Programmation informatique

La programmation, appelée aussi codage dans le domaine informatique [1], est l'ensemble des activités qui permettent l'écriture des programmes informatiques. C'est une étape importante du développement de logiciels (voire de matériel).

Pour les articles homonymes, voir Programmation (homonymie).

Liste d'instructions sur le Commodore 64

L'écriture d'un programme se fait dans un langage de programmation. Un logiciel est un ensemble de programmes (qui peuvent être écrits dans des langages de programmation différents) dédié à la réalisation de certaines tâches par un (ou plusieurs) utilisateurs du logiciel.

La programmation représente donc ici la rédaction du code source d'un logiciel. On utilise plutôt le terme développement pour dénoter l'ensemble des activités liées à la création d'un logiciel et des programmes qui le composent. Cela inclut la spécification du logiciel, sa conception, puis son implémentation proprement dite au sens de l'écriture des programmes dans un langage de programmation bien défini, ainsi que la vérification de sa correction, etc.

Histoire

La première machine programmable (c’est-à-dire machine dont les possibilités changent quand on modifie son programme) est probablement le métier à tisser de Jacquard, qui a été réalisé en 1801. La machine utilisait une suite de cartons perforés. Les trous indiquaient le motif que le métier suivait pour réaliser un tissage ; avec des cartes différentes le métier produisait des tissages différents[2]. Cette innovation a été ensuite améliorée par Herman Hollerith d'IBM pour le développement de la fameuse carte perforée d'IBM[3].

En 1936, la publication de l'article fondateur de la science informatique On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungsproblem[4] par Alan Turing allait donner le coup d'envoi à la création de l'ordinateur programmable. Il y présente sa machine de Turing, le premier calculateur universel programmable, et invente les concepts et les termes de programmation et de programme.

Les premiers programmes d'ordinateur étaient réalisés avec un fer à souder et un grand nombre de tubes à vide (plus tard, des transistors). Les programmes devenant plus complexes, cela est devenu presque impossible, parce qu'une seule erreur rendait le programme entier inutilisable. Avec les progrès des supports de données, il devint possible de charger le programme à partir de cartes perforées, contenant la liste des instructions en code binaire spécifique à un type d'ordinateur particulier. La puissance des ordinateurs augmentant, on les utilisa pour faire les programmes, les programmeurs préférant naturellement rédiger du texte plutôt que des suites de 0 et de 1, à charge pour l'ordinateur d'en faire la traduction lui-même.

Avec le temps, de nouveaux langages de programmation sont apparus, faisant de plus en plus abstraction du matériel sur lequel devraient tourner les programmes. Ceci apporte plusieurs facteurs de gains : ces langages sont plus faciles à apprendre, un programmeur peut produire du code plus rapidement, et les programmes produits peuvent tourner sur différents types de machines.

Exemple de programme

L'immense majorité des programmes qui s'exécutent sur nos ordinateurs, téléphones et autres outils électroniques sont écrits dans des langages de programmation dits impératifs : les lignes du programme sont exécutées les unes après les autres. Chaque ligne du programme effectue soit une opération simple, soit exécute une fonction qui est elle-même une suite d'opérations simples.

Le programme « Hello World! » est par tradition le premier programme écrit par tous programmeurs. Le programme possède pour unique fonction l'affichage de "Hello World!" à son utilisateur.

Voici une version d'un programme « Hello World! »:

Affichage d'un programme « Hello World! »

Le programme suivant écrit en langage Java (légèrement simplifié et auquel des commentaires ont été rajoutés), demande simplement à l'utilisateur d'entrer au clavier deux nombres entiers, et affiche leur quotient.

