Langage de programmation

Programme écrit en Perl.

Programme écrit en Javascript.

Programme écrit en C.

Programme pour Bash.

Un langage de programmation est un langage informatique Turing-complet^[1],[2], permettant à un être humain d'écrire un code source qui sera analysé par une machine, généralement un ordinateur. Le code source subit ensuite une transformation ou une évaluation dans une forme exploitable par la machine, ce qui permet d'obtenir un programme. Les langages permettent souvent de faire abstraction des mécanismes de bas niveau de la machine, de sorte que le code source représentant une solution puisse être écrit et compris par un être humain.

L'activité de rédaction du code source d'un programme est nommée programmation. Elle consiste en la mise en œuvre de techniques d'écriture et de résolution d'algorithmes informatiques, lesquelles sont fondées sur les mathématiques. À ce titre, un langage de programmation se distingue du langage mathématique par sa visée opérationnelle (une fonction et par extension, un programme, doit retourner une valeur), de sorte qu'un « langage de programmation est toujours un compromis entre la puissance d'expression et la possibilité d'exécution^[3] ».

Généralités

Langage

Articles détaillés : Langage formel et Grammaire formelle.

D'un point de vue mathématique, un langage de programmation est un langage formel construit sur un alphabet (ensemble de symboles). Dans cet alphabet, on trouve plusieurs choses :

• des lettres et des chiffres ;
• des mots-clés (combinaisons de lettres et parfois de chiffres) ;
• des caractères :
  • correspondant à des opérateurs : par exemple « = », « < », « & » ;
  • ou pas, comme « { », « _ », …

L'assemblage de ces symboles forme les « mots » du langage de programmation. Pour qu'un mot appartienne au langage, il doit vérifier certaines contraintes exprimées grâce à la théorie des langages dans une grammaire formelle : c'est la « syntaxe » du langage de programmation.

En associant une sémantique – généralement une opération – à chaque mot, on définit le comportement de la machine. La mise en relation de mots va donner un programme informatique.

Programmation

Articles détaillés : Compilateur et Langage machine.

Suivant le langage utilisé, un programme doit être interprété ou compilé en passant par un autre langage qui pourra être compris par la machine : l'assembleur ou même en code binaire.

D'un point de vue pratique, un langage de programmation permet l'écriture de programmes de manière compréhensible par un être humain. Le programmeur n'a pas besoin de connaître le langage machine, dit « de bas niveau », pour écrire un programme. Le langage de programmation fournit une abstraction de niveau supérieur pour utiliser une machine.

Il existe des milliers de langages de programmation, la plupart d'entre eux étant réservés à des domaines spécialisés. Ils font l'objet de recherches constantes dans les universités et dans l'industrie.

Littérature

Étagère remplie de livres traitant de programmation en tout genre

Il existe toute une littérature sur papier ou disponible par internet pour documenter chaque langage de programmation, mais aussi pour expliquer les différentes manières de programmer ; The Art of Computer Programming est une référence sur ce sujet.

Historique

Article détaillé : Chronologie des langages de programmation.

Bien que la notion de programme apparaisse progressivement au cours de la deuxième moitié du XIX^e siècle, les premiers langages de programmation n'apparaissent qu'autour de 1950. Chacun pouvant créer son propre langage, il est impossible de déterminer le nombre total de langages existant à l'heure actuelle.

Particularités

Il existe plusieurs caractéristiques qui permettent de comparer les langages entre-eux :

Typage

Article détaillé : Typage.

Le typage est le fait d'attribuer un type aux éléments du code source (variables, fonctions, etc.). Un type définit une structure de données : nombre entier, tableau, chaîne de caractères. Dans certains langages, il existe des types plus évolués (liste chaînée, sémaphore) et il est parfois possible d'en définir de nouveaux.

Les types que l'on trouve dans un langage de programmation dépendent de sa sémantique et donc de ses paradigmes. Beaucoup de langages proposent la notion de variable qui associe un nom à une valeur en mémoire et ce nom ou cette valeur à un type.

