Introduction `a la programmation avec CAML

Introduction `a la programmation avec CAML
Introduction à la programmation avec CAML
Jean-Michel Hélary
IFSIC
Cours C100
Version 2.2
juin 2001
ii
c IFSIC 1999
°
Table des matières
1 Algorithmes, programmes, machines
1.1 Informatique et information . . . . .
1.2 Codage . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Algorithmes . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Programmes . . . . . . . . . . . . . .
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2 Valeurs et types
2.1 Comment dialoguer avec une machine CAML . . . . . .
2.2 Valeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Types primitifs en CAML . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Exemple de type construit en CAML : les t-uples
listes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.1 les types de t-uples . . . . . . . . . . .
2.3.2.2 Les types de liste . . . . . . . . . . . . .
3 Contexte, expressions
3.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Identificateurs . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Liaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Gestion du contexte . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Syntaxe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Sémantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Phrases CAML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Définitions locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Intérêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Expressions non terminales . . . . . . . . . .
3.4.3 Définitions locales emboı̂tées. Structure d’une
3.4.4 Niveau et portée des identificateurs . . . . . .
3.4.5 Définitions locales et simultanées . . . . . . .
3.5 Expressions conditionnelles . . . . . . . . . . . . . .
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iv
TABLE DES MATIÈRES
4 Fonctions
4.1 Fonctions et algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Un exemple introductif . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Contexte local d’une fonction . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Fonctions à plusieurs arguments . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Fonctions à deux arguments . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Fonctions à t arguments ou à un argument t-uple
4.4 Valeurs fonctionnelles anonymes . . . . . . . . . . . . .
4.5 La construction match ... with : définitions par cas . . .
4.5.1 Un exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5 Typage et évaluation
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5.1 Expressions “application de fonctions” . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Typage des expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.1 Expression dont tous les composants ont un type connu 51
5.2.2 Typage d’une valeur fonctionnelle : synthèse de type . . 52
5.2.3 Polymorphisme de type . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.4 Première approche des mécanismes d’exceptions . . . . 55
5.2.5 Exemple récapitulatif : tête et reste d’une liste non vide. 56
5.3 Processus d’évaluation des expressions . . . . . . . . . . . . . . 57
6 Récursion
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Construction de définitions récursives . . . . . . . . .
6.2.1 Exemples de définitions récursives de calculs
6.3 Mise en œuvre en CAML : fonctions récursives . . .
6.4 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.2 Des exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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7 Traitements récursifs sur les listes
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7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.2 Fonctions d’accès aux listes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.2.1 Parcours exhaustifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.2.1.1 Longueur d’une liste . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.2.1.2 Somme des valeurs des éléments d’une liste
d’entiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.2.1.3 Transformer une liste de caractères en chaı̂ne . 78
7.2.1.4 Fonction d’accumulation générique . . . . . . . 78
7.2.2 Parcours partiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.2.2.1 Recherche de la présence d’une valeur dans une
liste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.2.2.2 Recherche générique . . . . . . . . . . . . . . . 81
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TABLE DES MATIÈRES
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9 Vers la programmation impérative
9.1 Modification du contexte : affectation . . . . . . . . . . . . .
9.1.1 Modèle par substitution et modèle à état modifiable
9.1.2 Affectation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.3 Les dangers de l’affectation . . . . . . . . . . . . . .
9.1.4 Composition d’actions : la séquentialité . . . . . . . .
9.2 Fonctions et procédures : les entrées-sorties . . . . . . . . .
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Fonctions de constructions de listes . . . . . . . . . . . . .
7.3.1 Constructions simples . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.1.1 Ajout d’un élément en fin de liste . . . .
7.3.1.2 Suppression . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2 Fonctions génériques . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2.1 Appliquer à tous: map . . . . . . . . . . .
7.3.2.2 Parcours conditionnels . . . . . . . . . . .
Fonctions de génération de listes . . . . . . . . . . . . . .
7.4.1 Intervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2 Conversion chaı̂ne ->liste . . . . . . . . . . . . . .
7.4.3 Valeurs successives d’une suite . . . . . . . . . . .
Autres situations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.1 Séparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.2 Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Une optimisation: définitions récursives locales . . . . . .
7.6.1 Exemple de fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.2 Ré-écriture d’autres exemples . . . . . . . . . . . .
7.6.2.1 Présence d’un caractère dans une chaı̂ne.
7.6.2.2 Puissance (méthode rapide). . . . . . . .
7.6.2.3 Fonction d’accumulation générique . . . .
7.6.2.4 Recherche générique . . . . . . . . . . . .
7.6.2.5 Ajout d’un élément en fin de liste . . . .
7.6.2.6 La fonction générique map . . . . . . . . .
7.6.2.7 Le parcours faire tantque . . . . . . . .
7.6.2.8 Intervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.2.9 Valeurs successives d’une suite . . . . . .
7.6.2.10 Séparation . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 Calculs itératifs : récursivité terminale
8.1 Amélioration de l’efficacité . . . . . . . . . .
8.2 Faciliter la résolution de certains problèmes
8.2.1 Rang . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2 Problème du Comité . . . . . . . . .
8.3 Simulation d’itérations . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Boucle . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.2 Généralisation : calculs sur les suites
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TABLE DES MATIÈRES
9.2.1
9.2.2
Fonctions pures et procédures pures . . . . . . . . . . .
Entrées/sorties en CAML . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2.1 Notion de canal . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2.2 Opérations sur le type out channel : écritures
sur fichiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2.3 Opérations sur le type in channel : lectures sur
fichiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2.4 Les canaux standard . . . . . . . . . . . . . . .
A Compléments sur CAML
A.1 Expressions de filtres : définitions par cas . . . . . . . . . . .
A.1.1 Un exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.1.2 Syntaxe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.1.3 Sémantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.1.4 Utilisation de filtres dans les définitions de fonctions
A.1.5 La construction match ... with . . . . . . . . . . . .
A.2 Extraits de la bibliothèque de base . . . . . . . . . . . . . .
A.2.1 bool: boolean operations . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.2 string: string operations . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.3 conversions with int, float, char, string . . . . . . . .
A.2.4 Some operations on numbers . . . . . . . . . . . . .
A.3 Types construits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.1 Types produit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.2 Types énumérés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.3 Types somme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.3.1 Types paramétrés . . . . . . . . . . . . . .
A.3.4 Types récursifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.5 Utilisation des types construits : filtrage . . . . . . .
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Avertissement
Ce polycopié présente une introduction aux principes de la programmation,
basée sur l’approche dite fonctionnelle, et illustrée par l’utilisation du langage de programmation CAML. Comme pour toute utilisation, cela requiert
l’apprentissage des éléments de ce langage, afin de comprendre les exemples
donnés et de pouvoir écrire ses propres exemples. L’approche décrite dans
ce cours devra – c’est absolument indispensable – être complétée par des Travaux Pratiques sur machine. Cela est d’autant plus facile que le langage CAML
est distribué gratuitement par INRIA et peut facilement être installé sur de
nombreuses plates-formes (dos, Windows 3.xx, Windows95, WindowsNT, Macintosh, Unix, etc.).
Cependant, ce polycopié n’est pas un manuel d’utilisation du langage CAML. Notamment, des constructions importantes du langage, telles
que les filtres, sont volontairement ignorées. Des manuels du langage CAML
existent déjà et sont facilement accessibles, que ce soit sous forme d’ouvrage
([LW]), ou par internet (le site [inria] contient de nombreuses références et
informations).
Des compléments sur le langage CAML (extraits de la bibliothèque de base
et types construits) sont toutefois donnés, en annexe, à la fin de ce polycopié.
Ils sont extraits du manuel en ligne sur Internet, disponible en anglais.
Rennes, juin 1999
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Chapitre 1
Algorithmes, programmes,
machines
Ce chapitre constitue une introduction générale à la programmation. Il
doit beaucoup aux deux ouvrages [FH] et [AH-DG] auxquels il emprunte une
partie de leur chapitre introductif et de leurs exemples.
1.1
Informatique et information
Définition de l’informatique (Larousse) :
Science du traitement automatique et rationnel de l’information
en tant que support des connaissances et des communications.
Toujours dans ce même Larousse, définition de l’information (dans son
acceptation informatique) :
Élément de connaissance susceptible d’^
etre codé pour ^
etre
conservé, traité ou communiqué.
Les deux concepts importants apparaissant dans cette définition sont ceux
de codage et de traitement.
1.2
Codage
Le codage d’une information, que ce soit pour la stocker, la traiter ou
la transmettre, se fait au moyen de symboles: lettres, chiffres, pictogrammes,
signaux (lumineux, sonores, électromagnétiques, électroniques, ...), etc.
Exemples:
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Algorithmes, programmes, machines
information
“les voitures passent”
“un signal d’appel téléphonique”
“Pharmacie”
codage
vert
beep
✙
nature du signal
signal lumineux
signal sonore
pictogramme
La plupart du temps, les symboles sont regroupés selon des règles, et on
associe un élément de connaissance à un groupe de symboles construit selon
ces règles.
Exemples:
information
“l’année courante”
“le caractère ‘+‘”
“un pack de lait”
codage
MCMXCXVI
2B
——————
nature du signal
suite de lettres (chiffres romains)
codage ASCII en hexadécimal
code barre
On appelle langage un ensemble de symboles ou de groupes de symboles
construits selon certaines règles.
On appelle syntaxe l’ensemble des règles de construction des groupes de
symboles. Par exemple, la syntaxe de la langue française est l’ensemble des
règles selon lesquelles on peut grouper les mots. La syntaxe est souvent décrite
par une grammaire.
La sémantique d’un langage exprime la signification associée aux groupes
de symboles (correspondance codage ↔ élément de connaissance). Mais cette
correspondance est souvent floue, puisqu’une même connaissance peut avoir
plusieurs représentations symboliques, et réciproquement, un même symbole
peut correspondre à plusieurs connaissances.
Exemples :
– le nombre entier qui s’énonce “soixante et onze” en français hexagonal
peut être codé :
– 71 (codage décimal)
– LXXI (codage romain)
– septante un (codage du langage naturel “français parlé en Belgique
ou en Suisse”)
– 1000111 (codage binaire)
– réciproquement, le groupe de symboles 71 peut représenter:
– le résultat d’un dénombrement (il y a 71 admis à l’examen de psychologie informatique)
– une étiquette attribuée à une classe d’objets (la ligne de bus 71 du
Syndicat d’économie Mixte des Transports en Commun de l’Agglomération Rennaise dessert la commune de Chevaigné)
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1.3. Algorithmes
3
– le code téléphonique du département de Haute-Loire
– la notation octale du code ASCII du caractère 9
Seul le “contexte” (ensemble d’information englobant) permet en général de
coder/décoder sans ambiguı̈té une information.
1.3
Algorithmes
Comme il a été vu plus haut, l’informatique s’occupe de “traiter” des
informations. Par traitement d’une information, on entend élaboration, à partir
d’informations connues (les données), d’autres informations (les résultats), et
ceci par un agent exécutant. La notion de traitement recouvre en fait deux
niveaux qu’il convient toujours de bien distinguer : d’une part la description,
d’autre part l’exécution. Ajoutons l’agent exécutant, et nous avons les trois
concepts suivants :
description : la méthode de passage des données aux résultats, (modèle d’exécution)
est décrit dans un texte, parfois de manière codée (en soi, c’est aussi une
information!),
exécution : une réalisation effective du traitement est mise en œuvre sur des
données spécifiques,
agent exécutant : c’est l’entité effectuant une exécution. Cette entité est
donc capable de mettre en œuvre la méthode.
Dans le contexte de l’informatique, la description sera souvent exprimée à
l’aide d’un algorithme, l’exécutant est appelé processeur (ou machine) et une
exécution est appelée processus. Cependant, le traitement de l’information
n’est pas limité au seul domaine de l’informatique: le code de l’information,
la méthode de traitement, peuvent être plus vagues que ce qui est exigé par
un traitement automatique, et le processeur n’est pas nécessairement un appareil (ce peut être un humain). Mais il y a lieu d’insister sur le fait que,
indépendamment du contexte, les trois concepts mis en évidence ci-dessus
doivent toujours être distingués. A cet égard, l’exemple “tarte à la crème”
suivant aide à prendre conscience de cette distinction. Considérons le contexte
culinaire : on y “fait la cuisine”, en réalisant des recettes. Une recette de cuisine est un modèle d’exécution, décrit dans un livre ou sur une fiche; l’agent
exécutant est en général un être humain; l’exécution consiste à mettre en
œuvre la recette en utilisant des ingrédients concrets. L’élémentaire bon sens
permet de ne confondre la recette - qui, en soi, n’est pas nourrissante à moins
d’être papivore, - ni avec l’exécutant - qui n’est pas comestible à moins d’être
anthropophage - ni avec le processus de préparation et de cuisson. Il est clair
que ces trois éléments ne se situent pas sur le même plan!
Un autre point important concerne la cohérence entre ces trois éléments : la
méthode de passage doit être adaptée à l’exécutant (ce dernier doit “savoir” la
mettre en œuvre), et les processus d’exécutions doivent avoir les moyens de se
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°
4
Algorithmes, programmes, machines
dérouler, en ayant accès aux ressources nécessaires (au minimum, les données
spécifiques d’un processus doivent être accessibles par le processeur: le cuisinier
doit avoir les ingrédients, ou être capable de déclencher un autre processus pour
les acquérir, en envoyant ses enfants faire les courses par exemple).
Dans la suite, nous réserverons le terme de machine à l’association d’un
agent exécutant (processeur) et d’un ensemble d’opérations “élémentaires” ou
“primitives” que l’agent connaı̂t (qu’il sait exécuter).
Concentrons nous plus précisément sur la notion d’algorithme, puisque c’est
un concept fondamental dans le domaine informatique (mais pas seulement) 1 .
Définition : Un algorithme est la description finie d’une méthode de résolution
d’un problème, à l’aide d’un enchaı̂nement d’opérations primitive.
Précisons: les opérations primitives sont celles que sait réaliser une machine. Un algorithme est donc toujours relatif à une (classe de) machine
donnée.
Exemple 1
1. Machine : un(e) élève de l’école primaire - disons CE1 - sachant effectuer
les additions à un chiffre (il connaı̂t les tables d’addition des entiers de 1
à 9).
2. Traitement : additionner deux nombres entiers. La transformation est
alors une fonction qui, à deux nombres entiers donnés fait correspondre
un nombre entier résultat.
3. Algorithme : la manière d’effectuer cette opération, décrite comme enchaı̂nement d’additions élémentaires, avec une disposition adéquate des
données.
Exemple 2
1. Machine : un processeur muni des opérations suivantes : addition de deux
entiers, multiplication par deux, division par deux, reconnaissance de la
parité d’un entier, comparaison avec 0
2. Traitement : multiplier deux nombres entiers
3. Algorithme : méthode de la multiplication russe
Cet algorithme est basé sur l’égalité de la division par 2 :
a
∀a :: a ∈ N :: a = ( ) × 2 + a mod 2
2
où mod désigne le reste. D’où, si a et b sont deux entiers :
a
a × b = ( ) × (b × 2) + (a mod 2) × b
2
1.
Le terme provient du nom propre al’Khwarizmi (l’homme de Kwarazm, actuellement Khiva en Ouzbekhistan), pseudonyme de Abu Ja’far
Muhammad, mathématicien persan (790 - 850) – qui fut aussi le premier auteur à mentionner le terme al-djabr, devenu algèbre (ilm al-jabr
wa’l-mukabala), signifiant la restauration de quelque chose de brisé ou
l’agrandissement d’une chose incomplète.
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1.3. Algorithmes
5
Bien entendu, on sait aussi que, si a = 0, alors a × b = 0.
Sachant que a mod 2 vaut 1 si a est impair et 0 autrement, on en déduit
une description possible de l’algorithme :
calcul du produit de a par b :
– si a = 0 le résultat est 0,
– si a 6= 0, alors diviser a par 2, multiplier b par deux, calculer le produit
des deux nombres résultant de ces opérations, et, si a est impair, ajouter
b au résultat.
