Langages de Prog: Fondamentaux & Techniques Compilation

Objectifs d'apprentissage

• Comprendre les principes fondamentaux de la compilation et de l'interprétation des langages de programmation.
• Maîtriser les différentes phases d'un compilateur, de l'analyse lexicale à la génération de code.
• Distinguer les compilateurs des interpréteurs et savoir quand utiliser l'un ou l'autre.
• Appliquer des concepts d'arithmétique et d'architecture des ordinateurs pour optimiser la compilation.
• Analyser la qualité d'un compilateur en fonction de critères tels que la vitesse, la taille du code généré et la précision.
• Expérimenter avec des exemples concrets de compilation et d'interprétation pour renforcer la compréhension pratique.

Public cible

Ce cours s'adresse aux étudiants en informatique, aux développeurs débutants ou expérimentés, ainsi qu'aux professionnels souhaitant approfondir leurs connaissances sur les langages de programmation et les processus de compilation. Une base en algorithmique et en programmation est recommandée pour tirer pleinement profit de ce cours.

Contenu détaillé

Compilation vers le langage machine

La compilation est le processus de traduction d'un code source écrit dans un langage de haut niveau vers un langage machine exécutable par un processeur. Ce processus implique plusieurs étapes, notamment l'analyse syntaxique, la génération de code intermédiaire et l'optimisation. Le compilateur produit un fichier binaire autonome, prêt à être exécuté sur une machine cible.

Langage cible

Le langage cible est généralement le langage machine ou un langage d'assemblage spécifique à une architecture matérielle. Certains compilateurs ciblent des langages intermédiaires comme le bytecode Java ou le LLVM IR, permettant une portabilité accrue entre différentes plateformes.

Différence entre compilateur et interpréteur

Un compilateur traduit l'intégralité du code source en langage machine avant son exécution, tandis qu'un interpréteur exécute le code ligne par ligne sans générer de fichier binaire. Les compilateurs offrent généralement de meilleures performances, tandis que les interpréteurs permettent une plus grande flexibilité et un débogage plus facile.

Exemple de compilation et d'interprétation

Par exemple, un programme C est compilé en un exécutable via GCC, alors qu'un script Python est interprété directement par l'interpréteur Python. La compilation produit un fichier exécutable optimisé, tandis que l'interprétation permet une exécution immédiate sans étape de compilation préalable.

Qualité d'un compilateur

La qualité d'un compilateur se mesure par sa capacité à générer un code optimisé en termes de vitesse d'exécution, de taille mémoire utilisée et de consommation énergétique. D'autres critères incluent la précision des messages d'erreur, la compatibilité avec les standards du langage et la facilité d'intégration avec d'autres outils de développement.

Phases d'un compilateur

Un compilateur passe généralement par plusieurs phases : l'analyse lexicale (tokenisation), l'analyse syntaxique (parsing), l'analyse sémantique, la génération de code intermédiaire, l'optimisation et enfin la génération de code machine. Chaque phase contribue à transformer le code source en un programme efficace et exécutable.

Un peu d'arithmétique des ordinateurs

L'arithmétique des ordinateurs repose sur des représentations binaires et des opérations logiques. Les compilateurs doivent tenir compte des limites des types de données (entiers, flottants) et des optimisations possibles pour éviter les erreurs de calcul et améliorer les performances.

Un peu d'architecture

L'architecture matérielle influence directement la compilation. Les compilateurs doivent adapter le code généré en fonction du jeu d'instructions, des registres disponibles et des spécificités du processeur (pipeline, caches, etc.). Une bonne connaissance de l'architecture cible permet d'optimiser le code produit.

Principe d'exécution

L'exécution d'un programme compilé repose sur le chargement du code machine en mémoire, son décodage par le processeur et son exécution instruction par instruction. Les compilateurs optimisent cette exécution en réduisant les accès mémoire et en exploitant le parallélisme matériel.

Jeu d'instructions

Le jeu d'instructions (ISA) définit les opérations qu'un processeur peut exécuter. Les compilateurs génèrent du code en se basant sur ces instructions, en choisissant les plus efficaces pour chaque opération. Les ISA modernes incluent des instructions vectorielles (SIMD) pour accélérer les calculs intensifs.