Le typage peut être :

Explicite ou implicite

On parle de typage explicite quand les types apparaissent explicitement dans le code source du programme ; un typage implicite est déterminé par le compilateur ou l'interprète.

Fort ou faible

Plus un typage est fort, plus les règles du langage sont strictes et interdisent dès la compilation les manipulations entre données de types différents. On trouve souvent dans les langages typés faiblement la possibilité de faire du transtypage manuel (en anglais cast) pour combler les lacunes du système automatique de typage.

Statique ou dynamique

On parle de typage statique quand la vérification des types se fait dès la phase de compilation, et de typage dynamique lorsque celle-ci est faite durant l'exécution. De plus un typage dynamique associe les types aux valeurs, alors qu'un typage statique associe le type à la variable.

Le typage du langage C est explicite, relativement fort^{[réf. nécessaire]} (le compilateur peut générer des avertissements de typages, le transtypage manuel est permis, mais on peut effectuer n'importe quelle opération entre n'importe quels types sans transtypage), et statique. Le langage OCaml possède un typage implicite, fort et statique (son typeur est le fruit de nombreux travaux de recherche scientifique^[4]).

Les langages fournissent parfois des mécanismes pour convertir une valeur d'un type en une valeur dans un autre type : on peut convertir un entier en flottant sans aucune perte mais l'inverse n'est pas toujours possible. Il ne faut pas confondre la conversion avec le transtypage : le mécanisme de conversion transforme effectivement la donnée, par contre le transtypage se contente de modifier le type associé. Ce mécanisme peut être explicite ou implicite.

Syntaxe

Article détaillé : Syntaxe.

Outre les particularités sémantiques des langages, ils utilisent également des grammaires différentes qui proposent souvent des points communs.

Les particularités syntaxiques ne sont souvent que des détails qui ne changent pas les fonctionnalités proposées par les langages de programmation. Par exemple, dans Objective-C 2, il est possible d'utiliser les accesseurs avec deux syntaxes différentes pour le même résultat :

• object.message
• [object message]

Commentaires

Article détaillé : Commentaire (informatique).

Les commentaires sont des parties du programme qui n'apparaissent pas dans l'application finale. Les commentaires permettent de documenter et d'expliquer le code source. Presque tous les langages de programmation permettent d'écrire des commentaires.

Ils sont introduits ou délimités par des caractères spéciaux (# en Bash ou Ruby) ou une instruction particulière (REM en BASIC). Dans les langages dont la syntaxe est inspirée de celle du C (C++, C#, Objective C, D, Java, JavaScript, PHP...), ils sont la plupart du temps écrits de cette façon :

//pour un commentaire sur une seule ligne

Ou encore comme ceci:

/*pour un commentaire
sur plusieurs lignes*/

Il est possible aussi de préciser que certains commentaires doivent être pris en compte par des outils de génération automatique de documentation (Doxygen, Javadoc, Candydoc...) comme ceci: /// avec un signe "/" en plus pour le commentaire sur une ligne.

OU: /** en doublant les " * "
pour un commentaire sur plusieurs lignes */

Indentation

Article détaillé : Indentation#Informatique.

L'indentation est l'utilisation d'espaces ou tabulations en début de ligne. Généralement, elle n'a pas d'incidence sur le fonctionnement du programme et ne sert qu'à améliorer la lisibilité du code.

Pour certains langages, l'indentation est significative et obligatoire : en Python, l'indentation va servir à délimiter une fonction, une classe ou un test conditionnel – à la différence de langages comme C où ce sont les accolades { } qui remplissent cette fonction.

Séparation des instructions

Article détaillé : Séparateur (informatique).

Pour distinguer une instruction de la suivante, il existe principalement deux approches :

• soit la fin d'une instruction est marquée par un terminateur (un ; en C, Java, etc.) ;
• soit il existe un séparateur d'instructions (un ; en Pascal, une fin de ligne en bash ou Python).

La nuance est importante, car en C, la dernière instruction d'un bloc doit comprendre un ; (terminateur) alors qu'en Pascal, il est inutile, voire fautif, d'en mettre un (cela consiste à ajouter une instruction vide en fin de bloc). De même, le caractère ; peut être utilisé en C comme instruction vide, ce qui n'aurait pas de sens en Pascal.