Cette description est récursive, puisque la résolution du problème avec
les données a et b nécessite, si a 6= 0, la résolution du même problème sur
des données différentes, à savoir a2 et b × 2. Nous étudierons très en détail la
méthodologie de construction d’algorithmes récursifs et la preuve de leur bon
fonctionnement, puisque de tels algorithmes sont très bien adaptés au style de
programmation fonctionnelle, notamment. La présentation ci-dessus contient
déjà sa propre preuve, puisqu’elle est basée sur une propriété mathématiquement
établie.
Pour compléter cet exemple, montrons une exécution possible, par un processeur “humain”, avec deux données codées sous forme décimale, puis sous
forme binaire
a
b accumulation
a
b
accumulation
171
28
28
10101011
11100
11100
85
56
56
1010101
111000
111000
42
112
101010
1110000
21
224
224
10101
11100000
11100000
10
448
1010
111000000
5
896
896
101
1110000000
1110000000
2
1792
10
11100000000
1
3584
3584
1 111000000000
111000000000
Résultat
4788
Résultat 1001010110100
On remarque que l’exécution avec des données codées en binaire est plus
simple, puisqu’elle utilise essentiellement des décalages. D’où l’importance du
codage - voire de la structuration - des données pour l’efficacité des processus
d’exécution, l’une de nos préoccupations majeures dans les enseignements de
programmation.
En conclusion, il y a lieu d’insister sur le fait qu’il faut toujours distinguer
les deux points suivants :
– la description de l’enchaı̂nement des opérations (algorithme)
– l’enchaı̂nement lui-même (processus)
Cette réflexion se fonde sur deux observations illustrées par les exemples “triviaux” ci-dessous :
1. avance d’un pas et recommence indéfiniment est une description finie
(elle utilise 36 lettres, 5 espaces, 1 apostrophe) d’un processus infini (en
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6
Algorithmes, programmes, machines
d’autres termes, l’exécution d’un tel algorithme par une machine sachant
avancer d’un pas durera un temps infini).
2. Un processus utilise des ressources, notamment des données qu’il peut
acquérir, lorsqu’il en a besoin, dans le monde extérieur; l’algorithme,
modèle d’exécution de ce processus, est rédigé dans l’ignorance de ces
données. Par exemple, l’algorithme décrit par le texte ajouter 18,6% au
prix hors taxe est une rédaction qui fait abstraction du prix hors taxe en
question.
1.4
Programmes
Un algorithme est décrit à l’aide d’un langage (fondé sur des symboles).
Ce langage doit être compréhensible par l’exécutant. Par compréhensible, on
entend que l’exécutant doit savoir décoder les textes écrits dans ce langage
(conformément à sa syntaxe). Ceci implique notamment que l’exécutant doit :
– comprendre les enchaı̂nements de primitives,
– comprendre les primitives elles-mêmes,
– comprendre où et comment acquérir les ressources nécessaires à une
exécution, où et comment communiquer les résultats de cette exécution
(communication avec le monde extérieur à la machine, ou interface)
Les ordinateurs constituent une classe de machines capables de réaliser
automatiquement du traitement d’information (leur structure et leur fonctionnement sont détaillés dans d’autres enseignements initiation système, architecture, etc.). En particulier, chaque machine “physique” possède un catalogue d’opérations primitives (les instructions du langage machine) qu’elle
peut enchaı̂ner séquentiellement, et un organe (l’unité de contrôle) capable
de décoder chaque opération primitive. Les langages machine sont en général
très frustres, et difficilement compréhensibles par l’être humain. C’est pourquoi on a inventé des langages plus évolués, dits langages de haut niveau, dans
lesquels les rédacteurs d’algorithmes (souvent des êtres humains) s’expriment
plus aisément, et donc de manière plus fiable. Ces langages ne sont donc pas
compréhensibles par les machines physiques, mais par des machines abstraites.
Grossièrement, si L désigne un langage évolué et P un langage primitif, une
machine abstraite comprenant le langage L peut être définie sur une machine
concrète comprenant le langage P (un ordinateur et son langage machine, par
exemple) comme la conjonction de cette machine concrète et d’un algorithme
de traduction du langage L vers le langage P, cet algorithme étant lui-même
écrit dans le langage P.
Définition On appelle langage de programmation un langage compréhensible
par une machine abstraite définie sur un ordinateur.
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1.4. Programmes
7
Définition On appelle programme un algorithme écrit dans un langage de
programmation.
Un programme est donc un cas particulier d’algorithme. Il est particulier essentiellement à deux titres :
1. il est exprimé dans un langage de programmation, dont les règles de
grammaire sont en général très contraignantes et précises (contrairement
à un langage naturel - langue vivante, etc. - un langage de programmation
ne supporte aucune ambiguı̈té),
2. les processus associés supposent l’existence d’une machine capable de
comprendre ce langage.
Pour conclure ce chapitre introductif, nous présentons un algorithme célèbre,
l’algorithme d’Euclide, décrivant une méthode de calcul du plus grand commun diviseur (PGCD) de deux nombres entiers. La date (approximative) de
cet algorithme, IIIème siècle av. JC, montre incidemment que la notion d’algorithme n’a pas attendu l’ère de l’informatique pour se manifester 2 .
Description en langage naturel (français hexagonal de la fin du XXème
siècle):
le pgcd des deux nombres a et b est égal à a lorsque ces deux
nombres sont égaux. Dans le cas contraire, remplacer le plus grand
des deux nombres par leur différence, et recommencer.
Cette description est suffisamment claire pour un être humain comprenant
ce langage naturel, et sachant en outre comparer, soustraire, et décider s’il y a
lieu de continuer ou non. La notion de répétition (“ ... et recommencer”) y est
toutefois assez intuitive, n’étant pas bien précisé ce qu’il faut recommencer.
Description en langage CAML
let rec pgcd = function (a, b) ->
if a = b
then a
else if a>b then pgcd(a-b,b)
else pgcd (a, b-a) ;;
Ici, la répétition est exprimée de manière récursive, et l’on indique, pour
chacun des cas possibles, l’ expression dont l’évaluation donne le résultat. De
plus, le programme est défini comme étant une fonction, au sens mathématique
du terme, qui, à un couple d’arguments a et b, fait correspondre la valeur de
l’expression appropriée. C’est à partir du texte et des indications qu’il contient,
ici la présence d’opérateurs tels que - ou > applicables, dans le langage CAML,
2. La multiplication russe, vue plus haut, en constitue un autre exemple, puisque, comme
indiqué dans [AS], des exemples d’utilisation de cet algorithme ont été trouvés dans les
papyrus du Rhind, un des plus vieux documents mathématiques existants, écrit environ
1700 ans av. JC par un scribe égyptien nommé A’h-Mose.
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8
Algorithmes, programmes, machines
uniquement aux nombres entiers, qu’il est possible de déterminer que les arguments comme le résultat de cette fonction sont des nombres entiers (voir
au chapitre 2 la notion de type). Noter la présence, dans le texte, de symboles
n’ajoutant rien à la compréhension de l’algorithme lui-même, mais nécessaires
dans le contexte de ce langage pour être conforme à sa syntaxe: par exemple
le double point-virgule ;; qui marque la fin de ce texte, ou encore le mot-clef
rec.
Description en langage Pascal
function pgcd(a, b : integer) : integer ;
var x, y : integer ;
begin
x:= a ; y:=b ;
while x<>y do
begin
if x>y then x:=x-y
else y:=y-x
end;
pgcd := x
end ;
Ici, la répétition est exprimée de manière itérative, c’est-à-dire que l’on indique explicitement la condition d’arrêt, les actions à effectuer lors de chaque
étape, avec la gestion explicite par le programmeur de résultats de calculs
intermédiaires enregistrés dans les variables x ou y (cette gestion nécessite
la déclaration, la mise à jour, etc.). Là aussi, l’algorithme est défini comme
une fonction, dont la signature - c’est-à-dire le nombre et le type des arguments ainsi que le type du résultat - sont explicites. La différence de style
entre les deux descriptions est importante. La description CAML est basée
sur l’expression de ce qu’on veut obtenir, alors que la description Pascal exprime le “comment faire pour obtenir ce qu’on veut”. Ces différences entre
le style déclaratif dans le premier cas et le style impératif dans le deuxième
cas, feront bien sûr l’objet d’une discussion plus approfondie dans les cours de
programmation.
Description en langage d’assemblage, en langage machine Ces descriptions seront faites dans l’enseignement de système. Ce qu’il faut remarquer,
c’est essentiellement que les programmes sont alors complètement dépendants
de la machine physique. C’est pourquoi on qualifie ces langages de bas niveau,
ce qui n’a évidemment aucune tonalité péjorative, mais exprime le fait que la
machine exécutante est très proche de la couche physique.
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Chapitre 2
Valeurs et types
Dans la suite de ce cours, les exemples que nous choisirons pour illustrer
les concepts seront présentés - sauf mention contraire - dans le formalisme
du langage CAML, mais leur signification a souvent une portée plus générale.
Commençons par présenter les éléments du système de dialogue CAML ([LW]).
2.1
Comment dialoguer avec une machine CAML
Dans sa forme la plus immédiate, le langage CAML est utilisé au sein d’un
système de dialogue avec le programmeur. Un tel mode d’utilisation interactif
est particulièrement bien adapté au programmeur souhaitant se familiariser
avec les concepts du langage au fur et à mesure de leur acquisition. Un dialogue se déroule au cours d’une session, et consiste en une séquence de phrases
entrées au clavier par le programmeur, chaque phrase étant immédiatement
suivie de l’affichage au terminal d’une réponse par le système. Chaque interlocuteur doit signaler la fin de chacune de ses “interventions” (phrase ou
réponse), signifiant à l’autre que c’est à son tour d’intervenir, et qu’il est prêt
à l’“écouter”. Le système affiche un caractère d’invite au début d’une ligne :
#
Le programmeur peut alors entrer une phrase au clavier 1 , dont il signale la fin
par deux points-virgules consécutifs (suivis d’un retour-chariot pour valider la
frappe) :
# 45 ;; (* un nombre entier! *)
Le système affiche alors sa réponse sur la ligne suivante, suivie d’une nouvelle
invite :
1. les portions de phrase délimitées par une paire (* *) ne sont pas prises en compte par
le système : il s’agit de commentaires.
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10
Valeurs et types
# 45 ;;
-:int = 45
#
Par convention, les réponses du système (sauf l’invite) seront typographiées
en italique, pour les distinguer des phrases entrées par le programmeur.
Cette séquence de phrases et réponses s’appelle un dialogue au niveau principal (top-level session). Elle est lancée par le programmeur grâce à une commande qui “allume” la machine CAML en mode dialogue (cette commande
dépend des installations). De même, c’est le programmeur qui peut terminer
le dialogue, en tapant la phrase quit();;. Cette phrase termine la session en
cours, et “éteint” la machine CAML.
Dans la suite, nous découvrirons les différentes formes de phrase que l’on
peut formuler lors d’une session. Signalons que ce mode d’utilisation de CAML
n’est pas le seul; en mode dialogue, les phrases peuvent aussi être entrées à
partir d’un fichier; on peut aussi compiler des séquences de phrase, afin d’en
différer l’exécution (mode batch).
2.2
Valeurs
Les entités primitives manipulées par les algorithmes sont des valeurs, qui
peuvent être dénotées. Une notation de valeur est un identificateur prédéfini,
associé à la valeur qu’il dénote, et ceci de manière indissoluble. Par exemple :
123 dénote l’entité dont la valeur est un nombre entier qui correspond à la
notation décimale 123,
‘A‘ dénote l’entité dont la valeur est le caractère qui correspond à l’écriture
latine A,
"bonjour" dénote l’entité dont la valeur est la chaı̂ne de caractères délimitée
par les deux symboles " ",
+ dénote l’entité fonctionnelle dont la “valeur” est l’opérateur d’addition
de deux nombres.
En CAML, on utilise les notations de valeurs suivantes:
– entiers : notation standard (suite de chiffres décimaux, précédée éventuellement
du caractère + ou -),
# 45 ;;
-:int=45
# -208 ;;
-:int=-208
– réels : notation standard avec point décimal et, éventuellement, facteur
d’échelle :
#
18.045 ;;
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2.3. Types
11
-:float=18.045
# 1.76e+3 ;;
-:float=1760
# 4.12e-2 ;;
-:float=0.0412
– caractères : entre deux délimiteurs ‘ (backquote) on trouve soit le signe
typographique (‘A‘, ‘9‘), soit la séquence ‘\ code‘, où code est le code
ASCII du caractère (‘\ 013‘ :retour-chariot), soit la séquence ‘\ lettre‘
où une lettre remplace le code pour certains caractères spéciaux( ‘\ n‘
qui dénote aussi le retour-chariot), etc.
# ‘&‘ ;;
-:char=‘ &‘
# ‘\ 048‘ ;; (* code ASCII du caractère ‘0‘ *)
-:char=‘0‘
# ‘\ n‘ (* désigne le caractère RC - retour chariot *)
-:char=‘\ n‘
– booléens : les deux valeurs notées true , false
# true ;;
-:bool=true
# false ;;
-:bool=false
– chaı̂nes de caractères : la séquence de caractères délimitée par une paire
de " :
#
"a" ;;
-:string=”a”
#
"James Bond 007" ;;
-:string=”James Bond 007”
#
"" ;; (* la cha^
ıne vide *)
-:string=””
2.3
Types
On regroupe les valeurs de même nature à l’aide de la notion de type. Un
type est défini par l’ensemble des valeurs que peuvent prendre les entités y
appartenant, et par un ensemble d’ opérations applicables à ces valeurs:
type ≡ ({valeurs},{opérations})
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12
Valeurs et types
Les langages de haut niveau fournissent un certain nombre de types de base,
appelés aussi types primitifs, correspondant aux types de valeurs “usuelles”.
En général, on trouve :
– le type logique ou booléen, dont les valeurs servent à tester
({faux, vrai}, {non, et, ou})
– le type entier, dont les valeurs servent à dénombrer
({un sous-ensemble des entiers}, { opérations arithmétiques entières,
opérations de comparaison})
– le type réel ou flottant, dont les valeurs servent à mesurer
({un sous-ensemble des réels},{opérations arithmétiques flottantes, opérations
de comparaison})
– le type caractère, dont les valeurs servent à noter
({ les caractères: lettres, chiffres, ponctuation, etc},{ opérations de comparaison})
De plus, les langages offrent souvent la possibilité de construire de nouveaux types, à partir de types déjà construits (notamment des types primitifs), en utilisant des symboles appelés constructeurs de type. On trouve,
par exemple, les types de t-uples, de listes – qui sont définis dans la section
suivante– ,fonctionnels – vus au chapitre 4 –, produits, sommes, tableaux, etc.
Enfin chaque type, qu’il soit primitif ou construit, peut parfois être nommé à
l’aide d’identificateurs.
2.3.1
Types primitifs en CAML
Le langage CAML définit les types primitifs suivants, avec leurs identificateurs : (voir les exemples de phrase de la section précédente) :
– bool pour les booléens
– int pour les entiers
– float pour les flottants
– char pour les caractères
– string pour les chaı̂nes
Les opérateurs sur ces types primitifs sont dénotés de la manière suivante,
avec les règles de priorité habituelles :
– bool : not (négation), & (conjonction), or (disjonction)
– int : - (opposé ou soustraction), +, *, / (quotient entier), mod (reste).
– float : les mêmes (sauf mod), mais suivis d’un point : -., +., *., /.
– string : ˆ (concaténation)
En outre, CAML offre des opérateurs primitifs de comparaison “universels”, en
ce sens qu’ils permettent de comparer deux valeurs d’un même type quelconque
(à l’exception toutefois des types fonctionnels) : ce sont l’égalité et sa négation,
notées respectivement = et <>, et les opérateurs d’inégalité>, >=, <, <=
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2.3. Types
13
# 4+3=8 ;;
-:bool=false
# ‘A‘<>‘a‘ ;;
-:bool=true
Une construction comprenant des notations de valeurs et des opérateurs s’appelle une expression. Ces constructions seront détaillées au chapitre 3
Exemples
# -(4+5) ;;
-:int=-9
# 7/3 ;;
-:int=2
# 7 mod 3 ;;
-:int=1
# 7.0/.3.0 ;;
-:float=2.33333333333
# 4>=5 ;;
-:bool=false
# not (4<3) ;;
-:bool=true
# "abc"^ "def" ;;
-:string=”abcdef”
# "abcd"<"abddfg" ;;
-:bool=true
2.3.2
Exemple de type construit en CAML : les t-uples et les
listes
La construction de type permet de définir de nouveaux types à partir de
types déjà connus, par exemple à partir des types de base. Dans les phrases du
langage, on peut écrire des valeurs d’un type construit en combinant des valeurs des types composants avec des symboles appelés constructeurs de valeur .
