Langages et Concepts de Programmation - Introduction à la programmation enlangage C

Description

L’objectif général de ce cours est l’apprentissage de méthodes et outils permettant de résoudre certains problèmes de l’ingénieur nécessitant un traitement automatisé de l’information.

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Extrait

Langages et Concepts de Programmation Introduction á la programmation en langageC

Cours 1A 2013-2014

Jean-Jacques Girardot, Marc Roelens [e-mail], [e-mail] Septembre 2013

Ècole Nationale Suprieure des Mines de Saint-Etienne 158 Cours Fauriel 42023 SAINT-ÈTIENNE CEDEX

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Version du 7 septembre 2013.

Premire partie Cours

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Introduction

0.1 Objectifsdu cours L’objectif gnral de ce cours est l’apprentissage de mthodes et outils permettant de r- soudre certains problmes de l’ingnieur ncessitant un traitement automatis de l’information. L’une des finalits est galement de proposer aux lves entrant en premire anne Ā l’Ècole des Mines de Saint-Etienne une introduction Ā l’informatique (en tant que science). Il s’agit donc, dans un premier temps, d’analyser un problme, d’en proposer un modle, et d’tablir une mthode de rsolution possible. Cette phase relve des techniques gnrales de modlisation. Dans un second temps, le modle et la mthode de rsolution choisis sont impl- ments en utilisant efficacement la technologie informatique retenue : l’criture d’un programme de traitement en langageC.

0.2 Organisationdu cours

0.2.1 Courset travaux pratiques Le cours de Langages et concepts de programmation est organis en deux phases : ◦la premire phase, relativement intensive (4 journes rparties sur 15 jours, soit 24 heures au total), aborde les premiers concepts de la programmation, dans le but d’amener chaque lve Ā un niveau de comptences permettant la rsolution d’un problme simple (pro- gramme de quelques centaines de lignes n’utilisant que les procdures et les tableaux, avec des algorithmes simples). Cette phase est organise de faÇon Ā ce que chaque lve dispose d’un poste de travail (actuellement, par demi-promotion), et l’valuation se fait donc de faÇon individuelle. ◦la seconde phase, plus tale (21 heures sur 4 semaines), permet de complter cette in- troduction en introduisant notamment les notions d’entres-sorties et de structures de donnes. L’objectif est d’arriver Ā un niveau de comptences permettant d’crire un pro- gramme de traitement de donnes de type rel : programme de quelques milliers de lignes utilisant entres-sorties, structures de donnes, procdures. Cette phase est organise en promotion complte, et les lves travaillent par binÔmes. Lors de ces deux phases, chaque sance comprend une partie de prsentation thorique en salle de cours, puis une partie de ralisation pratique en salle machine. 5

6 0.2.2 Projet Au dbut de la seconde phase, les lves choisissent par binÔmes un sujet de projet (parmi une liste d’une quarantaine de sujets) : ce projet est Ā raliser en deux mois environ. Les notions ncessaires Ā la ralisation du projet sont abordes durant la seconde phase.

0.2.3 Travailpratique de recherche oprationnelle Le cours comprend galement, en commun avec le cours de Recherche oprationnelle (qui fait partie du pÔle de modlisation mathmatique), la ralisation d’un programme permettant de rsoudre un problme typique d’optimisation. Ce travail se ralise sous forme de deux sances de travaux pratiques (en principe, le sujet trait est abord de faÇon thorique lors des sances de travaux dirigs de recherche oprationnelle).

0.2.4 Evaluation L’valuation du cours se fait essentiellement par l’valuation du projet de programmation : cette valuation comprend une note de prsentation orale (dure : 20 minutes), une note de rapport crit, et une note lie Ā la qualit de la ralisation informatique (qui intgre une partie de motivation). De faÇon complmentaire, certains travaux pratiques du cours ainsi que le travail pratique de recherche oprationnelle sont valus, et pourront intervenir dans la note finale.

