Motivations d'apprentissage

L'étude des concepts fondamentaux fournis par les divers HLL est nécessaire pour les choisir correctement, les employer efficacement et programmer de manière efficiente. Du point de vue de l'utilisateur, l'examen des concepts des HLL aide l'utilisateur à mieux penser et exprimer les algorithmes. Du point de vue de l'implémenteur, la compréhension des concepts des HLL aide les programmeurs à s'abstraire des machines (virtuelles) et à mieux spécifier ce qu'ils veulent que le matériel fasse sans descendre au niveau des bits. En fin de compte, l'étude des concepts des HLL aide les programmeurs à mieux utiliser le HLL qu'ils emploient.

Implémentation de l'abstraction

Une façon de se rapporter à l'abstraction (abstraction) est de la considérer comme une manière de penser et d'exprimer des algorithmes pour indiquer ce que le programmeur veut que le matériel fasse. Par exemple, l'instruction suivante représente une forme d'abstraction dans le langage de programmation Java :

System.out.println("Hello world!");

Elle indique au système d'exploitation de l'ordinateur, à un haut niveau d'abstraction, de produire une chaîne de caractères (string), ce qui consiste pratiquement à déplacer les pixels qui forment les caractères un par un vers un périphérique matériel.

L'implémentation d'un haut niveau de tâches serait impossible sans abstraction. Par exemple, vous ne voudriez pas programmer une application de facturation en 1 et 0 (langage machine) ; l'abstraction permet à un programmeur de la construire avec une syntaxe proche de l'anglais.

L'abstraction peut être poussée à des niveaux beaucoup plus élevés. C'est l'un des trois principes centraux (avec l'encapsulation (encapsulation) et l'héritage (inheritance)) dans les HLL orientés objet tels que C++, Java, C# et Python. Divers paradigmes de programmation ont été introduits dans le Chapitre 4 Réalisation linguistique des algorithmes : langages de programmation de bas niveau, en particulier les mécanismes de la programmation orientée objet (POO) et ses standards, perspectives ou ensembles d'idées qui peuvent être utilisés pour décrire la structure et les méthodologies d'un HLL. Les HLL orientés objet aident à organiser la conception logicielle autour des données, ou objets, plutôt que des fonctions (functions) et de la logique, comme nous le verrons dans Modèles de programmation alternatifs.

Apprendre de nouveaux HLL

L'étude des concepts des HLL facilite l'apprentissage de nouveaux HLL, car la plupart présentent des similitudes en termes de syntaxe, de structure et de sémantique. Il existe également plusieurs bonnes pratiques qui s'appliquent à différents HLL. Une bonne pratique (best practice) est le style et la structure de code les plus acceptés qui peuvent être utilisés pour assurer un développement logiciel approprié, ce qui permet d'apprendre facilement de nouveaux langages une fois qu'un programmeur en a maîtrisé un donné. Les HLL les plus utilisés comme langages d'enseignement aujourd'hui sont Java, C++ et Python. Java et C++ sont des langages qui demandent une quantité d'étude significative pour être maîtrisés, tandis que Python est considéré comme un langage beaucoup plus simple à apprendre.

Meilleure utilisation des HLL

Les programmeurs doivent comprendre comment les HLL prennent en charge certaines fonctionnalités. Par exemple, une variable (variable) donne un nom à une adresse mémoire qui est utilisée dans tout HLL pour contenir une valeur. Cependant, différents langages utilisent les variables différemment. Java est un langage fortement typé (strongly typed), ce qui signifie qu'une variable ne peut contenir qu'une valeur d'un des types de données définis par le langage pendant toute son existence. Par conséquent, une variable qui est un nombre ne peut pas devenir une chaîne de texte. JavaScript est faiblement typé (weakly typed), de sorte qu'une variable peut à différents moments contenir des valeurs de n'importe quel type de données du langage. Elle peut stocker un nombre, puis plus tard, la même variable peut stocker une chaîne de caractères.

Un autre exemple est l'utilisation des pointeurs en C et C++. Comme visible sur la Figure 7.3, le pointeur est la variable qui contient les adresses mémoire réelles de l'ordinateur, mais ils n'existent pas en Java. Cependant, comprendre comment C gère la mémoire facilite la compréhension de la manière dont les données sont transmises d'un endroit à un autre en Java ou C#.

Figure 7.3 Une variable pointeur C « a » contient l'adresse mémoire de la variable « b ». (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Les langages sont axés sur un objectif

Contrastons à nouveau C/C++ et JavaScript. Une grande partie de la syntaxe et de la grammaire est la même, tout comme les structures de flux de contrôle (flow of control) du langage.