void main() { // fonction 'main' : c'est toujours ici qu'un programme Java commence
    // 'int' signifie integer : nombre entier en anglais
    int A, B; // on déclare deux variables A et B qui sont des nombres entiers
    WriteLine("entrez deux entiers : "); // 'WriteLine' permet d'écrire à l'écran
    A = ReadIntFromKeyboard(); // on attend que l'utilisateur tape un entier au clavier,
                               // et on l'enregistre dans A
    B = ReadIntFromKeyboard(); // puis on fait la même chose pour B
    if (B == 0) {  // si B est égal à 0
        WriteLine("erreur : division par zéro");
    } else { // sinon
        float C = CalculerDivision(A,B); // on exécute la fonction 'CalculerDivision'
            // que l'on a programmée ci-dessous,
            // et on enregistre le résultat dans C qui est un 'float' : un nombre à virgule
        WriteLine("le résultat est : " + C); // on affiche C
    }
}
float CalculerDivision(float U, float V) { // U et V sont les paramètres de notre fonction 'CalculerDivision' : ce sont des nombres à virgules (float).
   // et celle-ci renvoie un 'float' : un nombre à virgule flottante
   // dans la fonction 'main', A et B étaient des nombres entiers,
   // U et V sont des copies des valeurs de A et B,
   // et qui ont été converties en nombres à virgule (22 deviendrait simplement 22.0000000)
   float Resultat;
   Resultat = U / V;  // on effectue la division
   return Resultat; /// on renvoie le résultat
}

Dans ce programme, les principales fonctionnalités de la programmation impérative sont utilisées : des variables de type nombre entier, nombre à virgule, chaîne de caractère, fonction calculant un résultat à partir de paramètres, fonction effectuant une tâche telle qu'afficher un message à l'écran, instruction if permettant d'exécuter un code ou un autre en fonction de la valeur de telle ou telle variable.

Dans un programme informatique typique, on trouvera suivant les langages des boucles while ou for qui permettent d'exécuter un morceau de code en boucle ou simplement un certain nombre de fois, des new pour l'allocation dynamique de données (par exemple des tableaux), et très souvent des éléments de programmation objet permettant de structurer différemment le code et de créer des types de données personnalisés, ou encore des exceptions pour gérer certains cas d'erreurs plus facilement.

On remarque que pour effectuer une tâche très simple, le code informatique peut être très laborieux, et encore ici on ne traite pas les erreurs (si l'utilisateur tape un mot au lieu d'un nombre), et l'affichage est minimaliste. C'est pourquoi les langages de programmation n'ont jamais cessé d'évoluer, dans le but d'aider le programmeur qui souhaite réaliser des programmes rapides à s'exécuter, sans dysfonctionnements, et surtout simples à écrire, du moins le plus possible.

Phases

Conception

La phase de conception définit le but du programme. Si on fait une rapide analyse fonctionnelle d'un programme, on détermine essentiellement les données qu'il va traiter (données d'entrée), la méthode employée (appelée l'algorithme), et le résultat (données de sortie). Les données d'entrée et de sortie peuvent être de nature très diverse. On peut décrire la méthode employée pour accomplir le but d'un programme à l'aide d'un algorithme. La programmation procédurale et fonctionnelle est basée sur l'algorithmique. On retrouve en général les mêmes fonctionnalités de base.

Programmation impérative
"Si"
Si prédicat
Alors faire ceci
Sinon faire cela
"Tant que"
Tant que prédicat
Faire ...
"Pour"
Pour variable allant de borne inférieure à borne supérieure
Faire ...
"Pour" (variante)
Pour variable dans conteneur
faire ...

Implémentation

Une fois l'algorithme défini, l'étape suivante est de coder le programme. Le codage dépend de l'architecture sur laquelle va s'exécuter le programme, de compromis temps-mémoire, et d'autres contraintes. Ces contraintes vont déterminer quel langage de programmation utiliser pour « convertir » l'algorithme en code source.

Transformation du code source

Le code source n'est (presque) jamais utilisable tel quel. Il est généralement écrit dans un langage "de haut niveau", compréhensible pour l'homme, mais pas pour la machine.

Compilation

Certains langages sont ce qu'on appelle des langages compilés. En toute généralité, la compilation est l'opération qui consiste à transformer un langage source en un langage cible. Dans le cas d'un programme, le compilateur va transformer tout le texte représentant le code source du programme, en code compréhensible pour la machine, appelé code machine.

