Apprendre à programmer avec Python

Le but de ce cours est de vous apprendre à penser et à réfléchir comme un analyste-programmeur. Ce mode de pensée combine des démarches intellectuelles complexes, similaires à celles qu'accomplissent les mathématiciens, les ingénieurs et les scientifiques.

Comme le mathématicien, l'analyste-programmeur utilise des langages formels pour décrire des raisonnements (ou algorithmes). Comme l'ingénieur, il conçoit des dispositifs, il assemble des composants pour réaliser des mécanismes et il évalue leurs performances. Comme le scientifique, il observe le comportement de systèmes complexes, il ébauche des hypothèses explicatives, il teste des prédictions.

L'activité essentielle d'un analyste-programmeur est la résolution de problèmes.

Il s'agit là d'une compétence de haut niveau, qui implique des capacités et des connaissances diverses : être capable de (re)formuler un problème de plusieurs manières différentes, être capable d'imaginer des solutions innovantes et efficaces, être capable d'exprimer ces solutions de manière claire et complète.

La programmation d'un ordinateur consiste en effet à « expliquer » en détail à une machine ce qu'elle doit faire, en sachant d'emblée qu'elle ne peut pas véritablement « comprendre » un langage humain, mais seulement effectuer un traitement automatique sur des séquences de caractères. Un programme n'est rien d'autre qu'une suite d'instructions, encodées en respectant de manière très stricte un ensemble de conventions fixées à l'avance que l'on appelle un langage informatique. La machine est ainsi pourvue d'un mécanisme qui décode ces instructions en associant à chaque « mot » du langage une action précise.

Vous allez donc apprendre à programmer, activité déjà intéressante en elle-même parce qu'elle contribue à développer votre intelligence. Mais vous serez aussi amené à utiliser la programmation pour réaliser des projets concrets, ce qui vous procurera certainement de très grandes satisfactions.

A strictement parler, un ordinateur n'est rien d'autre qu'une machine effectuant des opérations simples sur des séquences de signaux électriques, lesquels sont conditionnés de manière à ne pouvoir prendre que deux états seulement (par exemple un potentiel électrique maximum ou minimum). Ces séquences de signaux obéissent à une logique du type « tout ou rien » et peuvent donc être considérés conventionnellement comme des suites de nombres ne prenant jamais que les deux valeurs 0 et 1. Un système numérique ainsi limité à deux chiffres est appelé système binaire.

Sachez dès à présent que dans son fonctionnement interne, un ordinateur est totalement incapable de traiter autre chose que des nombres binaires. Toute information d'un autre type doit être convertie, ou codée, en format binaire. Cela est vrai non seulement pour les données que l'on souhaite traiter (les textes, les images, les sons, les nombres, etc.), mais aussi pour les programmes, c'est-à-dire les séquences d'instructions que l'on va fournir à la machine pour lui dire ce qu'elle doit faire avec ces données.

Le seul « langage » que l'ordinateur puisse véritablement « comprendre » est donc très éloigné de ce que nous utilisons nous-mêmes. C'est une longue suite de 1 et de 0 (les "bits") souvent traités par groupes de 8 (les « octets »), 16, 32, ou même 64. Ce « langage machine » est évidemment presqu'incompréhensible pour nous. Pour « parler » à un ordinateur, il nous faudra utiliser des systèmes de traduction automatiques, capables de convertir en nombres binaires des suites de caractères formant des mots-clés (anglais en général) qui seront plus significatifs pour nous.

Ces systèmes de traduction automatique seront établis sur la base de toute une série de conventions, dont il existera évidemment de nombreuses variantes.

Le système de traduction proprement dit s'appellera interpréteur ou bien compilateur, suivant la méthode utilisée pour effectuer la traduction (voir ci-après). On appellera langage de programmation un ensemble de mots-clés (choisis arbitrairement) associé à un ensemble de règles très précises indiquant comment on peut assembler ces mots pour former des « phrases » que l'interpréteur ou le compilateur puisse traduire en langage machine (binaire).

Suivant son niveau d'abstraction, on pourra dire d'un langage qu'il est « de bas niveau » (ex : Assembler) ou « de haut niveau » (ex : Pascal, Perl, Smalltalk, Clarion, Java...). Un langage de bas niveau est constitué d'instructions très élémentaires, très « proches de la machine ». Un langage de haut niveau comporte des instructions plus abstraites ou, plus « puissantes ». Cela signifie que chacune de ces instructions pourra être traduite par l'interpréteur ou le compilateur en un grand nombre d'instructions machine élémentaires.

