La programmation

L’assembleur et le langage machine

Le langage machine est la forme la plus basique d’instructions qu’un processeur peut exécuter. Ces instructions élémentaires sont codées en binaire (0 et 1) et souvent représentées en hexadécimal. Le langage machine est le langage naturel ou natif du microprocesseur.

Les langages procéduraux

Les langages procéduraux forment une famille de langages de programmation qui organisent le code autour de structures de contrôle et de procédures, aussi appelées « fonctions » ou « sous-programmes », qui exécutent une série d’instructions pour accomplir une tâche spécifique. Ces langages mettent l’accent sur une séquence d’actions à effectuer, organisées en blocs logiques pour garantir la clarté et la modularité du code. Les premiers langages procéduraux populaires furent Fortran, COBOL puis C et partagent plusieurs principes et structures de contrôle fondamentaux qui permettent de gérer le flux d’exécution dans un programme.

Le Fortran et le COBOL

Le Fortran et le COBOL sont tous les deux des langages de programmation procéduraux et parmi les premiers langages de haut niveau qui furent inventés.

Le langage C

Nous avons introduit l’histoire du langage C par la perspective de son développement, principalement pour le système Unix, à la section L’ère d’Unix du chapitre Les systèmes d’exploitation. Le langage C (1970) a évolué à partir du langage B, lui-même dérivé de BCPL. L’une des premières machines à utiliser C fut le PDP-11, un mini-ordinateur populaire de Digital Equipment Corporation (DEC).

À l’origine, Unix était écrit en assembleur, ce qui limitait sa portabilité. Le langage C a permis de réécrire Unix de manière plus portable tout en restant suffisamment proche du matériel pour garantir des performances élevées. Sa simplicité syntaxique et son efficacité ont rapidement fait de C un langage incontournable, à la fois pour le développement d’Unix et d’autres systèmes d’exploitation, logiciels et programmes d’infrastructure.

Le langage C est un langage de bas niveau qui fournit un contrôle direct sur la mémoire grâce à l’utilisation de pointeurs permettant de réaliser une gestion largement manuelle de la mémoire et de disposer d’une grande flexibilité pour manipuler des structures de données complexes. C est connu pour sa portabilité. On le qualifie ainsi souvent « bas niveau portable », car il permet d’écrire du code très proche du matériel tout en restant portable. Il est relativement facile de l’adapter à différentes architectures matérielles, ce qui a contribué à sa popularité dans l’univers de la programmation système.

Notons que les termes « bas niveau » et « haut niveau » sont relatifs et contextuels. Comparativement à l’assembleur, tout langage est considéré de haut niveau. Cependant, en comparant par exemple Fortran à C, le premier est un langage historiquement plus abstrait, conçu pour l’expressivité mathématique, les calculs scientifiques et l’optimisation automatique par le compilateur. Il est donc de plus haut niveau dans sa philosophie d’origine.

Un pointeur est une variable en programmation...

La programmation orientée objet

La programmation orientée objet (POO) est un paradigme de programmation structuré autour du concept d’objets, qui sont des instances de classes. Chaque objet encapsule des données (appelées attributs ou membres) et des comportements (des méthodes), déclarés, respectivement implémentés, au sein de leur classe et permettant une modélisation plus proche des entités du monde réel. Les principes fondamentaux de la POO sont les suivants :

La POO a émergé dans les années 1960 avec le langage Simula, considéré comme le premier langage à avoir introduit la notion d’objets. Ce concept a pris de l’importance avec Smalltalk dans les années 1970, qui a défini de nombreux aspects de la POO encore utilisés aujourd’hui. Ce n’est toutefois qu’avec l’arrivée de C++ dans les années 1980 que la POO a connu une adoption plus large dans le développement de logiciels commerciaux. Puis, des langages comme Java et Python ont rendu cette approche omniprésente.

Les avantages de la POO sont les suivants :

La conception orientée objet

La conception orientée objet (object oriented design) est une approche de conception logicielle qui organise le code en « objets », chacun représentant une entité ou un concept du monde réel, avec ses données (ou attributs) et ses comportements (ou méthodes). Popularisé dans les années 1990, ce paradigme permet de structurer les programmes de manière modulaire et réutilisable, en tirant parti de concepts clés comme l’encapsulation (cacher les détails internes d’un objet), l’héritage (partager des comportements entre objets liés) et le polymorphisme (adapter les comportements en fonction du contexte). Évoquons ci-dessous quelques courants en « conception orientée objet ».

Les langages compilés et les langages interprétés

Les langages compilés et langages interprétés représentent deux approches fondamentalement différentes pour exécuter du code, se distinguant par la façon dont les programmes sont exécutés.

