PRM, prmc Un langage de programmation et un compilateur

PRM, prmcUn langage de programmation et un compilateurJean PrivatLIRMM161 rue Ada34392 Montpellier Cedex 5 - Franceprivat@lirmm.frRésumé— Ce papier présente un langage de programmation(PRM) et son compilateur (prmc) en prenant comme pointsde vues l’interaction entre humains et ordinateurs, et laqualité des logiciels.Mots-clés— PRM, langage de programmation, objets,compilation séparée.I. IntroductionBonjour !0110010 ?A. Langages de programmationLes langages de programmation (ou langages informatiques)sont des langages artificiels permettant d’écrire desprogrammes informatiques. Le code source (ou simplementcode) désigne le ✭ texte ✮ d’un programme ✭ rédigé ✮ dansun langage de programmation.Un langage de programmation est constitué d’unesyntaxe (le vocabulaire et la grammaire) et d’unesémantique (les abstractions exprimables et leur signification).Toutefois, il est nécessaire de comprendre qu’un langage deprogrammation ne sert pas à discuter avec un ordinateurmais plutôt à lui donner des ordres 2 .Fig. 1. Problème de communication ?Idée Code source ExécutionLa boutade de la figure 1 caricature le problèmefondamental sous-jacent à de nombreuses recherches eninformatique : comment faire pour que l’humain etl’ordinateur puissent interagir ?Le travail que j’ai mené pendant ma thèse concernedeux facettes de ce problème de communication dans lecadre du développement de logiciels. Plus précisément, montravail se situe de part (côté humain) et d’autre (côtémachine) des langages de programmation 1 . Côté humain,j’ai travaillé sur les traits des langages et proposé leraffinement de classes, une extension du modèle à objets.Côté machine, j’ai travaillé sur la compilation des langageset proposé un schéma de compilation séparé qui permetted’obtenir l’efficacité des compilateurs globaux tout enconservant les avantages de la compilation séparée. Afin,de mettre en oeuvre les résultats de ma recherche, j’aid’une part spécifié PRM, un langage de programmationqui intègre le raffinement et d’autre part implémenté prmc,un compilateur PRM efficace et séparé.II. Quelques notions de baseAfin de comprendre le paragraphe précédent et plusparticulièrement les mots en italique, nous allons tenterde présenter quelques notions de base. Dans un premiertemps nous parlerons de langages de programmation, puisde la qualité des logiciels. Nous présenterons ensuite leslangages à objets, une famille de langages qui permetd’avoir une meilleure qualité des logiciels. Nous termineronsen présentant le mécanisme de la compilation.1 Plus précisément encore, des langages de programmation orientésobjets, statiquement typés et en héritage multiple.Programmeur « Écriture »« Lecture »Fig. 2. Programmeur, langage et ordinateurOrdinateurSi l’on reprend la métaphore de la figure 1, on peutdire que les développeurs de logiciels informatiques (ouprogrammeurs 3 ) communiquent avec les ordinateur enutilisant des langages de programmation (figure 2). Cettecommunication présente deux aspects :Écriture. Un programmeur humain doit pouvoir exprimerses ✭ ordres ✮. Le langage doit donc être intelligiblepar le programmeur. En général, plus le langage estnaturellement intelligible, plus celui-ci est éloigné desinstructions primitives des machines physiques.Lecture. L’ordinateur doit pouvoir ✭ comprendre ✮ le codesource. Contrairement aux humains, les machines n’ont pasla capacité d’ ✭ interpréter ✮, elle ne peuvent que lire le codesource ✭ à la lettre ✮. Il est donc nécessaire que le langagene soit pas ambigu.Il existe de nombreux langages de programmationsdifférents. Ils se distinguent les uns des autres par leursyntaxe bien sûr, mais également par leurs domainesd’utilisation ou les concepts qu’ils manipulent. La figure 3montre deux programmes calculant la factorielle. Lepremier est écrit en Basic et le second en C 4 .2 Les langages de programmation partagent de nombreusescaractéristiques avec les langages militaires.3 Évitez le terme ✭✭ programmateur ✮✮ qui ne concerne généralementque les lave-linges et l’arrosage automatique.4 Le Basic est un langage de programmation développé en 1964