Le langage que vous allez apprendre en premier est Python. Il s'agit d'un langage de haut niveau, dont la traduction en codes binaires est complexe et prend donc toujours un certain temps. Cela pourrait paraître un inconvénient. En fait, les avantages que présentent les langages de haut niveau sont énormes : il est beaucoup plus facile d'écrire un programme dans un langage de haut niveau ; l'écriture du programme prend donc beaucoup moins de temps ; la probabilité d'y faire des fautes est nettement plus faible ; la maintenance (c'est-à-dire l'apport de modifications ultérieures) et la recherche des erreurs (les « bugs ») sont grandement facilitées. De plus, un programme écrit dans un langage de haut niveau sera souvent portable, c'est-à-dire que l'on pourra le faire fonctionner sans guère de modifications sur des machines ou des systèmes d'exploitation différents. Un programme écrit dans un langage de bas niveau ne peut jamais fonctionner que sur un seul type de machine : pour qu'une autre l'accepte, il faut le réécrire entièrement.

Le programme tel que nous l'écrivons à l'aide d'un logiciel éditeur (une sorte de traitement de texte spécialisé) sera appelé désormais programme source (ou code source). Comme déjà signalé plus haut, il existe deux techniques principales pour effectuer la traduction d'un tel programme source en code binaire exécutable par la machine : l'interprétation et la compilation.

• Dans la technique appelée interprétation, le logiciel interpréteur doit être utilisé chaque fois que l'on veut faire fonctionner le programme. Dans cette technique en effet, chaque ligne du programme source analysé est traduite au fur et à mesure en quelques instructions du langage machine, qui sont ensuite directement exécutées. Aucun programme objet n'est généré.

• La compilation consiste à traduire la totalité du texte source en une fois. Le logiciel compilateur lit toutes les lignes du programme source et produit une nouvelle suite de codes que l'on appelle programme objet (ou code objet). Celui-ci peut désormais être exécuté indépendamment du compilateur et être conservé tel quel dans un fichier (« fichier exécutable »).

Chacune de ces deux techniques a ses avantages et ses inconvénients :

L'interprétation est idéale lorsque l'on est en phase d'apprentissage du langage, ou en cours d'expérimentation sur un projet. Avec cette technique, on peut en effet tester immédiatement toute modification apportée au programme source, sans passer par une phase de compilation qui demande toujours du temps.

Par contre, lorsqu'un projet comporte des fonctionnalités complexes qui doivent s'exécuter rapidement, la compilation est préférable : il est clair en effet qu'un programme compilé fonctionnera toujours nettement plus vite que son homologue interprété, puisque dans cette technique l'ordinateur n'a plus à (re)traduire chaque instruction en code binaire avant qu'elle puisse être exécutée.

Certains langages modernes tentent de combiner les deux techniques afin de retirer le meilleur de chacune. C'est le cas de Python et aussi de Java. Lorsque vous lui fournissez un programme source, Python commence par le compiler pour produire un code intermédiaire, similaire à un langage machine, que l'on appelle bytecode, lequel sera ensuite transmis à un interpréteur pour l'exécution finale. Du point de vue de l'ordinateur, le bytecode est très facile à interpréter en langage machine. Cette interprétation sera donc beaucoup plus rapide que celle d'un code source.

Les avantages de cette méthode sont appréciables :

• Le fait de disposer en permanence d'un interpréteur permet de tester immédiatement n'importe quel petit morceau de programme. On pourra donc vérifier le bon fonctionnement de chaque composant d'une application au fur et à mesure de sa construction.
• L'interprétation du bytecode compilé n'est pas aussi rapide que celle d'un véritable code binaire, mais elle est très satisfaisante pour de très nombreux programmes, y compris graphiques.
• Le bytecode est portable. Pour qu'un programme Python ou Java puisse s'exécuter sur différentes machines, il suffit de disposer pour chacune d'elles d'un interpréteur adapté.

Tout ceci peut vous paraître un peu compliqué, mais la bonne nouvelle est que tout ceci est pris en charge automatiquement par l'environnement de développement de Python. Il vous suffira d'entrer vos commandes au clavier, de frapper <![CDATA[<Enter>]]>, et Python se chargera de les compiler et de les interpréter pour vous.