Les types construits sont désignés par des expressions de type dans lesquelles
les identificateurs de type sont combinés avec des symboles appelés constructeurs de type. En CAML, seuls les constructeurs de valeur peuvent apparaı̂tre
dans les phrases; les constructeurs de type n’apparaissent que dans les réponses
de la machine CAML 2 . Dans ce qui suit, nous étudions l’exemple des t-uples
et des listes.
2. le programmeur peut toutefois définir lui-même des identificateurs de certains types,
appelés types définis par l’utilisateur (user-defined types); ces définitions se font dans des
phrases de définition de type.
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14
2.3.2.1
Valeurs et types
les types de t-uples
Une valeur de type t-uple est une séquence de plusieurs valeurs, de types
respectifs t1 ,t2 , . . . ,tn . Un type de t-uple est donc défini par un entier n (le
nombre de composants) et les n types composants. Le constructeur de valeur
pour les t-uples est le symbole “,” (la virgule), et le constructeur de type est
le symbole “*” (l’étoile).
# 1,2 ;;
-:int*int= 1 , 2
On peut aussi entourer une valeur de t-uple par des parenthèses pour accroı̂tre
la lisibilité, mais ce n’est pas obligatoire.
# (1,‘1‘,"1") ;;
-:int*char*string= 1 , ‘1‘ , ”1”
Il est possible d’écrire des expressions t-uples :
# (4-3, 5>3) ;;
-:int*bool= 1 , true
# (2, ‘a‘) ;;
-:int*char=2 , ‘a‘
# ("je suis "^"venu" , "j’ai "^"vu","j’ai "^"vaincu") ;;
-:string*string*string=”je suis venu” , ”j’ai vu” , ”j’ai vaincu”
On peut aussi combiner les constructions, comme dans ce triplet de paires :
# ((‘a‘,97),(‘b‘,97+1),(‘c‘,97+2));;
-:(char*int)*(char*int)*(char*int)= (‘a‘,97) , (‘b‘,98) , (‘c‘,99)
2.3.2.2
Les types de liste
Une valeur de type liste est une séquence d’un nombre quelconque de valeurs, toutes d’un même type t. Un type de liste est donc construit à partir
d’un type de base.
Fondamentalement, une valeur de type liste de t est donc :
– soit la valeur séquence vide
– soit un doublet, formé d’une valeur de type t et d’une valeur de type liste
de t. La première composante symbolise l’élément de tête et la deuxième
le reste de la liste.
Cette définition est donc récursive, au sens où une valeur de type liste comporte
une valeur de même type. Certains langages offrent des outils permettant l’exc IFSIC 1999
°
2.3. Types
15
pression, par le programmeur, de telles définitions (et c’est le cas de CAML).
Cet aspect ne pourra être abordé qu’après l’étude de la récursion (chapitre 6).
Le langage CAML fournit en fait deux constructeurs de valeurs de liste,
l’un dénotant la liste vide et l’autre permettant de construire une liste par composition. Il fournit en outre une notation de valeur de liste par énumération.
Constructeur de valeur Liste vide : elle est dénotée par le symbole [] (une
paire de crochets),
Constructeur de valeur par composition Le symbole :: (une paire de “deuxpoints”) permet de construire une liste à partir d’un élément (qui devient
la tête de la liste) et d’une liste (qui devient le reste de la liste),
Énumération Une valeur de type liste peut etre dénotée en énumérant les
valeurs de ses éléments, séparées par des points-virgules, et délimitées
par des crochets. C’est la notation utilisée par la machine pour afficher
une valeur de type liste dans une réponse. Mais une telle notation n’est
pas un constructeur de valeur.
Le constructeur de type fourni par le langage est dénoté par le mot-clef
list.
Exemples
# 1::[] ;;
-:int list=[1]
# "un"::["deux" ; "trois"] ;;
-:string list = [”un” ; ”deux” ; ”trois”]
Le constructeur :: est associatif à droite :
# 1::2::[3 ; 4] ;;
-:int list = [1 ; 2 ; 3 ; 4]
# 1::(2::[3 ; 4]) ;;
-:int list = [1 ; 2 ; 3 ; 4]
Par contre, la construction (1::2)::[3 ; 4] n’a pas de sens, car dans la
construction (1::2) la notation 2 ne dénote pas une valeur de type liste. De
même, la construction 1::[2]::[3 ; 4] n’a pas de sens, car dans la construction
[2]::[3 ; 4] la notation [2] ne dénote pas une valeur de type entier.
La notation [e1 ; e2 ; . . . ; en ] est une abréviation de la notation e1 ::
e2 :: . . . :: en :: []. Pour mettre en évidence l’aspect “doublet” on représente
parfois les listes graphiquement, comme des peignes dont les dents contiennent
les éléments de la liste; ceci fait apparaı̂tre la construction de la liste à partir
de ses éléments, du constructeur [] et de l’utilisation répétée du constructeur
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16
Valeurs et types
::
1
::
2
::
3
::
::.
4
[]
Enfin, il est possible de combiner entre eux les constructeurs de valeur, par
exemple en construisant des listes de t-uples, des t-uples comportant des listes,
des listes de listes, etc.
# [(‘a‘,97) ; (‘b‘,98) ; (‘c‘,99)] ;;
-:(char*int) list = [(‘a‘,97) ; (‘b‘,98) ; (‘c‘,99)]
# ([‘a‘ ; ‘b‘ ; ‘c‘],[97 ; 98 ; 99]) ;;
-:(char list)*(int list) = [‘a‘ ; ‘b‘ ; ‘c‘],[97 ; 98 ; 99]
# [["Basile" ; "Genevieve" ; "Odilon" ; "Edouard"] ;
["Melaine"; "Tatiana"] ; ["Remi" ; "Roseline" ;
"Prisica" ; "Marius" ; "sebastien"]] ;;
-: string list list = [[ .....
La machine interactive CAML permet ainsi de tester immédiatement l’effet
des opérateurs sur les valeurs primitives ou construites. Les phrases que nous
venons d’écrire sont des combinaisons de valeurs et d’opérateurs. Le chapitre
suivant va permettre de généraliser de telles constructions, en introduisant les
notions d’identificateurs et de contexte.
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Chapitre 3
Contexte, expressions
Dans ce chapitre, nous nous intéressons aux moyens offerts par les langages
de haut niveau pour représenter les entités manipulées dans les algorithmes.
De tels langages fournissent:
– l’identification des entités et de leur type,
– l’identification des opérations (ou fonctions),
– la gestion d’un contexte.
3.1
3.1.1
Contexte
Identificateurs
Un algorithme manipule des entités. Celles-ci ne se limitent pas à une
simple notation de valeur, mais peuvent aussi être désignées par un nom.
Ainsi, chaque entité possède trois champs : un identificateur, un type et une
valeur.
Un identificateur est un symbole formé à l’aide de caractères en obéissant
à certaines règles propres à chaque langage de programmation.
Exemples x, y, toto, pgcd, X 25, ...
Nous avons déjà rencontré, au chapitre précédent, des identificateurs utilisés pour dénoter des valeurs. De tels identificateurs sont évidemment réservés
à cet usage, et ne peuvent donc pas être utilisés pour nommer d’autres valeurs.
De même, certains identificateurs désignent des opérations bien précises du
langage (par exemple l’identificateur let qui va être introduit plus loin). On
les appelle des mots-clefs. Les notations de valeur et les mots-clefs sont appelés
identificateurs prédéfinis. Les autres sont dits définis par le programmeur . Les
identificateurs (prédéfinis ou non) constituent les éléments lexicaux de base
d’un langage.
En CAML, les identificateurs définis par le programmeur sont des séquences
de caractères qui commencent par une lettre, et peuvent comporter des lettres,
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18
Contexte, expressions
des chiffres, et le caractère (souligné). Tout autre caractère y est interdit. Les
minuscules et les majuscules sont distinctes. La longueur d’un identificateur
est pratiquement illimitée (mais 80 caractères - longueur d’une ligne d’écran
standard - semble être une borne raisonnable!).
3.1.2
Liaison
Lorsqu’une valeur est nommée par un identificateur, on dit qu’il existe une
liaison entre l’identificateur et la valeur. L’identificateur est alors lié. Une telle
liaison sera notée, pour les besoins de ce cours, à l’aide du symbole ~ (attention,
cette notation n’est pas utilisée dans le langage CAML, mais uniquement dans
le “métalangage” utilisé ici pour les explications). Ainsi :
x ~ 123 signifie que l’identificateur x est lié à la valeur 123. Comme cette
notation de valeur est une notation d’entier, on en déduit (c’est implicite) que
x désigne une valeur de type entier.
3.1.3
Gestion du contexte
Lors d’un processus d’exécution de programme, des liaisons sont établies,
rompues, utilisées, etc.
Définition : On appelle contexte d’un processus l’ensemble des liaisons existantes à un instant donné du processus.
La notion de contexte est donc relative à un processus donné, et le contexte
d’un processus est dynamique en ce sens qu’il peut évoluer pendant le processus, en fonction de l’enchaı̂nement d’opérations décrit dans le programme.
Parmi les opérations susceptibles de modifier le contexte, on peut trouver:
– la définition d’une nouvelle liaison,
– la destruction d’une liaison existante,
– la modification de valeur liée à un identificateur,
– la ré-initialisation du contexte.
Certaines sont explicites, c’est-à-dire qu’elles peuvent figurer comme telles
dans le texte d’un programme, d’autres sont implicites, c’est-à-dire qu’elles
seront réalisées à certains points d’un processus sans pour autant apparaı̂tre
dans le texte du programme.
La définition est en général explicite. Les langages de programmation
offrent toujours un opérateur de définition permettant d’établir de nouvelles
liaisons. De tels opérateurs sont notés et dénommés différemment selon les
langages. En CAML, l’opération de définition est notée par le mot-clef let.
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3.1. Contexte
19
Exemples :
# let x = 123;;
x:int = 123
La liaison entre l’identificateur x et la valeur 123 a été établie, comme en
témoigne la réponse de la machine : au lieu d’un - (tiret) en premier champ,
elle affiche l’identificateur x . On dit que cette phrase est une définition de
l’identificateur x .
# let un chiffre=‘5‘
un chiffre:char = ‘5‘
# let Cesar = ("je suis "^"venu" , "j’ai "^"vu","j’ai "^"vaincu") ;;
Cesar:string*string*string=”je suis venu” , ”j’ai vu” , ”j’ai vaincu”
Par contre, les opérations de destruction ou de ré-initialisation sont presque
toujours implicites. Autrement dit, les langages de programmation n’offrent
en général pas la possibilité d’indiquer qu’une liaison doit être détruite, ou
que le contexte doit être réinitialisé (oubli ou destruction de toutes les liaisons
définies depuis le début du processus).
Enfin, les opérations de modification de valeur , appelées en général affectations, sont explicites dans les langages impératifs mais absentes dans les
langages déclaratifs. Nous reviendrons ultérieurement sur ce point très important. L’approche que nous considérons dans la suite de ce document est
déclarative, et plus spécifiquement fonctionnelle. Retenons pour l’instant que,
dans cette approche, l’opération d’affectation n’est pas possible.
L’ordre dans lequel les opérations de modification du contexte sont effectuées peut être significatif. Pour en tenir compte, il y a lieu de considérer
un contexte comme une liste, c’est-à-dire un ensemble dont les éléments sont
énumérés dans un certain ordre. De plus, nous adopterons les règles suivantes,
qui permettront ensuite d’expliquer plus facilement un certain nombre de
mécanismes mis en œuvre dans les processus (sauf mention contraire, l’ordre
adopté va de gauche à droite, c’est-à-dire de la tête vers la queue).
Règle de définition : lors de la définition d’une liaison, la liaison créée est
mise en tête du contexte.
Exemple : dans le contexte
[x ~ 123 ; z ~ "bonjour" ; v ~ true] l’exécution de la définition
let pi = 3.1416 va donner le nouveau contexte
[pi ~ 3.1416 ; x ~ 123 ; z ~ "bonjour" ; v ~ ,true]
Règle de visibilité ou d’homonymie : Si un contexte comporte
plusieurs liaisons homonymes, c’est-à-dire de même identificateur, seule la
liaison la plus à gauche -c’est-à-dire la plus récente - est visible.
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20
Contexte, expressions
Exemple Dans le contexte
[z ~ 45 ; pi ~ 3.1416 ; x ~ 123 ; z ~ "bonjour" ; v ~ true]
c’est la liaison z ~ 45 qui est visible. La liaison z ~ "bonjour" existe, mais
elle est masquée.
Outre les opérations de modification, on trouve aussi les opérations de
consultation du contexte. Celles-ci permettent de se référer au contexte, et
sont utilisées dans les processus d’évaluation d’expressions, comme nous allons
le voir dans la prochaine section. En général, la donnée d’une consultation est
un identificateur, et son résultat est la valeur à laquelle cet identificateur est
lié. Si l’identificateur n’apparaı̂t dans aucune des liaisons (absent du contexte),
on dit qu’il n’est pas lié, ou encore qu’il est libre. Dans ce dernier cas, nous
désignerons conventionnellement par le symbole ⊥ “l’absence de valeur” de
l’identificateur. Dans une telle opération, la règle de visibilité ci-dessus est
appliquée, en d’autres termes, la recherche dans le contexte est effectuée à
partir de la tête jusqu’à ce que l’identificateur donné soit trouvé (succès) ou
que tout le contexte ait été parcouru (échec).
3.2
Expressions
Parmi les traitements exprimés dans les programmes, l’un des plus courants
est le calcul de nouvelles valeurs à partir de valeurs déjà connues, ce que
l’on appelle l’évaluation. Les expressions constituent, dans un langage, une
forme permettant d’exprimer de tels calculs. Une expression est constituée de
valeurs et d’opérations permettant de les combiner. Chaque composante de
l’expression (valeur ou opération) est désignée par un identificateur (prédéfini
ou non).
La syntaxe du langage explique comment on peut construire des expressions, c’est-à-dire selon quelles règles les identificateurs composant l’expression
peuvent être groupés. La sémantique explique comment est menée l’évaluation
d’une expression, en fonction du contexte.
3.2.1
Syntaxe
Une expression peut être :
– une notation de valeur,
– un identificateur,
– une application d’entités fonctionnelles,
– une expression construite avec des constructeurs de valeurs.
Parmi les entités fonctionnelles, on trouve les opérateurs primitifs, tels que
ceux qui ont été vus au chapitre précédent, mais aussi des fonctions définies
par le programmeur. Cette dernière notion sera abordée de manière détaillée
au chapitre suivant.
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3.2. Expressions
21
Exemples
4 : notation de valeur entière.
(‘a‘,true) : notation de valeur de type char*bool
x : identificateur.
x*.3.5 : application de l’entité fonctionnelle primitive désignée par *. aux
deux arguments désignés par x (identificateur) et 3.5 (notation de valeur
réelle).
pgcd (n1, n2) : application de l’entité fonctionnelle désignée pgcd à un
couple (2-uple) de deux valeurs désignées par n1 et n2
(z*.3.5, y-3) : expression construite comme doublet de deux expressions.
Une expression peut être formée de manière récursive, autrement dit une
expression peut contenir des (sous-)expressions, elles-mêmes décomposables,
et ce jusqu’au niveau des entités lexicales de base, à savoir les identificateurs
ou les notations de valeur.
Exemple L’expression
(x-6)*pgcd(y-2,15)-max(y, z+4) peut être décomposée comme l’indique
la figure 3.1:
*
max
x
pgcd
6
y
y
+
z
15
2
Fig. 3.1 – expression complexe
3.2.2
Sémantique
Cette section décrit comment est menée l’évaluation d’une expression.