Les langages utilisant un terminateur sont réputés engendrer moins de fautes de syntaxe que ceux utilisant un séparateur.

Balisage

Article détaillé : Langage de balisage.

Certains langages utilisent des « balises » délimitant des « environnements ». Une balise est généralement un mot-clé associé à plusieurs caractères : \ ; < > ; etc.

Les langages permettant de générer du code source ou des documents utilisent souvent des balises. Par exemple, PHP et JSP utilisent des balises pour délimiter les parties de code à interpréter. XML est également un langage à balises, qui permet de définir des langages de programmation comme XSP ou XSLT.

Stratégie d'évaluation

Une stratégie d'évaluation est un ensemble de règles qui décrivent comment évaluer une expression dans un langage de programmation. La stratégie d'évaluation définit à quel moment les arguments des fonctions et opérateurs sont évalués ou réduits.

On distingue essentiellement deux stratégies :

• l'évaluation stricte : les arguments des fonctions sont toujours évalués avant que la fonction ne soit appliquée.
• l'évaluation paresseuse ou évaluation retardée : les arguments ne sont évalués que lorsque leur valeur est effectivement requise. Ce type d'évaluation est généralement utilisé dans les langages fonctionnels.

La plupart des langages ont un système d'évaluation stricte, et utilisent une forme d'évaluation paresseuse pour les expressions booléennes (évaluation court-circuit). Cependant il est possible de créer une évaluation paresseuse dans un langage à évaluation stricte. Par exemple, Scheme fournit la fonction delay qui retarde l'évaluation d'une expression et force qui oblige l'évaluation.

Gestion de la mémoire

Les langages de programmation offrent plus ou moins de libertés au programmeur en ce qui concerne la gestion de la mémoire :

• Soit elle est entièrement sous le contrôle du développeur qui doit gérer lui-même l'espace mémoire disponible, les allocations et libérations. C'est le cas pour les langages de bas niveau, comme le C.
• Soit tout peut être contrôlé par le compilateur ou par le moteur d'exécution (Java) : même s'il est possible de donner des directives, la machine virtuelle gère elle-même la mémoire à l'aide d'un ramasse-miettes. C'est ainsi que fonctionnent les langages de haut niveau, comme Python.

Certains langages proposent un système intermédiaire. En Objective-C, il est possible de la gérer directement, d'activer la gestion automatique de la mémoire ou d'utiliser un système de plus haut niveau.

Réflexivité

Article détaillé : Réflexivité (informatique).

On dit d'un langage de programmation est « réflexif » s'il permet, au moment de l'exécution, d'analyser et d'agir sur le fonctionnement interne du programme lui-même.

Le langage Smalltalk fut un précurseur dans le domaine de la réflexivité. Il a d'ailleurs fortement influencé bon nombre de langages réflexifs, tels que Io, Python, Ruby, Java ou Objective-C.

Exceptions

Article détaillé : Système de gestion d'exceptions.

Les exceptions sont des cas limites d'exécution du programme (division par 0, etc.). Lorsqu'elles sont générées, le déroulement du programme est interrompu. Au contraire d'une erreur qui interrompt brutalement le programme, la gestion d'une exception permet d'interrompre proprement un programme, de corriger l'erreur et d'en reprendre l'exécution.

La gestion des exceptions peut être différente selon les langages ; soit :

• Il n'y en a pas (C) ;
• Elle signale l'exception sans la traiter (C++, Java) ;
• Elle permet un traitement : par exemple, la modification du programme par le programme lui-même (comme en Python) pour reprendre une exécution « normalement ».

Concurrence

Article détaillé : Programmation concurrente.

La programmation concurrente consiste à découper un programme en plusieurs fils d'exécution. La concurrence permet de simuler l'exécution de différentes tâches de façon simultanée ou, dans le cadre d'une interface graphique, d'effectuer des tâches en tâche de fond sans pour autant bloquer le rafraîchissement de l'affichage. La programmation concurrente permet aussi de tirer parti de ressources distribuées (multiples processeurs, cluster de machines, etc.) ou du système d'ordonnancement de processus du système d'exploitation.