La programmation est une démarche très complexe, et comme c'est le cas dans toute activité humaine, on y commet de nombreuses erreurs. Pour des raisons anecdotiques, les erreurs de programmation s'appellent des « bugs » (ou « bogues », en France)⁴, et l'ensemble des techniques que l'on met en oeuvre pour les détecter et les corriger s'appelle « debug » (ou « déboguage »).

En fait, il peut exister dans un programme trois types d'erreurs assez différentes, et il convient que vous appreniez à bien les distinguer :

4 "bug" est à l'origine un terme anglais servant à désigner de petits insectes gênants, tels les punaises. Les premiers ordinateurs fonctionnaient à l'aide de "lampes" radios qui nécessitaient des tensions électriques assez élevées. Il est arrivé à plusieurs reprises que des petits insectes s'introduisent dans cette circuiterie complexe et se fassent électrocuter, leurs cadavres calcinés provoquant alors des court-circuits et donc des pannes incompréhensibles. Le mot français "bogue" a été choisi par homonymie approximative. Il désigne la coque épineuse de la châtaigne.

1-4-1. Erreurs de syntaxe▲

1-4-2. Erreurs sémantiques▲

1-4-3. Erreurs à l'exécution▲

L'une des compétences les plus importantes à acquérir au cours de votre apprentissage est celle qui consiste à « déboguer » efficacement un programme. Il s'agit d'une activité intellectuelle parfois énervante mais toujours très riche, dans laquelle il faut faire montre de beaucoup de perspicacité.

Ce travail ressemble par bien des aspects à une enquête policière. Vous examinez un ensemble de faits, et vous devez émettre des hypothèses explicatives pour reconstituer les processus et les événements qui ont logiquement entraîné les résultats que vous constatez.

Cette activité s'apparente aussi au travail expérimental en sciences. Vous vous faites une première idée de ce qui ne va pas, vous modifiez votre programme et vous essayez à nouveau. Vous avez émis une hypothèse, qui vous permet de prédire ce que devra donner la modification. Si la prédiction se vérifie, alors vous avez progressé d'un pas sur la voie d'un programme qui fonctionne. Si la prédiction se révèle fausse, alors il vous faut émettre une nouvelle hypothèse. Comme l'a bien dit Sherlock Holmes : « Lorsque vous avez éliminé l'impossible, ce qui reste, même si c'est improbable, doit être la vérité » (A. Conan Doyle, Le signe des quatre).

Pour certaines personnes, « programmer » et « déboguer » signifient exactement la même chose. Ce qu'elles veulent dire par là est que l'activité de programmation consiste en fait à modifier, à corriger sans cesse un même programme, jusqu'à ce qu'il se comporte finalement comme vous le vouliez. L'idée est que la construction d'un programme commence toujours par une ébauche qui fait déjà quelque chose (et qui est donc déjà déboguée), à laquelle on ajoute couche par couche de petites modifications, en corrigeant au fur et à mesure les erreurs, afin d'avoir de toute façon à chaque étape du processus un programme qui fonctionne.

Par exemple, vous savez que Linux est un système d'exploitation (et donc un gros logiciel) qui comporte des milliers de lignes de code. Au départ, cependant, cela a commencé par un petit programme simple que Linus Torvalds avait développé pour tester les particularités du processeur Intel 80386. Suivant Larry GreenField (« The Linux user's guide », beta version 1) : « L'un des premiers projets de Linus était un programme destiné à convertir une chaîne de caractères AAAA en BBBB. C'est cela qui plus tard finit par devenir Linux ! ».

Ce qui précède ne signifie pas que nous voulions vous pousser à programmer par approximations successives, à partir d'une vague idée. Lorsque vous démarrerez un projet de programmation d'une certaine importance, il faudra au contraire vous efforcer d'établir le mieux possible un cahier des charges détaillé, lequel s'appuiera sur un plan solidement construit pour l'application envisagée.

Diverses méthodes existent pour effectuer cette tâche d'analyse, mais leur étude sort du cadre de ces notes. Veuillez consulter votre professeur pour de plus amples informations et références.

Les langages naturels sont ceux que les êtres humains utilisent pour communiquer. Ces langages n'ont pas été mis au point délibérément (encore que certaines instances tâchent d'y mettre un peu d'ordre) : ils évoluent naturellement.

Les langages formels sont des langages développés en vue d'applications spécifiques. Ainsi par exemple, le système de notation utilisé par les mathématiciens est un langage formel particulièrement efficace pour représenter les relations entre nombres et grandeurs diverses. Les chimistes utilisent un langage formel pour représenter la structure des molécules, etc.