Cette évaluation repose sur un modèle appelé modèle par substitution, que
l’on trouve dans de nombreux langages, notamment en CAML. L’opération
d’évaluation a pour données une expression et un contexte , et fournit en
résultat une valeur et le type de cette valeur si l’opération réussit, ou ⊥ si
l’opération échoue.
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4
22
Contexte, expressions
Le processus d’évaluation est mené selon les règles suivantes:
1. si l’expression est une notation de valeur, le résultat est la valeur dénotée
et son type (indépendamment du contexte).
2. si l’expression est un identificateur, il y a deux cas:
(a) l’identificateur est lié dans le contexte: le résultat est alors la valeur
et le type figurant dans la première liaison présente dans le contextec’est-à-dire la liaison résultant de la plus récente définition de cet
identificateur.
(b) l’identificateur n’est pas lié dans le contexte: le résultat est ⊥ (l’évaluation
échoue)
3. si l’expression est une application d’entité fonctionnelle, alors:
(a) chacune des sous-expressions constituant ses arguments est évaluée
(l’ordre dans lequel ces expressions sont évaluées n’est en général
pas spécifié dans la sémantique).
(b) si l’une de ces évaluations échoue, le résultat est ⊥
(c) si toutes ces évaluations réussissent, la cohérence des types est
vérifiée. Cette vérification est établie en vérifiant que les types obtenus lors de l’évaluation des arguments correspondent bien aux
types d’arguments prévus dans la définition de la fonction:
i. si au moins l’un des types d’argument n’est pas conforme au
type des arguments de l’entité fonctionnelle, l’évaluation échoue
(résultat ⊥),
ii. si la cohérence des types est vérifiée, alors les valeurs obtenues
lors de l’évaluation des arguments sont substituées aux expressions arguments. Le résultat est la valeur obtenue en appliquant
l’entité fonctionnelle aux valeurs, et le type de cette valeur.
4. Si l’expression est construite avec des constructeurs de valeurs, alors
chaque expression est évaluée selon les règles précédentes.
Exemples
Contexte d’évaluation
tout contexte
[x ˜ 123]
[x ˜ 123]
[x ˜ ‘1‘ ; y ˜ 140 ; x ˜ 123]
[x ˜ ‘1‘ ; y ˜ 140 ; x ˜ 123]
[x ˜ ‘1‘ ; y ˜ 140 ; x ˜ 123]
[a ˜ 3 ; b ˜ 1]
[a ˜ 3 ; b ˜ 1]
[a ˜ 3 ; b ˜ 1]
[a ˜ 3 ; b ˜ 1]
tout contexte
[a ˜ 3 ; b ˜ 2]
Expression
4
x
y
x
y+z
y+x
a+b∗4
(a + b) ∗ 4
a+b=4
a∗b=4
(4-3, 5 >3)
[a + b; a ∗ b; a/b; a mod b]
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valeur
4
123
⊥
‘1‘
⊥
⊥
7
16
true
f alse
(1, true)
[5;6;1;1]
type
entier
entier
⊥
caractère
⊥
⊥
entier
entier
booléen
booléen
entier*booléen
liste ent
commentaire
cas 1
cas 2.a
cas 2.b
cas 2.a
cas 2.b pour z, puis 3.b
cas 3.c.i (type de x incorrect)
cas 3.c.ii, éval. de a et b ∗ 4
cas 3.c.ii, éval. de a + b et 4
cas 3.c.ii, éval. de a + b et 4
cas 3.c.ii, éval. de a ∗ b 4
cas 4 puis 1
cas 4 puis 3.c.ii
3.2. Expressions
23
Bien entendu, les exemples précédents pourraient tous être testés directement à l’aide de la machine CAML interactive, dans la session ci-dessous :
# 4 ;;
- : int = 4
# let x=123 ;;
x : int = 123
# x ;;
-:int = 123
# y ;;
> Toplevel input:
>y;;
>ˆ
> Variable y is unbound.
# let x=‘1‘ and y=140 ;; (* définition simultanée de deux ident.
dans une m^
eme phrase *)
x :char= ‘1‘
y :int= 140
# x ;;
- : char = ‘1‘
# y + z ;;
> Toplevel input:
>y+z;;
> ˆ
> Variable z is unbound.
# y+x ;;
Toplevel input:
>y+x;;
> ˆ
> Expression of type char
> cannot be used with type int
# let a=3 and b=1 ;;
a : int = 3
b : int = 1
# a+b*4 ;;
- : int = 7
# (a+b)*4 ;;
- : int = 16
# a + b = 4 ;;
- : bool = true
# a*b = 4 ;;
- : bool = false
# (4-3, 5>3);;
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24
Contexte, expressions
- : int * bool = 1, true
# let b=2 ;;
b : int =2
# [a+b;a*b;a/b;a mod b] ;;
- : int list = [5; 6; 1; 1]
3.3
Phrases CAML
Nous avons déjà rencontré deux sortes de phrases dans le langage CAML :
1. les phrases de définition
2. les phrases d’expression
Les premières permettent de définir une nouvelle liaison. Si leur exécution
réussit, la réponse commence par l’identificateur qui vient d’être défini (suivie
du type et de la valeur) : le contexte est agrandi avec cette nouvelle liaison. Les
secondes, au contraire, n’expriment que l’évaluation d’une expression, relativement au contexte existant. La réponse commence par un - (tiret), indiquant
que le résultat de l’évaluation n’a pas été nommé : seuls le type et la valeur du
résultat sont affichés. A la fin de l’évaluation, le contexte est le même qu’au
début.
Les deux schémas suivants résument les deux formes de phrase, comptetenu des concepts qui ont déjà été abordés :
phrase expression : expression ;;
phrase définition : let ident 1=expr 1 and ident 2=expr 2 and ... and ident n=expr n ;;
(si n = 1, il s’agit d’une définition simple; si n > 1, il s’agit d’une définition
simultanée).
Dans le cas d’une définition simultanée, toutes les phrases obtenues en
changeant l’ordre des définitions sont équivalentes.
Dans la section suivante, nous allons voir que le contexte peut être modifié durant une évaluation. Toutefois, dans notre modèle d’évaluation, ces
modifications seront temporaires, de sorte que les contextes de début et de fin
d’évaluation seront les mêmes. Autrement dit, toutes les liaisons crées durant
le processus d’évaluation seront détruites avant la fin du processus.
3.4
3.4.1
Définitions locales
Intérêt
Supposons que l’on veuille évaluer l’expression (4+5*5+9)*(4+5*5+9)*4+(4+5*5+9)+4.
Si l’on fournit cette expression à la machine CAML, l’évaluation va bien être
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3.4. Définitions locales
25
effectuée, mais de manière inefficace car la sous-expression 4+5*5+9 va être
évaluée trois fois :
# (4+5*5+9)*(4+5*5+9)*4+(4+5*5+9)+4 ;;
-:int = 5818
Si l’on veut éviter à la machine de refaire plusieurs fois le même travail, il faut
nommer le résultat de cette sous-expression, autrement dit introduire cette
valeur dans le contexte afin de pouvoir la retrouver grâce à son nom.
Une première solution serait la suivante :
# let x = 4+5*5+9 ;;
x : int = 38
# x*x*4+x+4 ;;
- : int = 5818
L’ennui est que la liaison x ~ 38 a été introduite dans le contexte, et ne peut
plus être détruite. A l’issue de l’évaluation, le contexte n’est plus le même. Le
langage CAML nous offre alors la possibilité d’effectuer une définition locale,
ayant pour effet une liaison temporaire :
# let x = 4+5*5+9 in x*x*4+x+4 ;;
- : int = 5818
(* la liaison x ~ 38 n’est plus dans le contexte : *)
# x ;;
> Toplevel input:
>x;;
>ˆ
> Variable x is unbound.
La phrase ci-dessus, bien que commençant par le mot-clef let, est une
expression. Celle-ci comporte une définition locale (de l’identificateur x), dont
l’effet est temporaire.
Il est évidemment possible de nommer le résultat de l’évaluation: on obtient
alors une définition :
# let y = let x = 4+5*5+9 in x*x*4+x+4 ;;
y : int = 5818
Détaillons l’évolution du contexte lors du processus d’exécution de cette
phrase. Sa structure est :
let y = let x = expr x in expr y, où expr x est 4+5*5+9 et expr y est
x*x*4+x+4.
La liaison x ~ valeur(expr x) sera créée, utilisée dans l’évaluation de expr y
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°
26
Contexte, expressions
puis supprimée à la fin de cette évaluation.
Contexte initial :
[ ] (c’est-à-dire vide)
let y = ... introduit une liaison sur y et lance le processus d’évaluation de
expr y :
[y ~ ?], le? signifiant “processus d’évaluation en
cours”. Il s’agit du processus d’évaluation de expr y
...let x = 4+5*5+9 in ... introduit une liaison temporaire sur x et lance le
processus d’évaluation de expr x :
[x ~ ? ; y ~ ?] le souligné signifie : liaison tem-
poraire
processus d’évaluation de expr x = 4+5*5+9 : résultat 38, lié à x
[ x ~ 38 ; y ~ ?]
... x*x*4+x+4 processus d’évaluation de expr y =x*x*4+x+4 (dans le contexte
courant): résultat 5818, lié à y
[ x ~ 38 ; y ~ 5818]
suppression de la liaison temporaire sur x :
[y ~ 5818] qui est le contexte final.
Essayons :
# y ;;
- : int = 5818
# x ;;
> Toplevel input:
>x;;
>ˆ
> Variable x is unbound.
3.4.2
Expressions non terminales
Nous venons de voir qu’une expression e peut commencer par une définition
locale :
let id = e1 in e2 , où e1 et e2 sont des expressions
Si c’est le cas, on dit que l’expression e est non terminale; elle est alors composée :
– d’une définition locale impliquant un identificateur (id) et une expression
de définition (e1 )
– d’une expression (e2 ), dans laquelle on peut utiliser la liaison locale de
l’identificateur, et appelée pour cette raison l’expression cible.
c IFSIC 1999
°
3.4. Définitions locales
27
Dans le cas contraire, l’expression est dite terminale.
Exemples x*x+y*y est une expression terminale
let x=4+5*5+9 in x*x*4+x+4 est composée de la définition locale let x=4+5*5+9
et de l’expression cible x*x*4+x+4. Le schéma général de la figure 3.2.a décrit
la structure des expressions non terminales. La figure 3.2.b illustre l’exemple
précédent.
mna)
mnexpression non terminale
mnlet x=expression de définition
mnb)
mnin mnexpression cible
mnexpression non terminale
mnlet x=4+5*5+9 (définition) mnin mnx*x*4+x+4 (cible)
mn(expression terminale)
mn(expression terminale)
Fig. 3.2 – Expressions non terminales
# let x= let c=97 in ((‘a‘,c),(‘b‘,c+1),(‘c‘,c+2));;
x:(char*int)*(char*int)*(char*int)= (‘a‘,97) , (‘b‘,98) , (‘c‘,99)
3.4.3
Définitions locales emboı̂tées. Structure d’une expression
Il est possible d’introduire plusieurs niveaux de définitions locales, c’està-dire des définitions locales dans des expressions servant elles-mêmes à des
définitions locales. En effet, chacune des deux expressions composant une expression non terminale (l’expression de définition et l’expression cible) peuvent
elles-mêmes être non terminales. Par exemple :
let x=1 in let y=x+1 in x*x+y*y ;;
est une expression non terminale de la forme let id=e1 in e2 , avec
e1 est l’expression 1 (terminale)
e2 est l’expression non terminale let y=x+1 in x*x+y*y de la forme let
id=e21 in e22 , où
e21 est l’expression x+1 (terminale)
e22 est l’expression x*x+y*y (terminale).
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28
Contexte, expressions
L’imbrication des définitions locales traduit une relation hiérarchique de
dépendance des identificateurs intervenant dans l’expression globale à évaluer.
Dans l’exemple précédent, y dépend de x , et l’expression globale dépend ellemême de x et de y . On pourra représenter une telle hiérarchie par un schéma
arborescent, comme celui de la figure 3.3 qui représente l’exemple ci-dessus.
expression non terminale
let x=1
in
let y= x+1
expression non terminale (cible)
in
x*x+y*y (cible)
(expression terminale)
Fig. 3.3 – Expression avec deux niveaux d’imbrication
Enfin, toujours avec cet exemple, l’évaluation va être menée comme suit :
Le processus d’évaluation de l’expression se termine lorsque le processus
d’évaluation de e2 est terminé, la valeur de e étant celle de e2 . De même, le
processus d’évaluation de e2 se termine lorsque le processus d’évaluation de e22
est terminé, la valeur de e2 étant celle de e22 . Lors du processus d’évaluation
de e , la liaison temporaire x ~ 1 va être établie et ne sera détruite qu’à la
fin du processus d’évaluation de e2 . Pour évaluer e2 , la liaison temporaire
y ~ valeur(x+1) va être établie (l’évaluation de x+1 utilise la liaison x ~ 1) et ne
sera détruite qu’à la fin du processus d’évaluation de e22 . Enfin, l’évaluation
de e22 utilise les deux liaisons temporaires sur x et y . La liaison sur y sera
supprimée avant la liaison sur x .
# let x=1 in let y=x+1 in x*x+y*y ;;
- : int = 5
3.4.4
Niveau et portée des identificateurs
Les imbrications successives de définitions introduisent des niveaux d’expressions et de définitions d’identificateurs.
1. Toute phrase comporte une expression, soit seule (si c’est une phrase
expression : #expr ;;) soit nommée (si c’est une phrase de définition :
#let id = expr ;;). L’expression expr et, s’il est présent, l’identificateur
id, sont au niveau 0.
2. Dans une expression non terminale de niveau k, donc de la forme let
id= e1 in e2 , l’identificateur id et les deux expressions e1 et e2 sont au
c IFSIC 1999
°
3.4. Définitions locales
29
niveau k + 1.
Ces niveaux d’imbrication définissent aussi la portée de identificateurs. .
Statiquement, c’est-à-dire au niveau de texte du programme, la portée est la
zone de texte dans laquelle l’identificateur est lié. Dynamiquement, c’est-à-dire
lors d’un processus d’exécution, la portée d’un identificateur définit l’intervalle
de temps pendant lequel la liaison établie lors de sa définition est présente dans
le contexte.
1. Le niveau 0 s’appelle encore le niveau global de la session, ou niveau
supérieur (top-level ). Les identificateurs définis au niveau 0 sont dits
définis globalement : la liaison établie lors de leur définition reste dans le
contexte jusqu’à la fin de la session. La portée statique des identificateurs
définis au niveau 0 commence à la fin de la phrase qui les définit, et se
termine lors de la rencontre de la première phrase quit();; indiquant la
fin de la session.
2. La portée statique d’un identificateur défini localement au niveau k (k ≥
1) est l’expression cible associée à la définition locale de l’identificateur :
let id=e1 in e2 indique que la portée statique de id est l’expression e2 .
Dynamiquement, la liaison reste dans le contexte le temps de l’évaluation
de l’expression e2 .
Exemples:
# let x=1+4 ;;
(* x , et son expression de définition 1+4,
sont au niveau 0; la portée de x est glo-
bale *)
x : int = 5
# let x=1 in x+4;;
(* expression de niveau 0;
x, son expression de définition 1 et son expression cible x+4 sont de niveau 1;
la portée de x est l’expression cible x + 4 *)
- : int = 5
# let x= let y=1 in y+4 ;;
(* x et son expression de définition let y=1 in y+4 sont au niveau 0;
y , son expression de définition 1 et son expression cible y+4 sontau niveau 1;
la portée de x est globale;
la portée de y est son expression cible y + 4 *)
x : int = 5
# let x=1 in let y=x+3 in x+y ;;
(* expression de niveau 0 ;
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30
Contexte, expressions
x , son expression de définition 1 et son expression cible let y=x+3 in x+y sont de ni-
veau 1;
y , son expression de définition x + 3 et son expression cible x +
y sont au niveau 2;
la portée de x est son expression cible
let y = x + 3 in x + y ;
la portée de y est son expression cible x + y *)
- : int = 5
Enfin, il faut se rappeler qu’une liaison peut être masquée par une liaison
homonyme plus récente (règle de visibilité) :
# let x=2 in let y=0 in let y=2*x+y in x*x+y*y ;;
(* x est au niveau 1, y (lié à 0) au niveau 2,
y (lié à la valeur de 2 ∗ x + y = 2 ∗ 2 + 0 = 4) au niveau 3;
cette dernière liaison masque la liaison y ~ 0 lors de l’évaluation de x∗
x + y ∗ y *)
- : int = 20
# let x=2 in let y=2*x in let y=0 in x*x+y*y ;;
(* le m^
eme raisonnement permet de prévoir la réponse ci-dessous : *)
- : int = 4
# let x = let c=97 in ((‘a‘,c),(‘b‘,c+1),(‘c‘,c+2));;
x : (char*int)*(char*int)*(char*int))=((‘a‘,97),(‘b‘,98),(‘c‘,99))
3.4.5
Définitions locales et simultanées
Comme l’indique le diagramme syntaxique de la figure 3.6 (page 35), il est
possible d’effectuer simultanément plusieurs définitions locales, de même qu’il
est possible d’utiliser des définitions locales dans des définitions simultanées.