Dans le cas de langages dits compilés, ce qui est exécuté est le résultat de la compilation. Une fois effectuée, l'exécutable obtenu peut être utilisé sans le code source.

Il faut également noter que le résultat de la compilation n'est pas forcément du code machine correspondant à la machine réelle, mais peut être du code compris par une machine virtuelle (c'est-à-dire un programme simulant une machine), auquel cas on parlera de bytecode. C'est par exemple le cas en Java. L'avantage est que, de cette façon, un programme peut fonctionner sur n'importe quelle machine réelle, du moment que la machine virtuelle existe pour celle-ci.

Dans le cas d'une requête SQL, la requête est compilée en une expression utilisant les opérateurs de l'algèbre relationnelle. C'est cette expression qui est évaluée par le système de gestion de bases de données.

Interprétation

D'autres langages ne nécessitent pas de phase spéciale de compilation. La méthode employée pour exécuter le programme est alors différente. La phase de compilation est la plupart du temps incluse dans celle d’exécution. On dit de ce programme qu'il interprète le code source. Par exemple, Python ou Perl sont des langages interprétés.

Avantages, inconvénients

Les avantages généralement retenus pour l'utilisation de langages « compilés », est qu'ils sont plus rapides à l'exécution que des langages interprétés, car l'interprète doit être lancé à chaque exécution du programme, ce qui mobilise systématiquement les ressources.

Traditionnellement, les langages interprétés offrent en revanche une certaine portabilité (la capacité à utiliser le code source sur différentes plates-formes), ainsi qu'une facilité pour l'écriture du code. En effet, il n'est pas nécessaire de passer par la phase de compilation pour tester le code source. Il n'est pas non plus nécessaire de disposer d'un autre programme (debugger) afin d’ôter les bugs du programme, c'est l’interpréteur qui permet d'afficher directement le contenu des variables du programme.

Appellation impropre

Il faut noter qu'on parle abusivement de langages compilés ou interprétés. En effet, le caractère compilé ou interprété ne dépend pas du langage, qui n'est finalement qu'une grammaire et une certaine sémantique. D'ailleurs, certains langages peuvent être utilisés interprétés ou compilés. Par exemple, il est très courant d'utiliser Ruby avec un interprète, mais il existe également des compilateurs pour ce langage[5]. On notera toutefois, qu'il peut être important de préciser comment le code source est exécuté. En effet, rares sont les organismes qui proposent à la fois un compilateur et un interpréteur, les résultats du programme peuvent différer à l'exécution, même si la norme du langage est clairement définie.

Néanmoins, l'usage qu'on fait des langages est généralement fixé.

Test du programme

C'est l'une des étapes les plus importantes de la création d'un programme. En principe, tout programmeur se doit de vérifier chaque partie d'un programme, de le tester. Il existe différents types de test. On peut citer en particulier :

Il convient de noter qu'il est parfois possible de vérifier un programme informatique, c'est-à-dire prouver, de manière plus ou moins automatique, qu'il assure certaines propriétés.

Pratiques

Paradigmes

Un paradigme est un style fondamental de programmation, définissant la manière dont les programmes doivent être formulés.

Un paradigme est la façon dont sont traitées les solutions aux problèmes et un style fondamental de programmation, définissant la manière dont les programmes doivent être formulés. Chaque paradigme amène sa philosophie de la programmation ; une fois qu'une solution a été imaginée par un programmeur selon un certain paradigme, un langage de programmation qui suit ce paradigme permettra de l'exprimer.

Programmation impérative

Le paradigme impératif est le plus répandu, les opérations sont une suite d’instructions exécutées par l'ordinateur pour modifier l'état du programme.

Programmation procédurale

La programmation procédurale est un sous-ensemble de la programmation impérative. Elle introduit la notion de routine ou fonction qui est une sorte de factorisation de code, chaque procédure peut être appelée à n’importe quelle étape du programme. Ce paradigme permet aussi de supprimer les instructions goto[6],[7].