Certains langages intègrent directement la concurrence dans leurs primitives (Erlang, Concurrent ML). Généralement, la concurrence est intégrée par l'intermédiaire de bibliothèques spécifiques : le langage C dispose entre autres de la bibliothèque des thread POSIX ; Java dispose d'une classe Thread dans ses bibliothèques standards.

Principaux paradigmes

Articles détaillés : Paradigme (programmation) et Sémantique des langages de programmation.

Chaque langage de programmation est différent. Une solution exprimée dans un certain langage peut « ressembler » à une solution exprimée dans un autre langage ; dans ce cas, on dit que les langages utilisent le même paradigme (ou style). Deux programmes fournissant la solution au même problème, mais écrits avec des paradigmes différents seront fondamentalement très différents.

De nombreux langages appartiennent simultanément à plusieurs catégories : ils sont dits « multi-paradigmes ». Par exemple, C++ permet la programmation impérative, orientée objet et la programmation générique (à base de classes et de fonctions paramétrées nommées templates). Common Lisp est à la fois impératif, fonctionnel, orienté objet ; son caractère « programmable » (un langage de programmation programmable…) lui permet d'intégrer d'autres « paradigmes » de programmation en son sein (par exemple : la programmation logique et la programmation par contraintes).

Langages impératifs et procéduraux

Articles détaillés : Programmation impérative et Programmation procédurale.

On distingue deux types de langages impératifs. D'une part les langages machines et assembleurs. Ceci explique que les premiers langages de programmation apparus soient des langages impératifs : une instruction du langage correspond à un ensemble d'instructions du langage machine. Les structures de données et opérations sont plus complexes qu'au niveau de la machine, mais le paradigme suivi reste le même.

Les langages procéduraux forment la seconde famille de langages impératifs. Une procédure, appelée également fonction, est une suite d'instructions devant être effectuée dans un ordre précis. On distingue parfois procédure et fonction par la caractéristique qu'une procédure ne renvoie pas de résultat.

Parmi les langages impératifs figurent COBOL, Fortran, Pascal ou encore le C.

Langages déclaratifs

Article détaillé : Programmation déclarative.

Un langage déclaratif ne décrit pas comment est réalisée une opération, comme dans un langage impératif, mais décrit le problème lui-même, sans s'intéresser au contexte.

Figurent parmi les langages déclaratifs Oz, Prolog ou encore Clips.

Langages logiques

Article détaillé : Programmation logique.

Un programme logique est composé de faits et de règles qui sont traités par un moteur d'inférence.

Prolog fut le premier langage de ce type à être fonctionnel sur un ordinateur.

Langages fonctionnels

Article détaillé : Programmation fonctionnelle.

Dans ce paradigme, l'opération de base n'est pas l'affectation, contrairement aux langages impératifs, mais l'évaluation de fonctions. Ce paradigme est donc principalement efficace pour modéliser des problèmes qui s'expriment par des valeurs de données, comme en mathématiques, et non pas des états qui changent au cours de l'exécution.

Certains langages fonctionnels, dit « purs », interdisent totalement les effets de bord, tels que la mutation des données où une variable est liée à une valeur non modifiable. D'autres, intègrent certains traits des langages impératifs où les variables peuvent changer de valeur au cours de l'exécution.

Quelques exemples de langages fonctionnels : Objective Caml (langage fonctionnel et impératif), Haskell (langage fonctionnel pur à évaluation paresseuse), Python (propose certaines fonctionnalités du style fonctionnel comme l'utilisation de fonctions lambda ou la compréhension de listes).

Langages à pile

Ces langages ne manipulent que des piles de données où les opérations sont effectuées sur les éléments du sommet d'une ou plusieurs piles.

Des exemples typiques sont les langages Forth, Factor, PostScript, Joy, Cat ou RPL (HP 48).