La structure des expressions vue précédemment doit alors être complétée
comme suit : une expression peut être soit terminale, soit non terminale. Une
expression non terminale se présente sous la forme :
let id1 =e1 and id2 =e2 and . . . and idn =en in ec
Elle contient donc n définitions locales simultanées (c’est-à-dire n identificateurs et n expressions servant à les définir) et une expressions cibles, ec . Les
règles de niveaux et portées ne changent pas : si l’expression non terminale
est de niveau k, alors les n identificateurs, les n expressions de définition et
l’ expression cible sont au niveau k + 1. La portée statique de chacun des n
identificateurs est l’expression cible, et les n liaisons n’existent dans le contexte
que durant le processus d’évaluation de l’expression cible. La figure 3.4 est une
représentation graphique d’une telle expression.
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3.4. Définitions locales
31
expression non terminale(niveau k)
let id1=e1
and
definition locale
niveau k+1
id2=e2
and ...idn=en in
definition locale
niveau k+1
expression cible (niveau k+1)
definition locale
niveau k+1
Fig. 3.4 – Définitions locales simultanées
Cependant, il y a lieu de faire très attention à la structure d’une telle
expression, les erreurs de syntaxe étant fréquentes. De même, il faut gérer correctement les relations de dépendance entre identificateurs. Donnons plusieurs
exemples :
# let x=1 and y=x+1 ;;
> Toplevel input:
>let x=1 and y=x+1 ;;
>
ˆ
> Variable x is unbound.
En effet, les définitions de x et de y étant simultanées, ces deux identificateurs
sont indépendants. Ainsi, le processus d’évaluation de x + 1 opère dans un
contexte ignorant la liaison x ˜ 1. La phrase ci-dessus est d’ailleurs équivalente :
# let y=x+1 and x=1 ;;
> Toplevel input:
>let y=x+1 and x=1 ;;
>
ˆ
> Variable x is unbound.
dont on pouvait prévoir l’échec!
# let x=5*5+4*9-6 in x+4 and x-3 ;;
> Toplevel input:
>let x=5*5+4*9-6 in x+4 and x-3 ;;
>
ˆˆˆ
> Syntax error.
En effet, la phrase doit être de la forme let x=e1 in e2 ;;. Ici, e1 : 5*5+4*96 est conforme à la syntaxe des expressions, mais e2 : x+4 and x-3 ne l’est
pas.
# let x=1 and y=2+3 in x*x+y*y ;;
- : int = 26
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32
Contexte, expressions
Ici, les deux identificateurs locaux x et y sont définis simultanément (tous
deux au niveau 1).
# let t= let x=1 in x*x and u= let x=2+3 f in x*x ;;
¯
t : int = 1
u : int = 25
Ici, les deux définitions simultanées de t et u utilisent chacune une définition
locale. t et u sont définies simultanément au niveau 0, et deux liaisons homonymes, temporaires mais indépendantes (de niveau 1) seront créées, utilisées
respectivement dans les deux évaluations de x*x puis supprimées.
# let a= let x=1 and y=2 in x+y
and b= let x="z" and z="x" in x=z ;;
a : int = 3
b : bool = false
Ici, a et b sont définis simultanément (au niveau 0). L’expression définissant
a utilise les deux définitions locales simultanées (de niveau 1) des identificateurs x et y (de type int ), et l’expression définissant b utilise les deux
définitions locales simultanées (de niveau 1) des identificateurs x et z (de type
string ).
# let Cesar = let ego1 = "je suis " and ego2 = "j’ai " in
(ego1^"venu" , ego2^"vu", ego2^"vaincu") ;;
Cesar:string*string*string=”je suis venu” , ”j’ai vu” , ”j’ai
vaincu”
Terminons par un exemple dans lequel nous allons définir une phrase (en
français) - c’est-à-dire une valeur de type string en CAML- en utilisant des
définitions locales dépendantes. Considérons la phrase "la maman des poissons elle est bien gentille". Nous considérons cette phrase comme formée
d’un groupe sujet, d’un groupe verbal et d’un attribut. Le groupe sujet est formé
d’un groupe nominal ("la maman") et d’un complément ("des poissons"). Le
groupe verbal est formé d’un pronom ("elle") et d’un verbe ("est"). Les
définitions du groupe nominal / et du complément doivent rester locales à
la définition du groupe sujet (elles n’interviennent pas dans la définition des
autres groupes); de même pour les définitions du pronom et du sujet, qui
doivent rester locales à celle du groupe verbal.
On a donc la structure arborescente de la figure 3.5 :
d’où la définition CAML (^ désigne l’opérateur de concaténation des chaı̂nes) :
c IFSIC 1999
°
3.5. Expressions conditionnelles
33
phrase (non terminale, niveau 0)
groupe-sujet
(def. locale, niv 1)
and
groupe-verbal
and
(def. locale, niv 1)
attribut
in
(def. locale, niv 1)
groupe-nominal and complementin cible (niveau 2)
pronom and verbe in cible (niveau 2)
(def. locale, niv 2)
(def. locale, niv 2)
(def. locale, niv 2) (def. locale, niv 2)
Fig. 3.5 – Structure de la phrase
# let phrase =
let groupe sujet=
let groupe nominal= "la maman " and complément="des poissons "
in groupe nominal^ complément
and
groupe verbal=
let pronom="elle " and verbe="est "
in pronom^ verbe
and
attribut = "bien gentille "
in groupe sujet^ groupe verbal^ attribut ;;
phrase : string = ”la maman des poissons elle est bien gentille ”
Ici, phrase est au niveau 0 (comme en atteste la réponse de la machine),
groupe sujet, groupe verbal et attribut sont au niveau 1, groupe nominal, complément,
pronom et verbe sont au niveau 2.
3.5
Expressions conditionnelles
Parmi les expressions que l’on peut construire, celles dont l’évaluation rend
une valeur de type booléen s’appellent des conditions. Par exemple :
# 6>3 ;;
- : bool = true
# (’a’=’A’) or (((9-4) mod 2 =0) & (7.5/.3.<=.2.)) ;;
- : bool = false
Une expression conditionnelle permet de combiner deux expressions de
même type à partir d’une condition. L’évaluation d’une expression conditionc IFSIC 1999
°
cible (niveau 1)
34
Contexte, expressions
nelle nécessite l’évaluation de la condition et l’évaluation de l’une des deux
expressions.
La syntaxe d’une expression conditionnelle utilise les mots-clefs if, then,
else :
expr cond : if condition then expression 1 else expression 2
La sémantique en est la suivante : condition est évaluée. Si son évaluation
échoue, alors l’évaluation de expr cond échoue. Sinon, si la valeur de condition est true , alors la valeur de expr cond est le résultat de l’évaluation de
expression 1, si la valeur de condition est false, alors la valeur de expr cond
est le résultat de l’évaluation de expression 2.
Exemples
(* dans un contexte où x est lié à une valeur de type entier : *)
# if x>=0 then "positif" else "negatif" ;;
- : string = ”negatif” (* x est lié à une valeur négative! *)
Bien entendu, il est possible de combiner ces constructions entre elles :
(* dans un contexte où x est lié à une valeur de type entier : *)
# let modulo 10 = let y = if x<0 then (-x) else x in
if y<10 then y
else if y<100 then y mod 10
else y mod 100 ;;
modulo 10 : int = 5 (* si x est lié à la valeur -55 par exemple *)
L’intérêt des expressions conditionnelles apparaı̂tra surtout dans les définitions
de fonctions - que nous allons voir au chapitre suivant.
c IFSIC 1999
°
3.5. Expressions conditionnelles
35
Résumé syntaxique :
expression :
valeur
(
)
expression
expression
opérateur
identificateur
then
in
définition
expression
expression
définition :
let
=
identificateur
expression
and
phrase :
expression
expression
expression
if
infix
expression
;;
définition
;;
Fig. 3.6 – Phrases CAML
c IFSIC 1999
°
else
expression
36
Contexte, expressions
c IFSIC 1999
°
Chapitre 4
Fonctions
Dans ce chapitre, un nouveau constructeur de type et son constructeur de
valeur associé, les constructeurs fonctionnels, sont abordés. Mais, outre l’aspect syntaxique de ces constructeurs, la notion de fonction est fondamentale,
puisque c’est à travers elle que l’on aborde vraiment la programmation. En
effet, nous allons voir que les fonctions sont des entités exprimant des algorithmes. Une fonction exprime en fait une correspondance entre des données et
un résultat, cette correspondance étant définie par une expression dans laquelle
les données ne sont pas toutes liées à une valeur du contexte (de telles données
s’appellent arguments formels). Le processus d’exécution de telles expressions,
dans un contexte où les arguments formels sont remplacés par des valeurs
spécifiques (arguments effectifs) constitue alors le processus d’exécution de
l’algorithme : aux valeurs des arguments effectifs correspond le résultat de
l’évaluation de l’expression définissant la fonction.
Une fonction constitue donc un moyen d’abstraction d’expression, lorsque
la valeur de certains composants de l’expression ne doit pas - ou ne peut pas
- être spécifiée au moment où l’on conçoit l’expression.
4.1
4.1.1
Fonctions et algorithmes
Un exemple introductif
Prenons comme exemple le “problème” du calcul du prix toutes taxes comprises (prix ttc) d’un article soumis à la tva de taux 18.6%, dont on connaı̂t le
prix hors taxe (prix h.t.). La solution à ce problème peut être décrite par l’algorithme suivant : ajouter le prix h.t. à 0.186 fois le prix h.t.. Ainsi, l’expression
ci-dessous exprime le prix ttc d’un article de prix h.t. égal à FF.167 :
# 167. +. 0.186*.167. ;;
-:float= 198.062
c IFSIC 1999
°
38
Fonctions
Si maintenant on veut le prix ttc d’un article à FF.7.85 h.t., il faut écrire
la phrase expression suivante :
# 7.85 +. 0.186*.7.85 ;;
-:float = 9.3101
et de même chaque fois que l’on veut faire calculer à la machine CAML un
prix ttc. Or, on remarque tout de suite que les deux expressions ci-dessus ne
diffèrent que par la valeur du prix h.t., à savoir le flottant 167.0 dans le premier cas, le flottant 7.85 dans le deuxième. En fait, chacune de ces expressions
exprime l’application de l’algorithme de calcul du prix ttc à une valeur particulière. C’est pourquoi la possibilité d’abstraire cette valeur particulière du
contexte, en exprimant l’algorithme lui-même plutôt que son application à une
valeur particulière, constitue un outil indispensable pour faire de la machine
CAML autre chose qu’une simple calculette 1 .
Dans cet exemple, l’algorithme de calcul du prix ttc, décrit informellement
plus haut, peut être exprimé, dans le langage CAML, en définissant un nom
(pttc 186 dans notre exemple) suivi d’un identificateur (x dans notre exemple).
Cet identificateur fait abstraction (ou représente) la valeur du prix h.t. x
s’appelle un argument formel de la fonction . La phrase ci-dessous exprime
une telle définition :
# let pttc 186 x =
x +. 0.186*.x ;;
pttc 186:float -> float =<fun>
On peut alors appliquer cette fonction (c’est-à-dire lancer un processus
d’exécution de l’algorithme correspondant) à toute valeur particulière de type
float, ou même à toute expression pourvu qu’elle soit évaluable en une valeur
de type float :
# pttc 186 167. ;; (* argument effectif : 167.0 *)
-:float = 198.062
# pttc 186 167 ;; (* argument effectif : 167 *)
> Toplevel input:
>pttc 186 167;;
>
ˆˆˆ
> Expression of type int
> cannot be used with type float
# pttc 186 7.85 ;; (* argument effectif : 7.85 *)
-:float = 9.3101
1. une calculette est une machine munie d’un ensemble de fonctions défini une fois pour
toutes.
c IFSIC 1999
°
4.1. Fonctions et algorithmes
39
# pttc 186 (34.0/.5.4 +.78.65) ;; (* argument effectif 34.0/.5.4 +.78.65 *)
-:float = 100.746307407
4.1.2
Définition
Une valeur de type fonction, encore appelée valeur fonctionnelle, est une
règle de correspondance qui associe à chaque valeur d’un type t1 une valeur
d’un type t2 . Une telle valeur exprime donc la notion mathématique de fonction. En mathématique on écrira, par exemple :
successeur : N → N
n 7→ n + 1
et on dira : “successeur est la fonction qui, à tout nombre entier désigné par n,
fait correspondre le nombre entier calculé par l’expression n+1 ”. La “valeur”
de cette fonction est donc la règle de correspondance exprimée par l’écriture
n 7→ n + 1. L’identificateur successeur constitue le nom de cette fonction.
En CAML la définition d’une fonction est composée d’un nom (identificateur) suivi d’un (ou plusieurs) arguments, et d’une expression de définition:
# let successeur n = n+1 ;;
successeur:int-> int = <fun>
Si l’on examine la réponse de la machine CAML on constate que :
1. l’indication du type de valeur utilise le constructeur de type ->. Ici, int>int nous indique qu’il s’agit d’une valeur appartenant au type des
fonctions “entiers vers entiers”.
2. la machine ne nous indique pas explicitement la valeur puisque celle-ci
exprime en fait un algorithme (règle de correspondance). L’indication
<fun> indique seulement qu’il s’agit d’une valeur fonctionnelle.
Les constructions de valeurs et de types peuvent être combinées entre elles,
par exemple en construisant un couple de fonctions :
# (successeur, pttc 186) ;;
-:(int-> int)*(float-> float) = <fun>, <fun>
ou en construisant une fonction à résultat de type couple :
# let succ et pred n = (n + 1, n - 1) ;;
-:int-> (int*int) = <fun>
De même, une fonction peut avoir un résultat de type fonctionnel (voir le
paragraphe 4.3),
c IFSIC 1999
°
40
Fonctions
ou un argument de type fonctionnel :
# let accroissement un f =
(f 1) - (f 0) ;;
accroissement un:(int -> int) -> int
Cette fonction fait correspondre, à une fonction entiers vers entiers, la différence
entre les deux valeurs f(1) et f(0):
# accroissement un successeur ;;
-:int = 1
# let f n = 3*n-2 in accroissement un f ;;
-:int=3
De nombreux exemples de combinaison de types seront ainsi rencontrés dans
les chapitres suivants.