Ce paradigme est très répandu, il est présent dans des langages comme le C, le COBOL ou le FORTRAN.

Programmation structurée

Apparu dans les années 70, la programmation structurée est un sous-ensemble de la programmation impérative. Elle née avec les travaux de Nicklaus Wirth pour son Algol W et l'article fondateur de Dijkstra dans Communications of the ACM, visant à supprimer l’instruction goto.

Tous les langages procéduraux peuvent faire de la programmation structurée, mais certains comme le FORTRAN s'y prêtent très mal.

Programmation déclarative

En programmation déclarative, le programme est indépendant de l’état de la machine, il s’affranchit donc de tout effet de bord et un appel à une même fonction produira toujours le même résultat.

Le programme s’écrit non pas comme une suite d’instruction pour résoudre un problème mais (contrairement à la programmation impérative) comme la solution au problème.

Programmation fonctionnelle

La programmation fonctionnelle se base sur plusieurs principes comme : l’immutabilité, les fonctions pures (qui ne dépendent pas de l’état de la machine) et les lambda-calcul.

Aujourd’hui, nombreux sont les langues qui offre une possibilité d’approche fonctionnelle au programme. Certains comme le LISP ou le Scala le sont depuis leurs créations. D’autre comme le JavaScript, le Java ou le PHP ont ajoutée par la suite des outils permettant une approche plus fonctionnelle.

Programmation logique

La programmation logique consiste à exprimer les problèmes et les algorithmes sous forme de prédicats à l’aide d'une base de faits, d'une base de règles et d'un moteur d'inférence.

Programmation orientée objet

La programmation orientée objet (abrégé POO) consiste en la définition et l'interaction de briques logicielles appelées objets ; ces objets représentes un concept, une idée. Chaque objet contient des attributs et des méthodes en rapport avec un sujet.

Programmation orientée prototype

La programmation orientée prototype est un sous ensemble de la programmation orientée objet. Dans ce paradigme, chaque objet est créé à partir d’un prototype qui est lui-même un objet. Le prototype a donc une existence physique en mémoire et est mutable contrairement aux classes.

Le JavaScript, le Lua ou le Self sont des exemples de langages utilisant ce paradigme.

Programmation orientée classe

La programmation orientée classe est basée sur la notion de classes. Une classe est statique, c’est la représentation abstraite de l’objet, c’est à ce niveau que ce passe l’héritage. Tout objet est donc l’instance d’une classe.

Les langages à classes peuvent être sous forme fonctionnelle (CLOS) comme sous forme impérative (C++, Java), voir les deux (Python, OCalm).

Autres paradigmes

Notes et références
  1. « Pour éviter cette confusion polysémique, des termes alternatifs sont parfois utilisés, comme le code ou le codage, mais la programmation informatique ne peut pas se réduire au code ». Cf Margarida Romero, Benjamin Lille et Azeneth Patiño, Usages créatifs du numérique pour l'apprentissage au XXIe siècle, PUQ, , 190 p. (lire en ligne).
  2. « Modèle : Métier original de Jacquard », sur Musée des arts et métiers (consulté le )
  3. (en-US) « IBM100 - The IBM Punched Card », sur www-03.ibm.com, (consulté le )
  4. (en) Alan Turing, On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem : Proceedings of the London Mathematical Society, London Mathematical Society, (DOI 10.1112/PLMS/S2-42.1.230, lire en ligne) et « [idem] : A Correction », Proc. London Math. Soc., 2e série, vol. 43,‎ , p. 544-546 (DOI 10.1112/plms/s2-43.6.544, lire en ligne)
  5. (en) XRuby
  6. Texte original dans E. W Dijkstra, « Go To Statement Considered Harmful », Communications of the ACM, vol. 11, no 3,‎ , p. 147-14 (lire en ligne)
  7. « Go To Statement Considered Harmful » [PDF], sur University of Texas

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes
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