -ou-
• un programme bref bâtie à partir déléments
  complexes et spécialises?
• Exemples dexpressivité la récursivité, le
  retour arrière incorporé de Prolog, la recherche
  dans les langages de base de données.
• Exemple de peu dexpressivité instructions
  dassembleur.
• Apparence syntaxe élégante, commentaires.

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Aptitude à lécriture

• 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 doutils de
  modularisation et la capacité dêtre incorporé
  dans un environnement de programmation intégré.

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Fiabilité et Coût

• Fiabilité Vérification des types, traitement des
  exceptions et erreurs, labsence dambiguïtés (et
  en générale la lisibilité et laptitude a
  lécriture).
• Coût associées à lutilisation du langage.
• Temps nécessaire au développement (facilité de
  programmation, disponibilité de code, de
  librairies et de documentation).
• Facilité dimplémentation (affecte la
  disponibilité et le coût des compilateurs) Algol
  68 a échoué, Ada presque limplémentation de
  Pascal, C, C et Java ont été de grand succès.
• Temps nécessaire pour traduire, et lefficacité
  du code résultant.
• Portabilité et standardisation.

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Limplémentation de langages de programmation

• Processeurs de langage
• machines virtuelles
• Modèles dimplémentation
• Compilation et exécution

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Processeurs de langage

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

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Machines Virtuelles

• Une machine virtuelle est une réalisation
  logicielle (simulation) dun processeur de
  langage.
• Il est difficile de programmer directement pour
  le hardwarele 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.

24
Exemple de couches partagées

• Tout processeurs de langage nécessitent une
  capacité dentrées /sorties.
• Tout les processeurs de langage doivent effectuer
  des calcules (utiliser le CPU).

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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.

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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 dapplication
• Layer 7 données dentré aussi un langage

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Machines Virtuellesexemples

• 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

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Machines Virtuellesexemples (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 implementation en Java de
Prolog Layer 6 Une implementation en Prolog de
mySQL Layer 7 Un patron de base de données
defini et créé Layer 8 des enregistrements à
inserer dans la base de données
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Modèles dimplémentation

• Compilation
• Traduit le programme en un langage dune machine
  virtuelle dune 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.

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Modèles dimplémentation(2)

• La compilation pure et linterprétation pure sont
  peu utilisé. Limplémentation 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.

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Modèles dimplémentation(3)

• Certain langages se prêtent mieux à
  linterprétation, par exemple Prolog et Lisp qui
  sont utilisé de manière interactive.
• Dautre se prêtent mieux à la compilation, tel
  que C et Java.
• Il existe des versions compilés de Prolog et
  Lisp
• Une boucle dinterprétation de haut-niveau régît
  linteraction usagée.
• Les prédicats / fonctions sont compilées en un
  format optimisé qui est interprété.

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