4.2
Contexte local d’une fonction
La syntaxe générale d’une définition de fonction est donc la suivante :
let ident fonction ident arg =
expression def
où ident fonction et ident arg sont des identificateurs, dénotant respectivement la fonction et l’argument formel de cette fonction, et expression def une
expression appelée expression de définition de la fonction. Une telle définition
introduit dans le contexte une valeur fonctionnelle ayant un type fonctionnel
Contrairement aux types vus jusqu’à présent (types simples, types t-uples),
une valeur de type fonctionnel exprime un algorithme, et elle contient un
contexte, appelé contexte local de la fonction. En effet, dans la phrase de
définition ci-dessus, l’identificateur ident arg est lié dans l’expression de définition,
mais son type et sa valeur ne sont pas connus a priori. Tout se passe comme
si la définition locale suivante était effectuée (où ? signifie que la valeur n’est
pas connue):
let ident arg=? in expression def
Ainsi, le contexte local de la valeur fonctionnelle nommée successeur et définie
par
let successeur n = n + 1 ;;
comporte la liaison locale n ~?. Autrement dit, l’argument formel n est lié dans
l’expression de définition n+1. C’est la raison pour laquelle une telle expression
est correcte dans une phrase, car dans l’expression de définition n+1 tous les
identificateurs sont liés. Le fait que la valeur de n ne soit pas connue n’est
c IFSIC 1999
°
4.3. Fonctions à plusieurs arguments
41
pas important car l’évaluation de la valeur fonctionnelle nommée successeur
n’implique pas l’évaluation de l’expression de définition n+1. Par contre, le
fait que n soit lié montre que cette dernière expression pourra être effectivement évaluée lorsque l’identificateur n sera associé à une valeur effective, dans
une expression d’application de fonction par exemple (ce point sera revu au
chapitre 5, section 5.3)
Remarque: la discussion qui précède montre que l’identification d’un argument formel n’a aucune importance : les deux phrases
let successeur n = n + 1 ;;
et
let successeur p = p + 1 ;;
définissent exactement la même valeur fonctionnelle 2 . Dans la première expression, l’argument formel n est lié dans l’expression de définition n + 1. Dans la
deuxième expression, l’argument formel p est lié dans l’expression de définition
p + 1. Par contre, la phrase
let f n = p + 1
définit une autre valeur fonctionnelle, car l’identificateur p n’est pas lié dans
le contexte local n ~? de la valeur fonctionnelle. Plusieurs situations sont alors
possibles :
1. Si p est déjà lié à une valeur de type int dans le contexte lorsque la
définition de la valeur fonctionnelle f est rencontrée, alors f dénote une
fonction constante : la correspondance qui, à toute valeur de n, associe
la valeur entière de l’expression de définition p + 1, indépendante de n.
2. Si p est déjà liée dans le contexte, mais à une valeur d’un type autre que
int, l’expression de définition p+1 est incohérente, donc inévaluable.
3. Si p n’est pas liée dans le contexte, l’expression de définition p+1 n’est
pas évaluable.
4.3
4.3.1
Fonctions à plusieurs arguments
Fonctions à deux arguments
Reprenons l’exemple du calcul du prix ttc. Nous venons de voir comment
faire abstraction du prix h.t. dans le calcul du prix ttc lorsque le taux de tva est
fixé à la valeur particulière 18.6%. Supposons maintenant que nous voulions
exprimer le même calcul, mais avec un taux de tva différent, par exemple 5.5%.
2. ce phénomène n’est pas unique : on le rencontre aussi, par exemple dans le cadre des
fractions où deux notations telles que 12 et 48 dénotent la même valeur.
c IFSIC 1999
°
42
Fonctions
Nous pouvons définir une autre fonction, à savoir la fonction de calcul du prix
ttc des articles soumis à la tva 5.5% :
# let pttc 55 x =
x +. 0.055*.x ;;
pttc 55:float -> float = <fun>
Ainsi, à la valeur de type float 0.186 correspond une fonction de type float
->float (identifiée par pttc 186), à la valeur de type float 0.055 correspond une autre fonction de type float ->float (identifiée par pttc 55). Plus
généralement, à chaque valeur taux de type float, représentant un taux de
tva, on peut faire correspondre une fonction de type float ->float, exprimant l’algorithme de calcul du prix ttc des articles soumis à la tva de taux
taux. En faisant abstraction des valeurs particulières de taux de tva, on définit
une fonction qui, à une valeur de type float (le taux de tva) fait correspondre
une fonction de type float ->float (la fonction de calcul du prix ttc pour ce
taux de tva). Une telle fonction est donc une entité de type float ->(float
->float). Il s’agit là d’un exemple de fonction dont le résultat est de type
fonctionnel.
La machine CAML va confirmer cette analyse, comme le montre la définition
de la fonction pttc ci-dessous :
# let pttc taux x =
x +. taux*.x ;;
pttc:float -> float -> float = <fun>
Dans sa réponse, la machine CAML ne met pas de parenthèses dans l’expression de type de pttc: le constructeur de type -> est associatif à droite, ce qui
signifie tout simplement que le parenthésage suivant est implicite :
float ->float ->float signifie float ->(float ->float)
et, plus généralement :
t1 ->t2 ->...->tn signifie t1 ->(t2 ->(...->tn) ...).
Les fonctions pttc 186 ou pttc 55 définies plus haut peuvent être définies
comme des applications de la fonction pttc à des valeurs particulières de l’argument formel taux :
# let pttc 186 = pttc 0.186 ;;
pttc 186:float-> float = <fun>
# pttc 186 167. ;;
-:float = 198.062
résultat que l’on pourrait obtenir directement sans passer par l’identificateur intermédiaire pttc 186 :
# pttc 0.186 167. ;; (* signifiant (pttc 0.186) 167. *)
-:float = 198.062
c IFSIC 1999
°
4.3. Fonctions à plusieurs arguments
43
# let pttc 55 = pttc 0.055 ;;
pttc 55:float -> float = <fun>
# pttc 55 167. ;;
-:float= 176.185
La fonction pttc que nous venons de définir est bien une fonction à un
argument (de type float), dont le résultat est une fonction, elle même à un
argument de type float et à résultat de type float. En fait, la fonction pttc
peut aussi être vue, conceptuellement, comme une fonction à deux arguments
de type float et à résultat de type float, puisque l’expression finale exprimant
l’algorithme de calcul : x +. taux*.x, dépend de deux “paramètres”, à savoir
le taux de tva taux et le prix h.t. x. Lorsque l’on “fixe” le premier des deux
arguments (en l’occurrence le taux de tva taux), on obtient une fonction à un
argument, c’est-à-dire dans laquelle l’expression finale exprimant le résultat
ne dépend plus que d’un paramètre, le prix hors taxe x.
Cette vision de la fonction pttc comme fonction à deux arguments est
manifeste dans une expression comme pttc 0.186 167. où, pour obtenir un
résultat du type primitif float, il faut former une expression comportant
l’identificateur de la fonction suivi de deux expressions (deux arguments effectifs). Toutefois, comme nous venons de le voir, il est possible de ne fournir
qu’un seul argument effectif, et dans ce cas, le résultat est une fonction.
4.3.2
Fonctions à t arguments ou à un argument t-uple
Les constructions fonctionnelles du paragraphe 4.3 peuvent évidemment
être généralisées à un nombre quelconque d’arguments. Par exemple, la fonction ci-dessous délivre le maximum de 3 nombres réels, à partir du maximum
de deux nombres réels :
# let max2 x y = if
x>=.y then x else y ;;
max2: float -> float -> float = <fun>
# let max3 x y z = max2 (max2 x y) z ;;
max3:float -> float -> float -> float
et on pourrait tout aussi bien obtenir le maximum de 4 nombres :
# let max4
x y
z
t =
max2 (max2 x y) (max2 z t) ;;
max4:float -> float -> float -> float -> float = <fun>
Une autre manière de définir les fonctions max2, max3, max4 serait de les
considérer comme des fonctions à un seul argument, de type respectif couple
(2-uple), triplet (3-uple), quadruplet (4-uple) :
c IFSIC 1999
°
44
Fonctions
# let maxi2 (x, y) =
x else y ;;
if x>=.y then
maxi2:(float*float) -> float =<fun>
# let maxi3 (x, y, z) =
maxi2 ((maxi2(x, y), z) ;;
maxi3:(float*float*float) -> float
# let maxi4
(x, y, z, t) = maxi2((maxi2(x,y)), maxi2(z,t)) ;;
maxi4:(float*float*float*float) -> float
La différence entre les deux fonctions max2 et maxi2, par exemple, ne réside
pas dans l’algorithme lui-même (l’expression de définition est identique) mais
essentiellement dans le typage. La première, max2, est une fonction à un argument de type float et à résultat fonctionnel - pouvant aussi être vue comme
une fonction à deux arguments de type float et à résultat de type float,
tandis que la seconde, maxi2, est une fonction à un seul argument de type
couple float*float, et à résultat non fonctionnel. Cette différence de typage
se fait évidemment sentir dans la forme des expressions utilisant ces fonctions,
comme on le voit en comparant les expressions de définition des deux fonctions
max3 et maxi3 ou max4 et maxi4.
Nous n’insisterons pas ici sur les subtilités “conceptuelles” de ces deux
formes, signalant seulement que l’on peut facilement définir l’une des deux
fonctions à partir de l’autre :
(* max2 étant définie : *)
# let maxi2 (x, y) = max2 x y ;;
maxi2:(float*float) -> float = <fun>
(* maxi2 étant définie : *)
# let max2 x y = maxi2(x, y) ;;
max2:float -> float -> float = <fun>
Pour la “culture”, indiquons que la forme à résultat fonctionnel (comme
max2) est appelée la forme curryfiée de la forme à résultat non fonctionnel
(comme maxi2), l’adjectif curryfié étant dérivé du nom du logicien Haskell
CURRY, qui a étudié l’équivalence de ces formes fonctionnelles.
Nous avons finalement le schéma syntaxique suivant (figure 4.1 complétant
la partie définition du schéma de la figure 3.6.
c IFSIC 1999
°
4.4. Valeurs fonctionnelles anonymes
45
définition :
let
=
identificateur
expression
and
Fig. 4.1 – Phrase définition
4.4
Valeurs fonctionnelles anonymes
Aux paragraphes précédents, nous avons défini des valeurs fonctionnelles
nommées, avec une syntaxe de la forme :
let ident arg 1 arg 2 ... arg n = expression
Il existe aussi un constructeur de valeur, permettant de dénoter directement une valeur fonctionnelle (c’est à dire sans lui donner de nom). Nous
avons déjà signalé cette possibilité pour d’autres types, par exemple les types
t-uples :
(1,‘1‘,’’1’’) est une notation de valeur 3-uple (de type int*char*string),
qui utilise des notations de valeur de base et le constructeur de valeur ,.
[1; 2; 3] est une notation de valeur de liste (de type int list), qui utilise
des notations de valeur de base et les constructeurs de valeur [];. Dans ces
deux exemples, les valeurs ainsi construites sont anonymes.
En ce qui concerne les valeurs fonctionnelles, le constructeur de valeur
s’appelle function et utilise le symbole ->:
# function n -> n+1 ;;
-:int-> int = <fun>
Si l’on examine la réponse de la machine CAML on constate qu’il n’y a pas
de nom (la phrase est une expression, composée d’une simple valeur).
Une valeur fonctionnelle à n arguments pourra alors être dénotée comme
une valeur fonctionnelle à un argument, et dont l’argument est lui-même une
valeur fonctionnelle à n − 1 arguments :
c IFSIC 1999
°
46
Fonctions
# function x -> function y ->
if x>=.y then x else y ;;
- : float -> float -> float = <fun>
L’utilisation de valeurs fonctionnelles anonymes peut s’avérer utile lorsque
l’on veut utiliser une telle valeur comme argument effectif dans une expression d’application de fonction ayant des arguments de type fonctionnel. Par
exemple, la fonction map (prédéfinie) prend en argument une fonction f et une
liste l, et rend la liste obtenue en appliquant la fonction f à tous les éléments de
la liste l. Un exemple d’utilisation de la fonction map est le suivant : produire,
à partir d’une liste de chaı̂nes de caractères non vides, la liste des premiers caractères de chaque chaı̂ne. La fonction f est alors la fonction qui, à une chaı̂ne
non vide ch fait correspondre le premier caractère de cette chaı̂ne. Si une telle
fonction n’existe pas encore dans le contexte, on peut utiliser directement la
valeur fonctionnelle correspondante, ce qui donne l’expression:
map (function ch ->nth char ch 0) l
Exemple:
let premier char l = map (function ch -> nth char ch 0) l ;;
premier char: string list -> char list = <fun>
premier char [‘‘Diplome’’; ‘‘Enseignement’’; ‘‘Superieur’’ ; ‘‘Specialise’’];;
- : char list = [‘D‘; ‘E‘ ; ‘S‘ ; ‘S‘]
La notation de valeur fonctionnelle peut être utilisée pour définir une fonction (nommée), selon la syntaxe standard d’une phrase de définition :
# let successeur = function n -> n+1 ;;
- successeur : int -> int = <fun>
Mais il est plus simple d’utiliser la syntaxe déjà introduite au début de ce
chapitre, qui constitue en fait un “raccourci” d’écriture :
# let successeur n = n+1 ;;
- successeur : int -> int = <fun>
Cette simplification est encore plus manifeste pour les fonctions à “plusieurs” arguments :
# let pttc = function taux -> function x -> x +. taux*.x ;;
pttc:float -> float -> float =<fun>
que l’on aurait pu aussi bien définir par la forme syntaxique “mixte” :
# let pttc taux = function x ->
x +. taux*.x;;
pttc:float -> float -> float =<fun>
c IFSIC 1999
°
4.5. La construction match ... with : définitions par cas
47
ou par la forme syntaxique concise:
# let pttc taux x =
x +. taux*.x;;
pttc:float -> float -> float =<fun>
4.5
La construction match ... with : définitions par
cas
4.5.1
Un exemple
Nous avons vu plusieurs exemples de fonctions dont l’expression de définition
est conditionnelle. Une expression conditionnelle est en fait un cas particulier
d’expression plus générale, appelée expression filtrée. Prenons tout de suite
un exemple : soit la fonction litt of num qui, étant donné un entier (compris
entre 1 et 12), délivre la chaı̂ne exprimant le mois correspondant, en toutes
lettres. Une première solution aurait l’allure suivante :
let litt of num n =
if n=1 then "janvier"
else if n=2 then "fevrier"
else if n=3 then "mars"
...
else if n=12 then "decembre"
else "pas de treizième mois..." ;;
La construction match ... with permet une définition plus concise, analogue à la construction par cas que l’on trouve dans beaucoup de langages de
programmation :
let litt of num n = match n with
1 -> "janvier"
| 2 -> "fevrier"
| 3 -> "mars"
| 4 -> "avril"
| 5 -> "mai"
| 6 -> "juin"
| 7 -> "juillet"
| 8 -> "aout"
| 9 -> "septembre"
| 10-> "octobre"
| 11-> "novembre"
| 12-> "decembre"
c IFSIC 1999
°
48
Fonctions
| -> "pas de treizieme mois" ;;
litt of num:int -> string = <fun>
La sémantique de la construction match ... with est simple : les valeurs possibles de l’argument entier de la fonction sont “filtrées” en fonction d’une
séquence de valeurs possibles. Chaque cas est séparé du suivant par le symbole | (alternative). Dans l’exemple précédent, les valeurs possibles sont :
1. les notations de valeurs entières (constantes 1, 2, ..., 12),
2. le symbole (souligné)
Les premières ne “filtrent” que la valeur qu’elles dénotent (1 ne filtre que la valeur 1), tandis que le symbole filtre n’importe quelle valeur. Ainsi, la définition
de la fonction s’interprète comme suit : lors de l’évaluation de litt of num n,
si n est compris entre 1 et 12, la constante dénotant la valeur n) permet de
trouver le cas correspondant. Sinon, aucun des 12 premiers cas ne convient, et
on arrive au dernier (symbole ). Celui-ci convient, puisqu’il filtre tout. Cela
correspond donc au else final, qui exprime le “dans tous les autres cas...”.
Souvent, les définitions par cas sont plus claires, elles peuvent aussi être
plus concises. En fait, la notion de filtre ne se limite pas à une simple définition
par cas avec des valeurs de type simple. C’est une notion beaucoup plus riche,
mais que l’on ne retrouve pas dans les autres langages qui seront étudiés dans
nos cours de programmation (pascal, Eiffel, C, etc.). Pour cette raison, nous
limiterons ici son utilisation à des cas simples comme dans l’exemple ci-dessus.
Les lecteurs intéressés peuvent se reporter aux compléments sur le langage
CAML, présentés en Annexe (voir A.1pour une présentation plus complète de
la notion de filtre).
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Chapitre 5
Typage et évaluation
5.1
Expressions “application de fonctions”
Nous avons vu, au chapitre 3, la notion d’expression et, parmi les expressions, celles qui sont de la forme application d’entités fonctionnelles. Mais,
parmi ces dernières, seules des expressions contenant des entités fonctionnelles de nature “opérateurs” :arithmétiques (+, -, *, /) , de comparaison
(<, >, <=, >=, =, <>), logiques (not, &, or), de concaténation (^), etc. ont
été définies.