0.3 LelangageC Ce cours est une premire introduction aux mthodes de programmation. Pour des raisons qui sont dtailles plus loin, cette introduction s’effectue au travers du langageC. Le langage de programmation particulier utilis comme support de la pense dans un cours d’informatique ne devrait jouer qu’un rÔle assez secondaire vis Ā vis des concepts enseigns. Ce n’est malheureu- sement presque jamais le cas, et, en particulier dans le cas des « initiations » Ā l’informatique, ce choix du langage joue un rÔle prpondrant. L’exprience montre que l’apprenant est en effet rapidement proccup (voire envahi) par les seuls aspects de mise en œuvre du langage choisi, et que les concepts, parfois de haut vol, que l’enseignant vise Ā mettre Ā sa disposition sont largement ignors (lorsqu’ils ne sont pas traits par le mpris). Nous voulons construire des programmes solides, et le langage de programmation va nous permettre de crer nos briques. Mais il ne sert Ā rien de construire sur du sable ; la comprhension de la nature et de la structure des donnes, la connaissance de l’algorithmique constituent les fondations de toute construction correcte. C’est un passage difficile, mais oblig. Pour cette raison, nous insistons beaucoup sur les aspects fondamentaux (et en particulier, algorithmiques) de la programmation. Le choix d’un langage de programmation pour une initiation Ā l’informatique n’est pas, comme on l’a djĀ laiss entendre, entirement anodin. L’Ècole des Mines de Saint-Etienne, qui ne rpugne Ā aucune exprience dans le domaine, a utilis pour ce faire des langages aussi

0.4. LAFINALITé DE CE COURS

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varis queFortran,Algol 60,APL,Pascal,Scheme,ADA,C,C++,Matlab,Scilab, et probablement quelques autres encore. Qu’ils soient impratifs, fonctionnels, dclaratifs, Ā 1 objets ou Ā enzymes gloutons, ces langages ont leurs avantages et leurs inconvnients, leurs partisans et leurs dtracteurs, et ont fait parmi les tudiants des heureux, des insatisfaits, et dans tous les cas beaucoup d’indiffrents. Ce cours a choisi comme langage support le langageCqui est en lui-mme un petit lan- gage relativement simple Ā apprendre, et comportant peu de concepts. Il constitue une bonne 2 introduction ,pour le programmeur, aux langages Ā objets tels queC++etJava. Malgr cette simplicit, c’est un langage largement utilis dans le domaine industriel : on le trouve ainsi comme langage de dveloppement du systme Unix (et toutes ses variantes) et des utilitaires associs. On l’utilise galement dans des applications d’informatique embarque, de contrÔle de procds industriels, de calculs scientifiques, de traitements de donnes diverses.. . C’est enfin un langage mature, donc peu soumis Ā des (r)volutions rendant les anciens pro- grammes incompatibles, et disposant sur quasiment toutes les plates-formes d’environnements de dveloppement performants (et du domaine public, ce qui est un avantage non ngligeable). Le langageC, bien sÛr, ne prsente pas que des avantages. ConÇu pour permettre au pro- grammeur d’utiliser de manire efficace la machine sous-jacente, il impose Ā son utilisateur : ◦de connatre l’architecture gnrale d’un ordinateur, afin de comprendre comment ces concepts se matrialisent dans ce langage de programmation; ◦de savoir manipuler le systme d’exploitation, puisque,Ctant unlangage compil, la mise en œuvre d’un programme ncessite une squence d’oprations non triviales pour le nophyte. Le chapitre 1 a donc pour objectif annexe de prsenter la structure d’un ordinateur (du mat- riel jusqu’au logiciel), et de dcrire sommairement la mise en œuvre du langageCsur le systme le mieux adapt : UNIX, et en l’occurence, Linux.

0.4 Lafinalit de ce cours Ce document a pour but de prsenter des techniques d’analyse permettant de passer, par tapes successives, d’un problme, nonc en franÇais, Ā un programme rsolvant ce problme, crit dans le langage choisi pour cet apprentissage, Ā savoir le langageC. Le lecteur averti pourra aisment transposer les concepts Ā tout langage du mme genre que C, c’est-Ā-dire un langage de type procdural, intgrant la notion de fonctions (ou procdures, ou sous-programmes), ainsi que la possibilit de crer des structures de donnes :Pascal,C++, VBA, sont des langages ne posant pas de problme Ā ce niveau. Cette prsentation s’appuie largement sur des exemples, simples au dpart, puis de plus en plus complexes. Il est difficile en effet de prsenter d’emblelamthodologie universelle (Ā supposer qu’il en existe une) : ceci, Ā notre avis, ne revt un intrt qu’aprs une certaine pratique effective de la rsolution de problmes de complexit non triviale. Dans cette prsentation sont successivement abordes diffrentes facettes de cette analyse, Ā savoir l’algorithmique, la structuration par les traitements et la structuration par les donnes. 1. Termede remplissage, utilis ici en attendant la prochaine rvolution. . . 2. Neserait-ce que par sa syntaxe. . .