Alors pourquoi choisir l'un plutôt que l'autre ? La réponse est que les langages sont conçus pour remplir certains objectifs. C/C++ est un langage de programmation à usage général. À ce titre, il est puissant pour les applications qui incluent à la fois la programmation système et la programmation d'interface (interface) utilisateur graphique (GUI) orientée objet. JavaScript est destiné à la programmation web.

Bien que les langages de programmation diffèrent par leur syntaxe, ils possèdent tous des bibliothèques ou des packages qui sont installés dans le cadre de l'environnement de développement du langage. Ces bibliothèques exposent diverses fonctions via une interface de programmation d'applications (API). Ces fonctions prennent en charge les tâches pour lesquelles le langage est conçu sans nécessiter de codage supplémentaire. Ce qui suit illustre l'utilisation d'une fonction de bibliothèque C++ qui affiche une chaîne de caractères à l'écran :

cout << "Hello world!";

L'API de JavaScript contient un ensemble complet de fonctionnalités qui permettent la manipulation et le comportement dynamique des pages web. Une fonction API JavaScript qui affiche sur la page web :

document.write("Hello world!");

Fortran

Au début des années 1950, IBM a créé l'un des premiers compilateurs HLL pour le langage Fortran, ce qui représente l'une des plus grandes avancées en informatique. Bien que Fortran ait été principalement utilisé en mathématiques et en sciences, il était facilement lisible. Fortran permet aux programmeurs de commenter leur code en commençant les lignes de programme par « ! ». Il utilise des instructions conditionnelles avec des instructions goto pour se ramifier vers différentes parties du code. Il utilise également des instructions itératives « do...end do ». Ce fut également le premier HLL à utiliser un compilateur, un logiciel informatique qui convertit le code source d'un langage à un autre.

! Compute the average
Average = Sum / List_Len
! Count the values that are greater than the average
Do Counter = 1, List_Len
   If (Int_List(Counter) > Average) Then
      Result = Result + 1
   End If
End Do

COBOL

Le Common Business-Oriented Language (COBOL) a été développé pour être un langage de haut niveau pour les affaires, standardisé par le groupe American National Standards Institute (ANSI) en 1968. COBOL représente une étape distincte dans l'évolution de l'informatique en raison des façons dont il différait de Fortran.

L'extrait de code suivant illustre la lecture d'un enregistrement d'inventaire et le calcul du stock disponible :

100-PRODUCE-REORDER-LINE.
   PERFORM 110-READ-INVENTORY-RECORD.
   IF CARD-EOF-SWITCH IS NOT EQUAL TO "Y"
      PERFORM 120-CALCULATE AVAILABLE STOCK
      IF AVAILABLE STOCK IS LESS THAN BAL-REORDER-POINT
         PERFORM 130-PRINT-REORDER-LINE

110- READ-INVENTORY-RECORD.
   READ BAL-FWD-FILE RECORD
      AT END
         MOVE "Y" TO CARD-EOF-SWITCH.

. . . .

Nous pouvons voir que COBOL a un type de syntaxe très différent de Fortran. Il est conçu différemment car il est très aligné sur les applications commerciales et la programmation d'activités commerciales spécifiques qui constituent les processus d'affaires.

BASIC

Le Beginner’s All-Purpose Symbolic Instruction Code (BASIC) a été développé en 1971. C'est un langage de programmation qui a connu une large utilisation. Une variante de BASIC, appelée Visual Basic (VB), a été le langage responsable d'une grande partie du travail de développement effectué sur les nouvelles générations d'ordinateurs personnels, car il était facile à apprendre et à lire. Aujourd'hui, il a évolué vers Visual Basic .NET.

L'extrait de code suivant illustre le même calcul et la même comparaison d'une moyenne que nous avons faits en Fortran, mais cette fois en BASIC :

REM Compute the average
average = sum / listlen
REM Count the values that are greater than the average
FOR counter = 1 to listlen
   IF intlist(Counter) > average
      THEN result = result + 1
   End If
NEXT

Notez que la syntaxe BASIC a ses racines dans Fortran mais est plus efficace.

Pascal et C

Les langages de programmation introduits jusqu'à présent suivent le paradigme du langage impératif (imperative language) qui met l'accent sur une approche « dire à l'ordinateur quoi faire ». Pascal et C se distinguent en étant à la fois des langages procéduraux et impératifs, et ils ont été inventés à peu près à la même époque. Un langage procédural (procedural language) permet aux programmeurs de regrouper des instructions en blocs de code dans la portée (scope) desquels les variables peuvent être définies et manipulées indépendamment du reste d'un programme. Ces blocs peuvent être nommés, ce qui permet aux programmeurs de créer des fonctions ou des procédures qui peuvent être appelées depuis d'autres parties d'un programme. Similaires à d'autres langages impératifs, Pascal et C se concentrent également sur l'évaluation d'expressions (expression) et le stockage des résultats dans des variables (par exemple, a = 10 ; b = 5 ; c = a + b).