Par exemple, une expression telle que 5+3 est une application de l’entité
fonctionnelle + au x deux expressions 5 et 3. Ces deux expressions constituent les arguments effectifs de la fonction + dans l’expression 5+3. Les expressions d’application de telles entités fonctionnelles obéissent à une syntaxe
particulière, puisque les arguments effectifs des opérateurs figurent de part et
d’autre de l’identificateur d’opérateur : on dit alors qu’il s’agit d’une notation
infixe ou symétrique (voir troisième ligne du schéma syntaxique de la figure
3.6).
Les fonctions qui ne rentrent pas dans la catégorie des “opérateurs” peuvent
aussi être utilisées dans des expressions de nature application d’entités fonctionnelles. Dans ce cas, la syntaxe correspond à la notation préfixe, dans laquelle la fonction appliquée (dénotée directement par sa valeur ou par son identificateur) précède son (ou ses) argument(s) effectif(s). La phrase ci-dessous,
par exemple, est une expression de cette nature :
# ( function n ->
n+1) 4 ; ;
- :int=5
Il s’agit de l’expression appliquant la valeur fonctionnelle function n ->n+1 à
l’expression 4 ou encore, si la valeur fonctionnelle a été nommée successeur :
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50
Typage et évaluation
# successeur 4 ; ;
- :int=5
Dans chacun de ces deux exemples, l’argument effectif de la fonction dans
l’expression est l’expression 4. Mais, comme l’indique le schéma syntaxique
des expressions (quatrième ligne de la figure 3.6) un argument effectif de fonction dans une expression peut être une expression de n’importe quelle nature.
Considérons par exemple, la phrase ci- dessous :
# successeur (( function x ->
x*x) 3) ; ;
- :int = 10
C’est une expression appliquant la fonction successeur, déjà définie, à l’argument effectif d’expression (function x ->x*x) 3 qui, elle-même, est l’expression d’application de la fonction (anonyme) function x ->x*x à l’argument
effectif d’expression 3.
Cette dernière fonction aurait pu être nommée, soit par une définition au
niveau 0, soit par une définition locale comme ci- dessous :
# let carre x = x*x in successeur(carre 3) ; ;
- :int=10
Notons que tout opérateur peut être transformé en une fonction “préfixe”
grâce au mot-clef prefix:
# + ;;
Syntax error (* la machine voit cette phrase comme une expression mal formée *)
# prefix + ;;
- :int -> int -> int = <fun>
# 1+1 ;;
- :int = 2
# prefix + 1 1 ;;
- :int = 2
Les deux sections qui suivent rappellent et complètent les règles de typage et
le fonctionnement des processus d’évaluation des expressions.
5.2
Typage des expressions
Dans ce paragraphe, nous rappelons et complétons les règles permettant
de déterminer la cohérence et le type d’une expression, déjà abordées, au chapitre 3. Rappelons que tous les identificateurs intervenant dans une expression
doivent être présents dans le contexte, avec une valeur et un type (a priori
inconnus dans le cas d’un argument formel).
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5.2. Typage des expressions
5.2.1
51
Expression dont tous les composants ont un type connu
– L’expression est une valeur : son type est celui auquel appartient la valeur,
– L’expression est un identificateur lié dans le contexte : son type est celui
indiqué dans la première liaison de cet identificateur trouvée dans le
contexte,
– L’expression est une application de fonction : soit f e1 e2 ...ep une
expression, où f est une expression de type t1 -> t2 -> . . . -> tn -> tres , e1
une expression de type t1 , . . . ,ep une expression de type tp , et p ≤ n.
Alors, l’expression f e1 e2 ...ep est de type tp+1 ->. . . -> tn -> tres .
– L’expression est conditionnelle : if expr then e1 else e2; si expr a le
type booléen et les deux expressions e1 et e2 ont le même type t alors
l’expression a le type t
– dans les autres cas, il y a erreur de typage (signalée par le compilateur)
Exemples La fonction char for read : char ->string est prédéfinie et transforme un caractère en la chaı̂ne constituée de ce caractère. L’expression char for read
‘a‘ est l’application de l’expression char for read de type char ->string à
l’expression ‘a‘, de type char. Elle est donc de type string :
# char for read ‘a‘ ;;
-:string = ”a”
Nous avons déjà rencontré, au chapitre précédent, les deux fonctions prédéfinies
string length: string ->int et nth char: string ->int ->char.
Déterminons le type de l’expression
let ch="azerty" in char for read (nth char ch (string length ch -1)). Elle
est de la forme
let ch = "azerty" in e1, avec
e1 = char for read e2,
e2 = nth char e3 e4,
e3 = ch,
e4=string length e3 -1.
Comme ch est lié à la valeur "azerty", on a :
e3 : string puis string length : string ->int, e3 : string d’où
e4 = string length e3 - 1 : int; comme
nth char: string ->int ->char, e3: string, e4: int on a e2 = nth char
e3 e4 : char; enfin, comme
char for read : char ->string, e2 : char, on a e1 = char for read e2 : string.
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52
Typage et évaluation
# let ch="azerty" in char for read(nth char ch (string length ch -1)) ;;
-:string : ”y”
5.2.2
Typage d’une valeur fonctionnelle : synthèse de type
Lorsqu’on exprime une valeur fonctionnelle, l’expression fournie à la machine n’indique nulle part quel est le type des arguments ni le type du résultat
de la fonction. Le mécanisme décrit à la section précédente ne s’applique donc
plus, puisque certains composants de l’expression, à savoir les identificateurs
d’arguments formels, ont un type a priori inconnu. Dans ce cas, c’est la machine CAML qui détermine le type de la valeur fonctionnelle ainsi exprimée.
Considérons par exemple l’expression de définition de la fonction max2,
donnée au chapitre précédent :
let max2 x y = if x>=.y then x else y ;;
La phrase de définition ne comporte aucune indication explicite sur le type
des deux arguments, ni sur celui du résultat. Or la machine nous fournit le
type fonctionnel de max2 dans sa réponse, en l’occurrence le fait que les deux
arguments doivent être de type float et que le résultat est de type float. La
machine CAML a donc effectué un calcul de type, appelé encore synthèse de
type.
Sans entrer dans les détails, indiquons que l’algorithme de synthèse de
type utilisé par la machine est basé sur les règles de typage vues à la section
précédente. C’est à partir de l’expression de définition et des informations
de types déjà présentes dans le contexte que la machine CAML essaye de
déterminer le type que doit avoir chaque argument formel pour que cette expression soit cohérente. L’expression de définition de la fonction max2 contient
les deux identificateurs x et y, liés aux deux arguments formels et dont le type
est a priori inconnu; l’expression contient aussi la valeur fonctionnelle >=.,
connue de la machine CAML comme opérateur infixe s’appliquant à deux arguments de type float. Par conséquent, la cohérence de l’expression de définition
contraint x et y à être de type float. De plus, cette contrainte n’est contredite par aucune autre dans l’expression de définition. Enfin, le résultat de la
fonction étant soit x soit y, il n’y a pas de conflit puisque tous deux sont de
même type (float). Ainsi, la machine peut conclure et fournir sa réponse :
max2: float ->float ->float = <fun>
Donnons d’autres exemples. La fonction prédéfinie
string length: string ->int délivre la longueur de son argument, et la
fonction prédéfinie
nth char: string ->int ->char est telle que nth char ch n = caractère
de rang n de la chaı̂ne ch (le premier est de rang 0) :
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5.2. Typage des expressions
53
# string length "bonjour" ;;
- : int = 7
# nth char "bonjour" 1 ;;
- : char = ‘o‘
(les deux identificateurs string length et nth char sont automatiquement introduits dans le contexte à l’ouverture d’une session).
Définissons une fonction qui délivre le dernier caractère d’une chaı̂ne non
vide. Puisque le premier caractère est de rang 0, le dernier est de rang l-1,
où l est la longueur de la chaı̂ne. La première version donnée ci-dessous ne
fait aucun test sur la vacuité de la chaı̂ne, cette précondition étant supposée
vérifiée.
# let dernier ch = nth char ch (string length ch -1) ;;
dernier:string -> char = <fun>
Détaillons le calcul des types. La valeur dernier est suivie d’un argument
formel, elle est donc de type X ->Y, où X et Y sont des inconnues de types. Les
équations suivantes doivent être vérifiées :
(1)
ch : X
(2)
nth char ch (string length ch -1) : Y
Examen de l’expression de définition: le contexte indique nth char: string
->int ->char. L’identificateur nth char est suivi de l’expression réduite à
l’identificateur ch, puis de l’expression string length ch -1. Par conséquent,
la cohérence de l’expression n’est possible que si les deux équations suivantes
sont vérifiées :
(3)
ch : string
(4)
string length ch -1 : int
(1) et (3) impliquent X = string. De plus, le contexte indique string length :
string ->int ce qui, avec l’équation (3) implique string length ch : int d’où
string length ch -1 : int; l’équation (4) est donc vérifiée. Reportant ces informations dans l’équation (2), on trouve que nth char ch (string length ch
-1) : char =Y. La détermination des types X et Y est donc possible et complète,
d’où la réponse de la machine : dernier : string ->char .
5.2.3
Polymorphisme de type
Certaines expressions de définitions de fonctions sont écrites de telle sorte
que leur type ne peut pas être déterminé par le mécanisme de synthèse de
type. Considérons par exemple le cas de la fonction identité qui, à toute valeur
fait correspondre la même valeur:
# let identite x = x ;;
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54
Typage et évaluation
identite: quelle va être la réponse?
L’algorithme de synthèse de type pose que :
identité : X ->Y
x: X
x: Y
La seule contrainte qui en résulte est donc X = Y, ce qui est insuffisant pour
déterminer X (ou Y). La machine va donc répondre en notant le type indéterminé
’a:
identite : ’a -> ’a = <fun>
On dit que ’a est un paramètre de type, et que la fonction identite est de type
fonctionnel polymorphe.
Essayons maintenant cette fonction avec différents types d’arguments:
# identite 3 ;;
- : int = 3 (* ’a est spécialisé par int *)
# identite true ;;
- : bool = true (* ’a est spécialisé par bool *)
# identite "identite" ;;
- : string = ”identite” (* ’a est spécialisé par string *)
# identite nth char ;;
- : string -> int -> char = <fun> (* ’a est spécialisé par le type fonctionnel
string -> int -> char *)
Dans la suite, notamment avec les types construits t-uples et listes nous
rencontrerons d’autres fonctions polymorphes. Par exemple, les deux fonctions
suivantes (prédéfinies) permettant d’extraire respectivement la première et la
seconde composante d’un doublet, sont polymorphes :
# let fst (x,y) = x ;;
fst : ’a -> ’b -> ’a = <fun>
# let snd (x,y) = y ;;
snd : ’a -> ’b -> ’b = <fun>
# fst (‘a‘, true) ;;
- : char = ‘a‘
# snd ("hello", ["bonjour"; "ciao"]) ;;
- : string list = [”bonjour”; ”ciao”]
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5.2. Typage des expressions
5.2.4
55
Première approche des mécanismes d’exceptions
Reprenons l’exemple de la fonction dernier, étudié ci-dessus (§5.2.2). Supposons maintenant que l’on veuille écrire une version contrôlant la vacuité de
la chaı̂ne ch, dernier étant déjà définie comme nous venons de le faire :
# let dernier avec controle ch =
if ch <>"" then dernier ch
else "erreur : chaine vide" ;;
> Toplevel input:
> if ch<>”” then dernier ch
>
ˆˆˆˆˆˆˆ
> Expression of type string - > char
> cannot be used with type string - > string
Ici, le typage de l’expression de définition – et donc de l’identificateur dernier avec controle – échoue. En effet, dernier avec controle : X ->Y, avec
les deux équations :
ch : X
expr def : Y, où expr def est l’expression de définition.
Dans cette expression conditionnelle, la clause then est formée de l’expression
dernier ch; le contexte indique que dernier : string ->char, et donc, ch :
string, d’où X = string, et dernier ch : char. Ceci implique
X = string
Y = char (5)
La clause else est formée de l’expression "erreur : chaine vide" qui est une
notation de valeur de type string. Ceci implique
Y = string (6)
Les deux équations (5) et (6) sont donc incompatibles, et le système d’équations
de type n’a pas de solution.
Pour remédier à cette situation, il faudrait donc que l’expression dans
la clause else soit aussi de type char. Mais alors, quelle valeur de caractère
délivrer? Logiquement, aucune valeur ne convient, car il est absurde de vouloir
définir le dernier caractère d’une chaı̂ne n’ayant aucun caractère! On pourrait
convenir à l’avance d’une valeur “bidon” qui serait rendue lorsque la chaı̂ne
est vide, comme dans l’exemple ci-dessous:
# let dernier avec controle ch =
if ch <>"" then dernier ch
else ‘$‘;;
dernier avec controle:char -> char=<fun>
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56
Typage et évaluation
Mais c’est une très mauvaise solution, à plusieurs titres :
1. elle oblige tous les utilisateurs potentiels de cette fonction à se mettre
d’accord sur une telle valeur (ici ‘$‘)
2. elle oblige ensuite les utilisateurs à programmer un test pour capter le
cas où l’application de la fonction donnerait la valeur “bidon” ‘$‘
3. enfin, les deux expressions dernier "" et dernier "cout : 25$" donneront le même résultat ‘$‘!
Malheureusement, beaucoup trop de programmes utilisent ce genre d’artifices,
qui reviennent à traiter un cas d’exception comme un cas normal et donc à
créer des confusions parfois difficiles à débrouiller par la suite, et contraire à
la qualité des programmes. Les langages “modernes”, et notamment CAML,
offrent une solution claire à ce type de problème, grâce aux mécanismes d’exceptions.
Pour l’instant, notons que l’on peut utiliser la fonction prédéfinie failwith,
qui prend un argument de type string, et rend un résultat d’un type spécial,
appelé exception, compatible avec n’importe que autre type :
# let dernier avec controle ch =
if ch <>"" then dernier ch
else failwith "erreur : chaine vide";;
dernier avec controle:string -> char=<fun>
Le typage de la valeur fonctionnelle dernier avec controle a donc réussi, sans
utiliser de valeur “bidon”, et de plus, toute tentative d’utilisation de cette
fonction avec une chaı̂ne vide va faire échouer le processus d’évaluation avec
indication de la cause d’échec, ce qui est bien l’effet souhaité :
# dernier avec controle "" ;;
Uncaught exception: Failure ”erreur : chaine vide”
# dernier avec controle "cout : 25$" ;;
-:char = ‘$‘
5.2.5
Exemple récapitulatif : tête et reste d’une liste non vide.
Nous voulons définir deux fonctions, délivrant respectivement la tête et le
reste d’une liste quelconque. Il est clair que de telles fonctions doivent être
polymorphes, puisque leur définition est indépendante du type de base de la
liste. De plus, elles ne sont pas définies sur les listes vides, donc elles doivent
contenir des cas d’exceptions. Enfin, leur définition n’est possible que par
filtrage, permettant l’identification des identificateurs du filtre avec les valeurs
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5.3. Processus d’évaluation des expressions
57
des arguments 1 . On obtient :
# let tete = function
[] -> failwith("liste vide")
| x :: r -> x ;;
tete : ’a list -> ’a = <fun>
# let reste = function
[] -> failwith("liste vide")
| x :: r -> r ;;
tete : ’a list -> ’a list = <fun>
A noter que les deux fonctions prédéfinies hd (pour head) et tl (pour tail)
sont synonymes des deux fonctions que nous venons de définir.
5.3
Processus d’évaluation des expressions
Dans cette partie nous rappelons et complétons le fonctionnement du processus d’évaluation d’une expression, basé sur le modèle par substitution déjà
abordé dans la sections 3.2.2. Une expression générale est de la forme:
f e1 e2 . . . ep
où f est une expression du type t1 -> t2 -> . . . -> tn -> tres , e1 est une
expression de type t1 , . . ., ep est un e expression de type tp et p ≤ n.