Les langages de programmation sont des langages formels qui ont été développés pour décrire des algorithmes et des structures de données.

Comme on l'a déjà signalé plus haut, les langages formels sont dotés d'une syntaxe qui obéit à des règles très strictes. Par exemple, 3+3=6 est une représentation mathématique correcte, alors que $3=+6 ne l'est pas. De même, la formule chimique H₂O est correcte, mais non Zq₃G₂

Les règles de syntaxe s'appliquent non seulement aux symboles du langage (par exemple, le symbole chimique Zq est illégal parce qu'il ne correspond à aucun élément), mais aussi à la manière de les combiner. Ainsi l'équation mathématique 6+=+/5- ne contient que des symboles parfaitement autorisés, mais leur arrangement incorrect ne signifie rien du tout.

Lorsque vous lisez une phrase quelconque, vous devez arriver à vous représenter la structure logique de la phrase (même si vous faites cela inconsciemment la plupart du temps). Par exemple, lorsque vous lisez la phrase « la pièce est tombée », vous comprenez que « la pièce » en est le sujet et « est tombée » le verbe. L'analyse vous permet de comprendre la signification, la logique de la phrase (sa sémantique). D'une manière analogue, l'interpréteur Python devra analyser la structure de votre programme source pour en extraire la signification.

Les langages naturels et formels ont donc beaucoup de caractéristiques communes (des symboles, une syntaxe, une sémantique), mais ils présentent aussi des différences très importantes :

Ambiguïté.

Les langages naturels sont pleins d'ambiguïtés, que nous pouvons lever dans la plupart des cas en nous aidant du contexte. Par exemple, nous attribuons tout naturellement une signification différente au mot vaisseau, suivant que nous le trouvons dans une phrase qui traite de circulation sanguine ou de navigation à voiles. Dans un langage formel, il ne peut pas y avoir d'ambiguïté. Chaque instruction possède une seule signification, indépendante du contexte.

Redondance.

Pour compenser toutes ces ambiguïtés et aussi de nombreuses erreurs ou pertes dans la transmission de l'information, les langages naturels emploient beaucoup la redondance (dans nos phrases, nous répétons plusieurs fois la même chose sous des formes différentes, pour être sûrs de bien nous faire comprendre). Les langages formels sont beaucoup plus concis.

Littéralité.

Les langages naturels sont truffés d'images et de métaphores. Si je dis « la pièce est tombée ! » dans un certain contexte, il se peut qu'il ne s'agisse en fait ni d'une véritable pièce, ni de la chute de quoi que ce soit. Dans un langage formel, par contre, les expressions doivent être prises pour ce qu'elles sont, « au pied de la lettre ».

Habitués comme nous le sommes à utiliser des langages naturels, nous avons souvent bien du mal à nous adapter aux règles rigoureuses des langages formels. C'est l'une des difficultés que vous devrez surmonter pour arriver à penser comme un analyste-programmeur efficace.

Pour bien nous faire comprendre, comparons encore différents types de textes :

Un texte poétique :

Les mots y sont utilisés autant pour leur musicalité que pour leur signification, et l'effet recherché est surtout émotionnel. Les métaphores et les ambiguïtés y règnent en maîtres.

Un texte en prose :

La signification littérale des mots y est plus importante, et les phrases sont structurées de manière à lever les ambiguïtés, mais sans y parvenir toujours complètement. Les redondances sont souvent nécessaires.

Un programme d'ordinateur :

La signification du texte est unique et littérale. Elle peut être comprise entièrement par la seule analyse des symboles et de la structure. On peut donc automatiser cette analyse.



Pour conclure, voici quelques suggestions concernant la manière de lire un programme d'ordinateur (ou tout autre texte écrit en langage formel).

Premièrement, gardez à l'esprit que les langages formels sont beaucoup plus denses que les langages naturels, ce qui signifie qu'il faut davantage de temps pour les lire. De plus, la structure y est très importante. Aussi, ce n'est généralement pas une bonne idée que d'essayer de lire un programme d'une traite, du début à la fin. Au lieu de cela, entraînez-vous à analyser le programme dans votre tête, en identifiant les symboles et en interprétant la structure.

Finalement, souvenez-vous que tous les détails ont de l'importance. Il faudra en particulier faire très attention à la casse (c'est-à-dire l'emploi des majuscules et des minuscules) et à la ponctuation. Toute erreur à ce niveau (même minime en apparence, tel l'oubli d'une virgule, par exemple) peut modifier considérablement la signification du code, et donc le déroulement du programme.