L'extrait de code Pascal suivant illustre le même calcul et la même comparaison de la moyenne calculée précédemment en BASIC :

{ Compute the average }
average := sum / listlen;
{ Count the values that are greater than the average }
for counter := 1 to listlen do
   if (intlist[counter] > average) then
      result := result + 1;

L'introduction des procédures en Pascal a amélioré la lisibilité des programmes en permettant aux programmeurs d'écrire un code plus modulaire. Pascal est devenu le langage d'enseignement préféré dans les années 1970 et au début des années 1980.

Pascal a été éclipsé dans les applications commerciales par C, qui a vu le jour après l'achèvement des travaux initiaux sur le système d'exploitation UNIX à la fin des années 1960. Cette première version de l'OS a été écrite en langage d'assemblage (assembly), mais au début des années 1970, C est devenu une meilleure alternative. À l'époque, c'était le langage parfait pour créer des systèmes d'exploitation et il a connu un énorme succès commercial.

L'extrait de code C suivant illustre le même calcul et la même comparaison de la moyenne calculée :

/* Compute the average */
average = sum / listlen;
/* Count the values that are greater than the average */
for (counter = 0; counter < listlen; counter++)
    if (intlist[counter] > average) result++;

L'introduction des fonctions (functions) dans le langage C a amélioré la lisibilité et l'aptitude à l'écriture des programmes en permettant aux programmeurs d'écrire un code plus modulaire. Le temps d'exécution du langage C était également plus efficace. C est devenu le langage préféré pour les applications commerciales dans les années 1970 et au début des années 1980.

C++ et Objective C

Au milieu des années 1980, les entreprises ont commencé à se concentrer sur l'expérience utilisateur (UX), l'expérience globale d'une personne utilisant une application informatique, en particulier en termes de facilité ou de plaisir d'utilisation, et l'interface utilisateur (UI) (user interface (UI)), le point où les utilisateurs humains interagissent avec un ordinateur, un site web ou une application. Les interfaces utilisateur basées sur Windows ont été adoptées comme de nouveaux paradigmes, ce qui a conduit à la création de standards, de perspectives et d'ensembles d'idées qui devraient être utilisés pour décrire la structure et les méthodologies d'un HLL. Cela a abouti à l'adoption du paradigme POO et à la création de langages POO. Le passage à la POO a permis au logiciel de se concentrer sur les données et les objets.

Le langage de programmation C++ a étendu les fonctionnalités de langage de niveau intermédiaire de C avec des fonctionnalités POO qui ont facilité l'expression des exigences du monde réel dans les programmes, y compris en particulier le support des interfaces utilisateur graphiques (GUI). Microsoft a adopté C++ comme langage de programmation pour ses systèmes Windows.

La syntaxe du code en C++ pour le calcul de base est exactement la même que le code C montré précédemment. Il existe des ajouts syntaxiques majeurs en C++ pour prendre en charge la POO. Il est devenu le langage préféré au milieu des années 1980 et au début des années 1990 et pour la programmation des GUI. Le code de la Figure 7.4 illustre les bases de la programmation GUI Windows utilisant C++ et l'API Win32 pour créer une simple application « Hello World! » avec une interface utilisateur graphique (GUI).

Figure 7.4 Cette GUI montre l'application « Hello World! » utilisant C++ et l'API Win32. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Objective-C est un autre langage hybride des années 1980 qui utilise des fonctionnalités impératives procédurales et orientées objet. Apple l'a adopté pour alimenter ses efforts de développement de systèmes d'exploitation et est devenu populaire pendant un certain temps comme le seul langage accepté par Apple pour la programmation d'applications pour iPhones, remplacé plus tard par Swift.

Java

Les appareils électriques grand public, tels que les fours à micro-ondes et les téléviseurs interactifs, ont nécessité l'invention d'un autre langage POO : Java. Java a évolué pour devenir un langage indépendant de la plateforme, à usage général pour les appareils informatiques, utilisable pour tout, des PC et MAC aux Androids et réfrigérateurs Samsung. À ce jour, il reste l'un des langages les plus largement utilisés pour l'enseignement de la POO et est l'un des HLL les plus populaires au monde.

Comme le montre la Figure 7.5, la syntaxe du code Java pour les calculs typiques est similaire à celle du code C montré précédemment. C'est le cas pour la plupart des HLL modernes introduits depuis 1990.