Langages à objets

Article détaillé : Programmation orientée objet.

Les langages à objets offrent une abstraction à la machine : l'objet est une structure sémantique indépendante qui rassemble des données et des traitements.

En se basant sur une méthode de conception à objet et sur un langage de modélisation à objet, on peut facilement implanter un concept au moyen d'un langage de programmation à objets.

Parmi les langages à objets sont généralement classés Ruby et Smalltalk, purement objet, c'est-à-dire que tout est objet, depuis les types de base, jusqu'à l'interprète ou les blocs d'instructions ; le C++, extension de C permettant d'utiliser des objets mais où tout n'est pas objet ; Python, très orienté objet mais qui ne respecte pas tous les principes de la programmation objet comme l'encapsulation.

Utilisations

On peut aussi classer les langages de programmation en fonction de leur utilisation car beaucoup de langages sont spécialisés à une application ou à un domaine particulier.

Langages de définition de données

Article détaillé : Langage de définition de données.

Un langage de définition de données ne permet pas d'effectuer de traitement mais de décrire des structure de données (listes, arbres …) et des instances de ces structures.

XML est par exemple un langage permettant la représentation de données sous forme de structure arborescente ; la partie DDL de SQL sert à décrire des données relationnelles. Les langages qui décrivent des documents peuvent également être considérés comme des langages de définition de données. Ainsi, LaTeX est un exemple de langage de définition de données qui permet d'écrire un document en centralisant sa mise en forme. LaTeX est compilé vers d'autres langages de description de document, généralement plus « bas niveau » comme PDF ou Postscript.

Ces langages ne sont habituellement pas considérés comme des langages de programmation. Cependant les codes sources produits avec ces langages présentent certains traits de codes sources de programmes comme des structures de contrôle (conditions, boucles...) et des moyens d'interaction avec le système (variable d'environnement, formulaires...). Ils sont donc cités ici à titre indicatif, mais sont à la frontière de la programmation.

Langages de requête

Article détaillé : Langage de requête.

Les langages de requêtes sont destinés à interroger et manipuler les bases de données.

SQL est un langage de requête utilisé par un grand nombre de systèmes de gestion de bases de données tels que Oracle, SQL Server ou MySQL .

Langages pour pages Web dynamiques

Voir la catégorie : Langage pour pages Web dynamiques.

Ce type de langages est utilisé pour une plus grande interaction entre un client et un serveur.

Du côté du serveur Web, cela permet de produire des pages dont le contenu est généré à chaque affichage. Ces langages sont par ailleurs souvent couplés avec un langage pour communiquer avec des bases de données (exemple : PHP).

Côté client (en général le navigateur web), les langages de réagir à certaines actions de l'utilisateur sans avoir à questionner le serveur. Par exemple, le JavaScript d'une page Web peut réagir aux saisies de l'utilisateur dans un formulaire (et vérifier le format des données).

Certains langages permettent de développer à la fois les aspects client et serveur. C'est le cas d'Ocsigen, de Hop ou bien encore du Server-Side JavaScript.

Langages de programmation théorique

Voir la catégorie : Langage de programmation théorique.

On désigne parfois par langages de programmation théoriques les systèmes formels utilisés pour décrire de façon théorique le fonctionnement des ordinateurs. Ils ne servent pas à développer des applications mais à représenter des modèles et démontrer certaines de leurs propriétés.

On peut citer la machine de Turing et le λ-calcul de Church, qui datent tous les deux des années 1930, et donc antérieurs à l'invention de l'ordinateur. Le λ-calcul a par la suite servi de base théorique à la famille des langages de programmation fonctionnelle. Dans les années 1980, Robin Milner a mis au point le π-calcul pour modéliser les systèmes concurrents.

Pour rendre la programmation plus difficile

Article détaillé : Langage de programmation exotique.

Les langages exotiques ont pour but de créer des grammaires complètes et fonctionnelles mais dans un paradigme éloigné des conventions. Beaucoup sont d'ailleurs considérés comme des blagues.

Ces langages sont généralement difficiles à mettre en pratique et donc rarement utilisés. Par exemple, le Piet permet de programmer à l'aide d'images matricielles.