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Il faut bien comprendre que ce qui est prsent ne revt pas le caractre de rgles abso- lues : ne pas les suivre ne condamne pas ncessairement Ā obtenir des programmes incorrects. Cependant, les suivre permet d’obtenir des programmes plus facilement comprhensibles par 3 quelqu’un qui ne les a pas crits, et amliore donc la maintenance de ceux-ci (que ce soit pour corriger ou pour amliorer le programme). On est donc ici plutÔt dans le domaine desbonnes pratiques.

0.5 Droulementdu cours La premire phase du cours comporte huit sances de trois heures. Les sept premires sances comportent une phase magistrale suivie d’une phase de travaux dirigs et pratiques, la dernire sance est intgralement consacre au travail pratique (ralisation du projet).

0.5.1 Sance1 : introduction au matriel et au logiciel ButSavoir diter, compiler et excuter un programme; apprendre la syntaxe des expressions arithmtiques.

ThoriePrsentation de notions sur l’informatique, les machines, les algorithmes, les envi- ronnements de dveloppement. Introduction au langageC: premiers lments de syntaxe, types de donnes (entiers, rels, caractres) ; reprsentation des donnes ; variables ; expressions.

PratiqueMatriser un environnement de programmation. Dmonstration de l’environnement. Le clbre programme « Salut, monde ».

0.5.2 Sances2 et 3 : quelques problmes lmentaires ButComprendre les notions de variable, d’expression, et les itrations (boucles et tests)

ThorieModlisation de problmes.

PratiquePartir d’un problme simple, (calculer unPGCD, un sinus), en dcrire les tapes de la rsolution.

0.5.3 Sance4 : procdures ButComprendre la notion de procdure.

ThorieDescription et appel de procdure. Passage de paramtres. Prototypes des procdures. 3. oune les a pas relus depuis un moment. . .

0.6. LESSUPPORTS DE COURS

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PratiqueÈtapes de la cration d’une application : dcomposition en procdures. Procdures et compilations spares. Utilisation de procdures de bibliothque correspondant aux fonctions mathmatiques usuelles.

0.5.4 Sance5 : tableaux ButLes tableaux.

ThorieOprations simples sur tableaux. Tableaux Ā deux dimensions, ou matrices. Tableaux et procdures. Quelques algorithmes sur les tableaux.

PratiqueRecherches de minimums, maximums, etc. Remplissage de tableau par des valeurs alatoires. Exemple du calcul des moyennes.

0.5.5 Sance6 : du problme au programme ButSavoir traiter un problme plus complexe.

ThorieAnalyse de problme, dcomposition en sous-problmes par les donnes ou par les traitements.

PratiqueAnalyse, conception du problme trait en mini-projet.

0.5.6 Sance7 : complments ButApporter quelques complments sur procdures et tableaux.

0.5.7 Sance8 : une application ButSance d’intgration pour obtenir le logiciel dont la ralisation est vise dans le cadre du cours.

PratiquePrsentation de quelques principes de mise au point.

0.6 Lessupports de cours Les supports de cours se composent notamment du prsent document, des documents proje- ts pendant les sances de cours, et des notes personnelles des lves. De nombreuses informations (complments de cours, exercices corrigs, rfrences biblio- graphiques ou Internet, copies des supports de cours) sont disponibles sur le site Internet du cours informatique : http://kiwi.emse.fr/INTROINFO/

10 0.7 Notestechniques Ce support de cours a t rdig par Jean-Jacques Girardot et Marc Roelens Ā partir de divers documents antrieurs. Le document lui-mme a t cr sous Linux et MacOS X, en utilisant le logiciel de com- A position LT X. Une partie du document a t ralise au moyen de L X ([3]), un diteur de E Y A document qui fournit un interface WYSIWYM avec T X et LT X ([2]). E E

Chapitre 1

Introduction

1.1 Cours Ce premier chapitre introduit les diverses notions de l’informatique pratiquement indispen- sables Ā la comprhension de l’activit de programmation : ce qu’est un ordinateur, un fichier, un compilateur, et comment mettre en œuvre toutes ces choses.. . Aprs cette prsentation sommaire, le cours dcrit quelques lments de base du langageC ainsi que l’utilisation de celui-ci sur les machines.

1.1.1 Modlede l’ordinateur 1.1.1.1 Architectured’un ordinateur

F IGURE 1.1 – L’architecture de Von Neumann Les ordinateurs actuels drivent d’une architecture dfinie en 1946, laMachine de von Neu- mann(cf. figure 1.1). Les quatre composantes principales de cette architecture sont : ◦; c’est elle qui effectue les calculs (additions, multiplica-l’unit arithmtique et logique tions) et les tests (galit, infriorit); 11