Figure 7.5 Ce sont quelques-uns des éléments disponibles à partir de l'API GUI Java. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Langages de script

Un langage de script (scripting language) est caractérisé par le placement d'une liste d'instructions de code dans un fichier, appelé script. Les instructions de script sont généralement interprétées ligne par ligne plutôt que d'être compilées comme des unités complètes pour produire des programmes exécutables. Il y a des avantages et des inconvénients aux méthodes d'interprétation et de compilation, que nous aborderons dans Approches d'implémentation.

Les langages de script les plus populaires utilisent une syntaxe de type C, mais ils sont destinés à différentes applications. Par exemple, les langages de script JavaScript et PHP sont destinés à la programmation d'applications web.

C#

En 2000, Microsoft a annoncé que C# serait son langage phare. Il possède également la même syntaxe fondamentale que C++ et Java. Cependant, il est destiné à prendre en charge les applications Windows en étant étroitement lié au cadriciel .NET de Microsoft, mais il peut également être utilisé sur Linux et macOS. .Net C# est un outil de développement logiciel multilingue, basé sur des composants, conçu pour bien fonctionner avec tous les langages .Net, y compris C#, Visual Basic.Net et Managed C++.

Langages basés sur la logique

Les langages de programmation basés sur la logique sont ceux qui intègrent une syntaxe pour représenter des faits et des règles concernant les approches des problèmes. Ils ont été utilisés pour soutenir des approches basées sur des règles dans le cadre du développement de l'intelligence artificielle (IA), la simulation de l'intelligence humaine par des machines telles que les ordinateurs.

Le langage le plus courant pour la programmation basée sur la logique est Prolog. Il est utilisé à la fois pour l'IA et la programmation linguistique. C'est en fait un HLL plus ancien, développé pour la première fois en 1972, qui est resté avec nous, recevant des mises à jour importantes à mesure que l'IA se développait. La Figure 7.6 illustre sur le côté gauche comment les faits et les règles peuvent être spécifiés en Prolog. La fenêtre de requête sur le côté droit illustre comment la base de faits Prolog peut être interrogée pour exploiter les règles disponibles.

Figure 7.6 Cet exemple de programme et de requête montre les détails d'utilisation de Prolog. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Programmation impérative/procédurale

Comme nous l'avons discuté, les HLL impératifs adoptent l'approche « dire à l'ordinateur quoi faire ». Cette approche est différente de celle des HLL déclaratifs qui indiquent à un programme d'obtenir des informations sans prescrire comment le programme doit s'y prendre. Les langages déclaratifs sont utilisés pour interagir avec des systèmes programmés pour déterminer ces détails. Un exemple de langage déclaratif est le Structured Query Language (SQL) (Structured Query Language (SQL)), qui est utilisé pour spécifier une requête qu'un système de base de données peut traiter pour stocker ou récupérer des données. Les langages impératifs se concentrent généralement sur l'évaluation des expressions et le stockage des résultats dans des variables. Il existe d'autres caractéristiques communes à ces langages, telles que l'itération (iteration) (bouclage ou répétition).

Les langages procéduraux étendent le paradigme impératif. Ils utilisent des appels de procédure pour modifier le flux de contrôle (flow of control). Une fonction (function) peut être appelée de n'importe où dans un programme pour lui faire effectuer une tâche particulière. Certains des langages qui supportent ce paradigme sont Fortran, COBOL, Pascal, Visual Basic, Ada, C, C++ et C#. Les langages de script, y compris Python, JavaScript et PHP, peuvent également être de ce type.

Programmation événementielle

La plupart des langages impératifs adoptent également la programmation événementielle. Ce paradigme permet la génération d'événements (par exemple, lorsqu'un utilisateur clique sur un bouton). En général, les systèmes d'exploitation des ordinateurs traitent constamment des événements de divers types qui résultent d'interactions avec les utilisateurs ou sont générés par des programmes d'application ou du matériel informatique. En programmation événementielle, un programme est invité à écouter des événements sélectionnés, tels qu'un simple clic sur un objet particulier (par exemple, un bouton sur une interface utilisateur). Le programmeur établit un gestionnaire d'événements pour traiter l'événement chaque fois qu'il est déclenché.