INPUT "Nombre: ", NR = 1FOR A = 1 TO NR = R * ANEXT APRINT N; "! = "; R#include int main(void){int a, n, r=1;printf("Nombre: ");scanf("%d", &n);for(a=1; a

prenant en donnée le code source d’un programme et enproduisant en sortie un exécutable.Remarque : en général, un compilateur ne fonctionne quepour un seul langage et pour une seule plate-forme. Ainsi,un compilateur C ne saura pas compiler un programmeécrit en Basic. De la même manière, l’exécutable produitpar un compilateur pour microprocesseurs Intel 8086 nepourra pas être exécuté par une machine Apple munie d’unmicroprocesseur Motorola.D.2 Compilation efficaceParmi les facteurs de qualité des logiciels, nous avonsla performance. Or, pour un code source donné, plusieurstraductions vers le langage machine sont possibles,certaines étant plus performantes que d’autres. Uncompilateur est d’autant plus efficace qu’il produit du codemachine performant.Toutefois, plus le langage de programmation estéloigné du langage machine, plus les techniques decompilation permettant de produire du code efficacedeviennent difficile à trouver. Ainsi, il est malheureusementfréquent que les créateurs de langages de programmationprennent en compte les contraintes de compilation pourspécifier leur langage ce qui entraîne inévitablementun appauvrissement du langage (moins d’expressivité)voire une complexification (création de nombreux casparticuliers).D.3 Compilation séparée et globalecodesourcecodesourcesource duprogrammecompilationcompilationcodebinairecodebinaireéditionde liensFig. 5. La compilation séparéecodebinaireexécutableLa compilation est un processus complexe et, pour denombreuses raisons pratiques, un programme n’est jamaiscompilé d’un coup. On préfère compiler un programme parpetits bouts puis produire un exécutable en liant ensembleles petits bouts compilés : on appelle ça la compilationséparée (voir figure 5). Les avantages d’une telle façon defaire sont nombreux : si l’on modifie un programme, seul lebout de code modifié a besoin d’être recompilé ; une seulecompilation d’un bout de code est nécessaire même si celuiciest partagé par plusieurs programmes (cela arrive trèsfréquemment) ; un bout de code compilé séparément peutêtre vendu tel quel à d’autres programmeurs (le vendeurqui le souhaite peut ainsi garder le code source secret).S’il existe une ✭ compilation séparée ✮, c’est qu’il existeune ✭ compilation globale ✮. Celle-ci consiste à compilerd’un coup un programme en entier. L’avantage de lacompilation globale consiste à profiter de la connaissancede la totalité du code source pour faire des analyses plusprofondes et ainsi tenter de produire du code machine plusefficace. Malheureusement, la compilation globale n’offrepas la souplesse de la compilation séparée, à tel point quedans l’industrie, l’utilisation de compilateurs globaux estmarginale.III. PRM, le langagePRM, pour ✭ Programmation, raffinement et modules ✮,est le langage de programmation que nous avons développé.C’est un langage de programmation orienté objet etstatiquement typé. Il se place donc dans la même familleque C++, Java, C# ou Eiffel 6 (les autres langages que nouscitons ne faisant pas partie de cette famille). Toutefois,contrairement à ces quatre langages, PRM se distinguede deux manières : sa simplicité, puisque les conceptsmanipulés par le langage, ainsi que la syntaxe qui endécoule, ont été spécifiés de façon à être le plus clair possible(en particulier parce que nous n’avons pas pris en comptedans la spécification du langage les éventuels problèmes decompilation), et son expressivité, puisque celui-ci contiententre autre des traits de langages avancés qui n’existent quedans quelques langages voire sont complètement inédits !La syntaxe du langage est fortement inspirée de celledes