La programmation fonctionnelle

La programmation fonctionnelle est un paradigme de programmation qui se concentre sur l’évaluation de fonctions (mathématiques, opérationnelle, etc.) pures et immuables. Contrairement à la programmation impérative, où l’on modifie l’état du programme via des variables et des boucles, la programmation fonctionnelle s’articule autour de fonctions qui, soumises aux mêmes entrées, produisent toujours les mêmes sorties sans modifier l’état global (les variables) du programme (immuabilité).

Ce paradigme repose sur des concepts clés tels que l’immuabilité, mais aussi l’absence d’effets de bord (puisque les fonctions ne modifient pas l’état externe ou global), les fonctions d’ordre supérieur et les lambdas (fonctions anonymes). Ces principes permettent d’écrire du code plus prévisible et facile à tester, car les interactions sont plus limitées et contrôlées.

Une « fonction d’ordre supérieur » manipule des fonctions comme des objets à part entière, soit en les acceptant comme arguments, soit en les retournant comme résultats. Cela permet d’encapsuler des comportements, d’améliorer la réutilisabilité du code et de faciliter des paradigmes comme la composition de fonctions. Une fonction générique peut, par exemple, être personnalisée pour implémenter un comportement particulier et cette version particulière peut ensuite être utilisée.

Un immuable est un objet qui ne peut pas être modifié après avoir été créé. Autrement dit, toute opération qui semble changer cet objet produit en réalité « une nouvelle version » de l’objet (réellement un nouvel objet), laissant l’original...

Le ramasse-miettes

L’allocation dynamique de mémoire est une composante essentielle de nombreux langages de programmation modernes. Elle permet aux programmes de réserver explicitement de la mémoire à la demande, pour leurs besoins en comportement dynamique, puis de la libérer, explicitement à nouveau, lorsque cette mémoire n’est plus nécessaire. Cependant, cette flexibilité introduit une série de défis pour les développeurs, et sans une gestion extrêmement rigoureuse, elle peut conduire à des problèmes critiques, en particulier dans les environnements où les ressources mémoire sont limitées. Le fonctionnement de l’allocation dynamique de mémoire est présenté dans le chapitre Fonctionnement d’un ordinateur, à la section L’allocation dynamique de mémoire.

L’écosystème Java

L’écosystème Java est l’un des plus vastes et influents dans le paysage informatique moderne. Créé en 1995 par James Gosling et son équipe chez Sun Microsystems, Java est devenu un langage central dans le développement d’applications d’entreprise, de logiciels mobiles, et même d’outils cloud. Java se distingue par son modèle de machine virtuelle (JVM), qui permet l’exécution du même code sur différentes plateformes avec son paradigme « écrire une fois, exécuter partout ».

L’écosystème Java bénéficie d’innombrables frameworks et bibliothèques robustes couvrant presque tous les besoins imaginables et qui facilitent le développement rapide et modulaire de logiciels. Parmi les frameworks les plus populaires se trouve Spring, qui est largement utilisé pour les applications d’entreprise, ainsi que des outils comme Hibernate utilisé pour mapper les bases de données relationnelles vers des objets, ou encore Maven ou Gradle pour la gestion des dépendances et la construction (build) de projets. Cet écosystème s’étend également aux solutions mobiles grâce à Android, qui repose largement sur Java, mais aussi et surtout aux systèmes distribués avec des plateformes comme Apache Kafka et Hadoop, elles aussi largement basées sur Java.

La famille de technologies XML

La famille de technologies XML, dont l’émergence a posé les fondations de toute une école de structuration rigoureuse des données, a été le moteur de l’évolution d’Internet et de nombreuses technologies informatiques que nous utilisons aujourd’hui. Cependant, si le concept de DOM (voir ci-dessous) de la famille XML reste toujours énormément d’actualité dans les technologies web, le format XML lui-même a vu son intérêt diminuer au fil des années avec l’apparition de formats de données structurées beaucoup moins verbeux et plus légers, comme JSON, YAML, etc. Le XML reste toutefois d’actualité dans toute une gamme d’usages, comme la structuration de texte, la génération de documents, etc. Il demeure donc pertinent de s’y intéresser à plus d’un titre.

<livres> 
   <livre> 
       <titre>Introduction à XML</titre> 
       <auteur>Jean Dupont</auteur> 
       <année>2024</année> 
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   <livre> 
       <titre> ...

L’écosystème JavaScript

L’écosystème JavaScript est l’un des plus dynamiques et influents dans le développement web moderne. JavaScript est devenu un langage prépondérant pour la création d’applications aussi bien côté client, au sein des navigateurs web, que côté serveur, grâce à des environnements d’exécution comme Node.js.