Programmation parallèle

Ce paradigme fait référence à la capacité de l'ordinateur à traiter plusieurs tâches simultanément, ce qui est particulièrement utile dans les systèmes multicœurs modernes. Cependant, un programme peut ne pas être autorisé à s'exécuter sur plusieurs cœurs sans une synchronisation (synchronization) appropriée. Par exemple, le programme d'un cœur peut avoir besoin d'un résultat ou d'un élément de données produit par le programme d'un autre cœur. Par conséquent, une programmation parallèle efficace doit disposer des outils permettant de synchroniser les processus. Le langage de programmation Ada a introduit un support intégré pour la programmation concurrente (concurrent programming) utilisant des tâches et des objets protégés. Les tâches Ada sont définies avec le mot-clé task et ont leurs propres déclarations et parties exécutables. Alors que les tâches aident à structurer les programmes en flux concurrents, les objets protégés sauvegardent les données partagées (shared data), garantissant qu'une seule tâche peut y accéder à la fois pour éviter les conditions de concurrence (race condition) et les interblocages (deadlock). D'autres exemples de HLL qui prennent en charge la programmation parallèle incluent C++, Java et C.

Approches d'implémentation

Comme nous l'avons appris, les implémentations de langage sont couramment différenciées entre celles basées sur la compilation (compilation) et celles basées sur l'interprétation. De nombreux langages modernes utilisent un style d'exécution hybride.

Compilation pure

En compilation pure, les programmes sont traduits directement en langage machine. Le compilateur prend l'intégralité du programme source de haut niveau et produit un code objet équivalent. Le compilateur n'est pas utilisé dans l'exécution réelle du programme ; le programme objet est lancé par le système d'exploitation et s'exécute sur la machine sous-jacente du début à la fin, comme le montre la Figure 7.7.

Figure 7.7 Un exemple de programme source C++ est compilé en langage machine pour s'exécuter sur une plateforme particulière. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Les avantages de la compilation pure sont une meilleure performance et une meilleure analyse du code pour détecter les erreurs de typage du code source. L'inconvénient est que le programme compilé est dépendant de la plateforme et doit être recompilé pour d'autres machines cibles. Des exemples de langages purement compilés incluent C et C++.

Implémentation hybride

Certains systèmes d'implémentation de langage sont un mélange de compilateurs et d'interprètes, ce qui est connu sous le nom d'implémentation hybride (hybrid implementation), une méthode de traduction de langage qui implique l'utilisation à la fois d'un compilateur et d'un interpréteur. Le compilateur traduit d'abord les programmes HLL en un langage intermédiaire (intermediate language), un langage généré à partir du code source de programmation, mais que le CPU ne peut généralement pas exécuter directement. Certaines implémentations hybrides permettent une interprétation facile pendant l'exécution en utilisant la traduction à la volée (JIT) (just-in-time (JIT) translation), dans laquelle le langage intermédiaire est traduit et exécuté exactement quand cela est nécessaire. Cette méthode est beaucoup plus rapide que l'interprétation pure.

Java est un bon exemple de système d'implémentation hybride, conçu pour donner au langage une indépendance de plateforme. Comme illustré dans la Figure 7.8, le compilateur traduit le code source HLL en bytecode (bytecode) intermédiaire, un code objet produit par la compilation Java qui est ensuite interprété par la machine virtuelle Java (JVM) (Java virtual machine (JVM)), l'interpréteur Java qui traduit le bytecode en code exécutable. Cela permet d'utiliser la même source sur toutes les plateformes pour lesquelles une JVM a été construite.

Figure 7.8 Un programme source Java est compilé en un langage intermédiaire puis interprété pour produire et exécuter du code objet sur une plateforme particulière. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

C#, et les autres langages .NET, sont implémentés avec un système JIT différent. Le compilateur produit du code géré (managed code) dans lequel les langages .NET sont traduits. L'environnement d'exécution est connu sous le nom de Common Language Runtime (CLR) (Common Language Runtime (CLR)), qui prend le code géré et fournit une exécution JIT qui permet à tous les langages de bien fonctionner ensemble. Cette implémentation hybride est destinée à la compatibilité inter-langages en plus de la compatibilité multiplateforme.

Réflexion approfondie

Les HLL et TechWorks

Proposez une application pour TechWorks qui implémentera une partie particulière de l'entreprise (par exemple, finance, ventes, publicité). Énoncez brièvement l'application et son objectif. Pour cette application, quel HLL d'implémentation choisirez-vous — compilé, interprété ou hybride ? Expliquez pourquoi.

Environnements de programmation

Les environnements de programmation comprennent une collection d'outils utilisés dans le développement logiciel. Selon le système d'exploitation et le HLL que vous utilisez, il existe de nombreuses options pour un environnement de développement logiciel. Cet ensemble d'outils est ciblé pour un HLL spécifique qui aide à l'édition du code source, à la compilation et/ou à l'interprétation, au débogage, au stylisme et à d'autres tâches de programmation utiles.