langages à typage dynamique et des langages de script(en particulier Ruby 7 ). Ces langages sont généralementréputés pour leur facilité d’apprentissage et d’utilisation.Toutefois, PRM revendique Pascal comme l’un de seslointains ancêtres 8 . Au final PRM est sans doute un trèsbon langage pour débuter la programmation, d’ailleursmalgré sa jeunesse il est déjà utilisé en tant que langaged’apprentissage à l’IUT de Béziers.Bien que les concepts de base du langage soient (àdessein) peu nombreux, celui-ci en intègre certains qui sontplus ou moins rares :– héritage multiple (existe en Eiffel et en C++) :les classes peuvent hériter de plusieurs classes. Celapermet par exemple d’exprimer que les poulets sont àla fois des oiseaux et des animaux de basse-cour.– les types primitifs sont des classes (existe en Eiffel etRuby) : les autres langages traitent de façon différenteles types primitifs (comme les entiers) des classes cequi amène parfois à des complications inutiles pour leprogrammeur.– généricité bornée (existe en Eiffel et dans la dernièreversion de Java, existe aussi de façon non bornée enC++) : c’est un concept qui permet d’augmenter leniveau d’abstraction du code source.– redéfinition covariante (existe en Eiffel mais pasexactement pour les mêmes raisons) : cela permet parexemple d’exprimer des choses comme ✭ les animauxmangent de la nourriture et les vaches mangent del’herbe ✮ 9 .– itérateurs automatiques (existe en Ruby et dans ladernière version de Java) : cela permet de manipuler6 Bjarne Stroustrup a développé C++ au cours des années 1980 entant qu’extension du langage C. Java est un langage conçu en 1995chez Sun Microsystems par James Gosling et Patrick Naughton. C#,créé par la société Microsoft, est un langage proche de Java. Eiffel,développé par Bertrand Meyer à partir de 1985, est un langage qui seconcentre sur la qualité logicielle.7 Yukihiro Matsumoto a commencé l’écriture de Ruby en 1993 avecun objectif de cohérence et d’intelligibilité.8 Pascal est un langage crée par Niklaus Wirth en 1970 à l’universitéde Zurich. Il a été conçu pour servir à l’enseignement de laprogrammation de manière rigoureuse mais simple.9 Toute la subtilité d’une telle banalité consiste à remarquer qu’ilexiste malgré tout un sophisme : les animaux mangent de lanourriture, or les vaches sont des animaux, donc les vaches mangent dela nourriture, or les saucisses sont de la nourriture, donc on pourraitnourrir les vaches avec des saucisses.

simplement les collections d’éléments, quelque soit letype de la collection ou des éléments. On peut alorsexprimer simplement des choses comme ✭ pour chaquelapin du clapier, donner une carotte ✮ ou ✭ pour chaqueclient abonné, envoyer une facture ✮.Les deux principaux concepts inédits sont l’héritagemultiple sémantique idéal et le raffinement de classes.Les différentes spécifications de l’héritage multiple dansles langages existants posent tellement de problèmes(peu intelligibles, voire parfois franchement ambiguës) quecertaines documentations vont jusqu’à conseiller de ne pasfaire d’héritage multiple. Notre spécification de l’héritagemultiple se base exclusivement sur une approche naturellede la spécialisation (c’est-à-dire sans prise en comptesdes problématiques de compilation). Au final, l’héritagemultiple de PRM est plus simple (à comprendre et àutiliser) et gère plus naturellement les divers conflitsd’héritage.Le raffinement de classes [1] permet une meilleuresouplesse des logiciels. L’idée de base consiste à pouvoirfaire évoluer (raffiner) une classe d’un programme sansavoir à modifier le morceau de code source dans lequel estdéfinie la classe. Ne pas avoir à toucher un morceau de codesource existant est un réel avantage dans certains cas :– le morceau de code source est partagé par plusieursprogrammes donc la modification de ce morceau decode aurait un impact sur tous les programmes (cequi n’est pas forcément souhaité) ;– le morceau de code source est inaccessible (on