L’écosystème JavaScript est soutenu par un grand nombre de frameworks et de bibliothèques. Parmi les plus populaires, on trouve React, Angular et Vue.js pour le développement d’interfaces utilisateur riches côté client, ainsi que Express.js pour le développement d’applications web côté serveur. Grâce à sa popularité croissante et à sa grande communauté de développeurs, JavaScript a également trouvé sa place dans des applications mobiles avec React Native et des environnements d’exécution multiplateformes comme Electron, qui permet de créer des applications de bureau.

Python et la data science

Python est un langage de programmation généraliste et interprété, conçu en 1991 par Guido van Rossum pour être à la fois simple et puissant. Sa syntaxe claire, qui ressemble au langage naturel, en fait l’un des langages les plus faciles à apprendre et à utiliser pour les débutants. Python est cependant également un langage extrêmement polyvalent, capable de prendre en charge plusieurs paradigmes de programmation comme la programmation impérative, orientée objet et fonctionnelle.

L’essor de Python en tant que langage de prédilection pour les data scientists est dû à plusieurs facteurs. La data science est une discipline qui consiste à extraire des connaissances et des insights à partir de données brutes en utilisant diverses techniques, notamment l’analyse statistique, la visualisation des données, et l’apprentissage machine (machine learning). Les data scientists travaillent avec de grands ensembles de données pour résoudre des problèmes complexes dans des domaines comme la finance, le marketing, les soins de santé et la technologie. Python s’est imposé comme un choix idéal pour cette discipline en raison de ses nombreux bibliothèques et frameworks spécifiques à l’analyse des données et à l’apprentissage...

Les techniques de programmation avancées

Les techniques de programmation avancées englobent des approches spécifiques pour optimiser les performances, la fiabilité et la précision dans des environnements exigeants. Les paradigmes de programmation parallèle, distribuée ou encore temps réel répondent à des besoins distincts - de l’accélération des calculs massifs jusqu’à la coordination de systèmes multiples et la gestion de contraintes temporelles strictes. Ensemble, ces techniques permettent de concevoir des systèmes modernes capables de gérer des charges de travail complexes avec des contraintes précises.

Les langages récents

Les langages de programmation récents comme Rust, Go, Kotlin et Swift ont émergé pour répondre à des besoins spécifiques en matière de performance, de sécurité, et de simplicité.

Rust, développé par Mozilla, se distingue par sa gestion fine et précise de la mémoire et la prévention des erreurs courantes comme les fuites et les corruptions de pointeurs. Son approche de sécurisation de la mémoire sans ramasse-miettes et son système de propriété en font un choix idéal pour les systèmes critiques et embarqués.

Go (Golang), conçu chez Google, se concentre sur la simplicité, la concurrence et l’efficacité. Il est largement utilisé dans les applications réseau, le cloud computing, et les architectures distribuées. Go est apprécié pour sa capacité à gérer facilement des centaines de milliers de connexions simultanées grâce à son système de goroutines, qui facilite la création de programmes concurrents.

Kotlin, introduit par JetBrains, est un langage multiparadigme qui a été conçu pour être entièrement interopérable avec Java. Il est devenu aujourd’hui le langage officiel pour le développement d’applications Android, apportant...

Des langages spécifiques

En sus des langages de programmation généraux couverts jusqu’ici, il existe certains langages spécifiques conçus pour répondre à des besoins particuliers dans des contextes spécialisés. Contrairement aux langages de programmation généraux comme Python ou Java, ces langages ciblent des domaines d’application spécifiques.

SQL est un langage utilisé pour s’interfacer avec les bases de données relationnelles (SGBDR). Il permet de manipuler les données (sélectionner, insérer, modifier, supprimer) et de gérer les structures de base comme les tables. Il est essentiel dans le traitement des données à grande échelle. Nous avons déjà évoqué SQL dans le chapitre précédent, à la section Du mainframe aux applications web.

R est spécialisé dans l’analyse statistique et la manipulation de données complexes, très prisé par les statisticiens et data scientists pour son efficacité dans la modélisation statistique et la visualisation des données.

Les Shell scripts permettent d’automatiser des tâches sur les systèmes Unix/Linux. Ils enchaînent des commandes pour faciliter la gestion des fichiers, la configuration de systèmes ou le déploiement d’applications...

Les méthodologies de développement logiciel

Les méthodologies de développement logiciel ont profondément évolué depuis l’époque du classique « The Mythical Man-Month » de Fred Brooks, publié en 1975, qui mettait en lumière les défis et les illusions qui couraient à l’époque concernant les grands projets logiciels. À partir de ces constats initiaux, de nouvelles approches ont progressivement émergé, menant à l’explosion des méthodes agiles dans les années 2000, méthodes qui privilégient la flexibilité, l’adaptabilité et la collaboration en réponse aux besoins changeants et aux rythmes accélérés des projets modernes.