On peut également citer le Brainfuck qui est un langage minimaliste et Turing-complet ( 8 instructions seulement ). Il est prévu pour tourner sur une machine de Turing avec un compilateur de seulement 171 octets.

Langages spécialisés

• ABEL, langage pour la programmation électronique des PLD
• CDuce, langage fonctionnel d'ordre supérieur pour la manipulation de documents au format XML.
• Forme de Backus-Naur (BNF), formalisation des langages de programmation
• PROMELA, langage de spécification de systèmes asynchrones
• VRML, description de scènes en trois dimensions

Langages synchrones

Langages de programmation synchrones pour les systèmes réactifs : Esterel, Lustre.

Langages à vocation pédagogique

Les pseudo-codes (comme le Langage K) ont généralement un but uniquement pédagogique.

Logo est un langage fonctionnel simple à apprendre.

Dans les années 1990 c'est le language BASIC qui était souvent conseillé pour débuter. Il avait cependant la réputation de favoriser la prise de mauvaises habitudes de programmation.

Langages pour l'électronique numérique

• Verilog, VHDL : langages de description matérielle, permettant de synthétiser de l'électronique numérique (descriptions de portes logiques) et d'en simuler le fonctionnement
• SystemC, langage de description matérielle de plus haut niveau que les précédents et permettant une simulation plus rapide

Langages pour la statistique

R, SAS et xLispStat sont à la fois un langage de statistiques et un logiciel.

Langages de programmation de Commande Numérique (C.N.)

Article détaillé : Programmation de commande numérique.

Une machine-outil automatisée, ou Commande Numérique (C.N.), a besoin d'un langage de programmation pour réaliser les opérations de tournage, ou de fraisage…

Langages de programmation des automates programmables industriels (API)

• Sequential function chart, langage graphique, dérivé du grafcet (NB : le grafcet définit les spécifications de façon graphique)
• Langage Ladder, langage graphique

Langages de programmation audio

Nyquist est un langage de synthèse et d'analyse sonore. Pure Data est un logiciel de création musicale graphique qui repose sur un langage de programmation procédural.

Popularité

Le nombre d'utilisateurs de chaque langage est difficilement quantifiable néanmoins il existe l'index TIOBE qui est calculé mensuellement par la société éponyme. Cet index se base sur le nombre de formations/cours destinée aux ingénieurs et le nombre de revendeurs/free-lance spécialisés dans un langage de programmation. C'est une information parcellaire mais qui peut donner un ordre d'idée sur les tendances en matière de préférence des programmateurs.

Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

• « Langage de programmation », sur le Wiktionnaire (dictionnaire universel)
• « Langage de programmation », sur Wikiversity (communauté pédagogique libre)
• « Langage de programmation », sur Wikibooks (livres pédagogiques)

Articles connexes

• Liste des langages de programmation

Liens externes

• (en) Chronologie des langages de programmation.

Notes et références

1. ↑ (en) John C. Mitchell ,Concepts in programming languages, Cambridge University Press, 2003, p.14 [1] « The fact that all standard programming languages express precisely the class of partial recursive functions is often summarized by the statement that all programming languages are Turing complete. Although it is comforting to know that all programming languages are universal in a mathematical sense, the fact that all programming languages are Turing complete also means that computability theory does not help us distinguish among the expressive powers of different programming languages. »
2. ↑ (en)Bruce J.MacLennan, Principles of Programming Languages, Introduction : What is a programming language?, Oxford University Press, 1999. «A programming language is a language that is intended for the expression of computer programs and that is capable of expressing any computer program. This is not a vague notion. There is a precice theorical way of determining whether a computer language can be used to express any program, namely, by showing that is equivalent to a universal Turing machine.»
3. ↑ Gilles Dowek, Le langage mathématique et les langages de programmation, Colloque Voir, entendre, raisonner, calculer, Cité des sciences et de l'industrie, La Villette, Paris, 1997 — lire en ligne [PDF]
4. ↑ (en) INRIA, A History of Caml