nous avendu, sans les sources, un bout de code déjà compilé) ;– on veut deux versions du programme, une sansl’évolution, une avec l’évolution. Il est donc nécessairede pouvoir conserver le morceau de code non modifié.D’autres approches ont été proposées pour répondreaux mêmes besoins (parmi lesquelles la programmationorientée aspect). Toutefois, notre proposition a l’avantagede s’intégrer parfaitement à notre spécification de l’héritagemultiple et permet de conserver le langage simple etintelligible.IV. prmc, le compilateurprmc, pour ✭ PRM Compiler ✮, est le compilateur quenous sommes en train de développer pour le langage PRM.Notre objectif est ici de mettre en œuvre les techniques decompilation que nous avons développées (qui sont toutefoisapplicables à tout langage à objets et statiquement typé).A. Principe de compilationComme nous l’avons dit précédemment, plus un langageest intelligible, plus celui-ci est éloigné du fonctionnementde la machine, et plus celui-ci est difficile à compilerefficacement. Comment les langages et compilateurs fontilspour résoudre ce problème ? Trois voies existent : lelangage peut faire des concessions à l’intelligibilité (c’estle choix de C++ par exemple, choix que nous réprouvonscar nous pensons qu’un langage n’a pas à être corrompupar des considérations bassement matérielles) ; le langagepeut faire des concessions à la performance (c’est le choixdes langages de script comme Ruby, choix honorable s’il enest) ; le langage peut faire des concessions à la souplessede la compilation. Cette troisième voie consiste à ajouterdes contraintes au processus de compilation comme parexemple utiliser un compilateur global (c’est le choix deSmartEiffel, un compilateur pour Eiffel).Nous proposons une quatrième voie : utiliser un schémade compilation séparée mais qui intègre des techniquesglobales jusque là réservés au compilateurs globaux. L’idéede base consiste à repousser jusqu’au dernier momentl’application de ces techniques, ce dernier moment étant àl’édition de liens (le moment où les bouts de code compiléssont liés ensemble, voir figure 5). Toutefois, il nous a fallurésoudre un problème de taille : lors de l’édition de liens,le code source du programme a déjà été compilé et il n’estplus possible de revenir sur la traduction puisque le codesource n’est plus disponible à ce moment là. La solution àce problème est détaillée dans [2].B. PerformancesLe compilateur prmc tient ses promesses d’efficacitécomme le prouvent les différents tests que nous avonseffectués.Temps (s)111098765432g++smarteiffelprmc10 5 10 15 20 25 30 35Nombre de réponses potentielles par envoi de messageFig. 6. Performances de trois compilateursEn particulier, la figure 6 compare l’implémentation del’envoi de message vis-à-vis de trois compilateurs : g++ (uncompilateur séparé pour C++), SmartEiffel (le compilateurglobal Eiffel) et prmc. En abscisse nous faisons varier lacomplexité des envois de messages (le nombre de classesdifférentes des receveurs potentielles) et en ordonnée nousnotons le temps mesuré. Résultat, on remarque que prmcest aussi efficace que le compilateur global (et même plusefficace dans les envois de messages les plus complexes !)V. PerspectivesBien qu’utilisable, le langage PRM et son compilateurprmc sont actuellement en développement. Nous espéronsobtenir une première version stable et utilisable par toutun chacun cet été.Pour en savoir plus (ou pourquoi pas participer àl’élaboration), vous pouvez consulter le site web :http://www.lirmm.fr/ ∼ privat/prmRéférences[1] J. Privat et R. Ducournau. Raffinement de classes dans leslangages à objets statiquement typés. M. Huchard, S. Ducasse,et O. Nierstrasz, editors, Actes LMO’05 in L’Objet vol. 11, pages17–32. Hermès, 2005.[2] J. Privat et R. Ducournau. Link-time static analysis for efficientseparate compilation of object-oriented languages. M. Ernst etT. Jensen, editors, Program Analysis for Software Tools andEngineering, pages 29–36, 2005.