Dans un contexte où l’évaluation est possible (tous les identificateurs sont
liés et le typage est correct) le processus est le suivant:
Soit C le contexte existant au début de l’évaluation.
1. Les expressions e1 , . . . ,ep sont évaluées dans le contexte C (l’ordre dans
lequel elles sont évaluées est indifférent : ces expressions sont logiquement
indépendantes). Soit v1 , . . . ,vp la désignation des valeurs obtenues. Le
contexte C est le même qu’au début du processus.
2. L’expression f est évaluée dans le contexte C . Le résultat de cette
évaluation est une valeur fonctionnelle de la forme
function arg1 ->function arg2 -> . . . function argn ->expr def
et elle contient un contexte local
[arg1 ˜?; arg2 ˜?; . . . ; argn ˜?] .
3. L’expression de définition expr def est transformée de la manière suivante:
(a) Tous les identificateurs apparaissant dans expr def sont liés dans l
e contexte local de f ou dans le contexte C .
1. Si vous n’êtes pas convaincu(e) du bien-fondé de la définition par filtrage, essayez donc
de définir ces fonctions avec des conditionnelles (if ... then ... else) . Si vous trouvez,
envoyez un mail à [email protected]
c IFSIC 1999
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58
Typage et évaluation
(b) Les identificateurs autres que arg1 , . . . ,argp ,argp+1 , . . . ,argn sont
remplacés par leur valeur dans C .
(c) Les identificateurs arg1 , . . . ,argp (arguments formels ) sont remplacés par les valeurs respectives v1 , . . . ,vp (arguments effectifs) :
c’est la substitution des arguments effectifs aux arguments formels
(remplacement de valeurs inconnues par des valeurs effectives).
(d) Les identificateurs argp+1 , . . . ,argn ne sont pas remplacés.
On obtient ainsi l’expression expr def 2
4. Le résultat final est la valeur fonctionnelle
function argp+1 -> . . . function argn -> expr def 2 , de type tp+1
-> . . . -> tn -> tres , avec le contexte local [argp+1 ˜?; . . . ; argn ˜?] .
5. Les liaisons arg1 ˜ v1 , . . . , argp ˜ vp sont détruites
Remarque Si p = n , tous les arguments formels sont remplacés par des
valeurs effectives, le résultat est une valeur de type tres , évaluation de expr def
dans le contexte [arg1 ˜v1 ?; . . . ; argn ˜vn ; C] .
Exemples
I. Évaluation de l’expression successeur 4 dans le contexte C = [ successeur
˜function n ->n+1 ] .
Cette expression est de la forme f e1 , avec:
f de type int ->int e1 est de type int
1. L’évaluation de e1 donne la valeur v1 = 4 .
2. L’évaluation de f donne la valeur function n ->n+1 avec le contexte
local [ n ~? ]
3. L’expression de définition n+1 est transformée comme suit:
(a) Il n’y a pas d’identificateur autre que arg 1 = n
(b) La substitution de l’argument effectif v1 à l’argument n donne
l’expression 4+1
(c) Ici, p = n = 1
4. Le résultat final est donc la valeur 5, de type tres =int.
5. La liaison n ˜4 est détruite.
II. Évaluation de l’expression pas ((function x ->x*x) 3) dans le contexte
C = [ pas ˜function x ->x+k ; k ˜2; . . .] .
Cette expression est de la forme f e1 , avec:
f de type int ->int et le contexte local [ x ˜? ]
e1 est l’expression (function x ->x*x) 3
1. Évaluation de e1 . Cette expression est de la forme ge2 avec g du type
int ->int et un contexte local [ x ˜? ] , e2 du type int.
(a) L’évaluation de e2 donne la valeur v2 = 3
(b) L’évaluation de g donne la valeur function x ->x*x
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5.3. Processus d’évaluation des expressions
59
(c) Son expression de définition x*x est évaluée dans le contexte [ x
˜3; ... ] , ce qui donne à e1 la valeur v1 = 9 .
(d) La liaison x ˜3 est détruite
2. L’évaluation de f donne la valeur function x ->x+k et le contexte
local [ x ˜? ]
3. Son expression de définition x+k est évaluée dans le contexte [ x ˜9 ; pas
˜ . . . ; k ˜2 ; . . . ] , d’où le résultat de valeur 11.
4. La liaison x ˜9 est détruite.
III. Évaluation de l’expression max2 5. 3.5 dans le contexte C = [ max2 ˜cf.
définition donnée page 43; . . .] .
Cette expression est de la forme f e1 e2 , avec:
f de type float ->float ->float e1 et e2 sont de type float
1. e1 est évaluée v1 = 5.
2. e2 est évaluée v2 = 3.5
3. L’évaluation de f donne la valeur function x -> function y ->expr def,
où expr def est l’expression conditionnelle
if x>=.y then x else y
et le contexte local [ x ˜? ; y ˜? ]
4. L’expression de définition est évaluée dans le contexte [ x ˜5. ; y ˜3.5 ]
ce qui donne la valeur résultat 5.
5. Les liaisons x ˜5. et y ˜3.5 sont détruites
IV. Évaluation de l’expression max2 5. dans le même contexte que l’exemple
précédent.
Cette expression est de la forme f e1 , avec:
f de type float ->float ->float e1 est de type float
1. e1 est évaluée v1 = 5.
2. L’évaluation de f donne la valeur function x -> function y ->expr def,
où expr def est l’expression conditionnelle
if x>=.y then x else y
et le contexte local [ x ˜? ; y ˜? ]
3. L’expression de définition est évaluée dans le contexte [ x ˜5. ; . . .] ce
qui donne l’expression expr def 2:
function y ->if 5.>=.y then 5. else y
qui est une valeur fonctionnelle de type float ->float, avec le contexte
local [ y ˜? ] .
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60
Typage et évaluation
4. La liaison x ˜5. est détruite.
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Chapitre 6
Récursion
6.1
Introduction
La récursion est un mode d’expression permettant d’établir des définitions
faisant référence à elles-mêmes. Par exemple, la définition suivante de la notion
d’ancêtre est récursive : un ancêtre de x est soit un parent de x, soit un ancêtre
d’un parent de x. Cette définition fait donc référence non seulement à la notion
de parent (qui doit être déjà définie), mais aussi à la notion d’ancêtre, en cours
de définition. Deux remarques s’imposent immédiatement à propos d’une telle
définition :
1. Sa concision (certains diront ... abstraction !). A ce titre, elle s’oppose
à des styles plus ”opérationnels” de définition, comme par exemple : un
ancêtre de x est une personne telle qu’il existe une chaı̂ne de parents
remontant de x jusqu’à cette personne.
2. Elle porte en elle un schéma d’algorithme permettant de traiter des
problèmes relatifs aux ancêtres, comme par exemple : étant donné un
ensemble de personnes muni de relations de parenté, et deux personnes
x et y de cet ensemble, y est-elle ancêtre de x? Ou encore : étant donné
un ensemble de personnes muni de relations de parenté, et une personne
x , établir l’ensemble des ancêtres de x. En effet, dans un cas comme
dans l’autre, un algorithme basé sur la définition récursive consisterait à
considérer d’abord le sous-ensemble des parents de x, puis à recommencer le traitement à partir de chacun des parents.
Le point 1. ci-dessus met l’accent sur la concision d’une définition récursive,
et le point 2. sur son applicabilité. Les deux aspects sont importants, car une
définition trop concise pourrait être inapplicable, comme le montre l’exemple
trivial suivant définissant la notion de menteur : Un menteur est un menteur.
En effet, cette définition fait référence uniquement à elle-même, et donc suppose la notion complètement définie avant d’être définie... L’exemple précédent
relatif à la notion d’ancêtre ne souffrait pas du même défaut, car la définition
faisait référence à une autre définition (celle de parents), en ne supposant la
c IFSIC 1999
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62
Récursion
notion d’ancêtre déjà définie que partiellement (sur le sous-ensemble des parents). Cet aspect essentiel de la récursion, pour l’instant très informel, sera
bien sûr l’objet d’une étude détaillée dans la partie plus technique de ce chapitre.
Terminons cette introduction en montrant, sur quelques exemples, l’étendue
du domaine d’application de la récursion, que ce soit pour exprimer des définitions,
des calculs, des actions, des évaluations, etc.
Définition d’ une action. Répéter n fois une action A : si n > 0 alors
effectuer l’action A puis répéter n − 1 fois l’action A.
Définition d’une évaluation (cf. chapitre 5.) Évaluer l’expression f e1 e2 . . . ep :
évaluer les expressions e1 ,e2 , . . . ,ep puis appliquer f aux valeurs obtenues.
Définition d’une structure. Séquence de longueur n : si n = 0 alors
séquence vide, sinon élément suivi d’une séquence de longueur n − 1.
Définition d’un calcul. Factorielle du nombre entier n : si n=0 alors 1
sinon n× factorielle de (n − 1).
Définition d’une courbe fractale. Tracer la fractale de la génération n : si
n = 0 alors tracer le motif de base, sinon remplacer chacun des fragments de la
fractale de génération n − 1 par le motif de base, convenablement dimensionné
et orienté.
6.2
Construction de définitions récursives
Les exemples précédents (sauf celui du menteur!) montrent tous qu’une
définition récursive est obtenue à partir de définitions partielles de la même
notion et de définitions déjà connues d’autres notions, que l’on sait combiner pour obtenir la définition complète. Il s’agit en fait d’une expression du
principe général ”diviser pour régner” : dans tous les cas, il s’agit de diviser
l’univers de la définition en sous-univers sur lesquels la définition est supposée
déjà établie, puis de ”recomposer” les morceaux pour obtenir la définition
complète (régner). Tout l’art de la récursion consiste alors à trouver une
division à partir de laquelle l’expression sur chacune des parties est simple
(décomposition récursive), et telle que la recomposition des morceaux s’exprime aisément. Nous allons d’abord examiner quelques exemples de calculs
récursifs. Ensuite, nous donnerons quelques techniques générales menant à de
”bonnes” décompositions récursives.
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6.2. Construction de définitions récursives
6.2.1
63
Exemples de définitions récursives de calculs
Somme des valeurs des chiffres d’un entier décimal. Il s’agit de calculer la valeur entière obtenue en additionnant les valeurs de chacun des chiffres
de la notation décimale d’un entier n; par exemple, avec n = 5 le résultat
vaut 5; avec n = 65 le résultat vaut 11; avec n = 765, le résultat vaut 18,
etc. Si le nombre n a plus d’un chiffre, il s’écrit sous forme d’une séquence
de chiffres décimaux : ck ck−1 . . . c1 c0 . Décomposons cette séquence en deux
sous-séquences : ck ck−1 . . . c` et c`−1 . . . c0 (avec k ≥ ` ≥ 1) dénotant respectivement deux entiers n1 et n2 . A partir du résultat du calcul pour ces deux
sous-séquences, dénotés respectivement s1 et s2 , il est facile de recomposer le
résultat cherché, qui vaut évidemment s1 + s2 .
Par exemple, avec n = 1374286, décomposé en n1 = 137 et n2 = 4286, on
a:
somme des chif f res(n1 ) = 11, somme des chif f res(n2 ) = 20, d’où somme des chif f res(n) =
11 + 20 = 31.
Il y a de multiples façons d’effectuer la décomposition d’une séquence en
deux sous-séquences consécutives. Dans le cas présent, le choix doit être effectué de manière à faciliter les évaluations intermédiaires, à savoir : les valeurs entières n1 et n2 doivent être faciles à obtenir à partir des deux sousséquences. L’arithmétique élémentaire nous suggère une décomposition simple :
la séquence privée du dernier chiffre d’une part (valeur correspondante : quotient de la division par 10), le dernier chiffre d’autre part (valeur correspondante : reste de la division par 10). De plus, le résultat du calcul pour un
nombre à un chiffre est immédiat : c’est le nombre lui-même.
Basé sur cette décomposition, on obtient la définition récursive suivante :
somme des chiffres de n = si n a un seul chiffre
alors n
sinon (somme des chiffres de n/10) + n mod 10
fsi
Nous en verrons l’expression CAML dans les sections suivantes.
Présence d’un élément dans une séquence Étant donnés une séquence σ
d’éléments (de type quelconque) et une valeur v de ce type, déterminer si cette
valeur est présente dans la séquence. Par exemple, le caractère ‘a‘ est présent
dans la séquence (chaı̂ne) de caractères ”La disparition” mais le caractère ‘e‘ en
est absent... Décomposons cette séquence en deux sous-séquences consécutives
σ1 et σ2 . A partir du résultat du calcul pour ces deux sous-séquences, dénotés
respectivement b1 et b2 , il est facile de recomposer le résultat cherché, qui
vaut évidemment b1 ou b2 (la valeur est présente dans σ si et seulement si
elle est dans σ1 ou dans σ2 ). Dans cet exemple aussi, il y a de multiples
c IFSIC 1999
°
64
Récursion
manières d’effectuer la décomposition en deux sous-séquences. Tout dépend
de la structure de cette séquence (c’est-à-dire du mode d’accès à ses éléments :
séquentiel, direct, etc. et de propriétés plus spécifiques concernant par exemple
l’ordre dans lequel les éléments sont rangés, etc.).
Pour fixer les idées, examinons le cas d’une chaı̂ne de caractères. En général,
il est facile d’en extraire le premier caractère d’une part, et la chaı̂ne privée du
premier caractère (le reste) d’autre part (en CAML, par exemple, les fonctions
correspondantes sont faciles à définir). Désignons respectivement par premier
et sauf premier les deux fonctions correspondantes. On remarque de plus que,
dans le cas d’une chaı̂ne réduite à un caractère, le résultat est immédiat : il
vaut vrai si et seulement si ce caractère est le caractère cherché! D’autre part,
il faut aussi tenir compte du cas de la chaı̂ne vide, pour laquelle les deux fonctions premier et sauf premier ne sont pas applicables; or dans ce cas aussi le
résultat est immédiat : il vaut faux (aucun caractère n’est présent dans une
chaı̂ne vide!).
Basé sur cette décomposition, on obtient la définition récursive suivante :
presence de c dans ch = si ch est vide
alors faux
sinon si premier de ch = c
alors vrai (* dans ce cas, inutile d’aller voir plus loin *)
sinon presence de c dans reste de ch
(* dans ce cas, le caractère cherché
ne peut être que dans le reste *)
Puissance (méthode rapide) . Le calcul consiste à calculer la puissance n
d’un nombre a ( n est entier non négatif, a est quelconque). On sait que, si n est
décomposé en la somme d’entiers : n = n1 + . . . + nk , alors an = an1 × . . . × ank .
De plus, si ces entiers sont non nuls, ils sont chacun strictement plus petits
que n. Parmi les multiples manières d’exprimer n comme somme d’ entiers
non nuls, considérons celle qui est basée sur l’égalité de la division par deux :
soit n/2 et n mod 2 le quotient et le reste de la division de n par 2. On a
évidemment : n = n/2 + n/2 + n mod 2. Par exemple, 4575 = 2287+2287+1,
tandis que 64482=32241+32241+0. Si l’on remarque par ailleurs que n mod 2
est égal soit à 0 (si n est pair), soit à 1 (si n est impair), et que a0 = 1, a1 = a,
on obtient la définition récursive suivante :
puissance n de a =
si n=0
alors 1
sinon si n=1
alors a
sinon soit x=puissance (n/2) de a dans
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6.3. Mise en œuvre en CAML : fonctions récursives
65
si n mod 2 =0
alors x × x × 1
sinon x × x × a
fsi
fsi
fsi
Cette méthode est qualifiée de rapide, car à chaque étape la puissance à
calculer est divisée par deux. Il y a donc au plus log2 n étapes . Examinons
par exemple le déroulement sur l’exemple suivant : calcul de 225 . La définition
”opérationnelle ” classique engendrerait la multiplication de 2 par lui-même 24
fois! Par contre, le processus d’exécution qui découle de la définition récursive
obtenue ci-dessus est le suivant :
225 = 212 × 212 × 2
212 = 26 × 26
26 = 23 × 23
23 = 21 × 21 × 2
21 = 2
=2 × 2 × 2 = 8
= 8 × 8 = 64
= 64 × 64 = 4096
= 4096 × 4096 × 2
= 33554432
soit seulement 6 multiplications.
6.3
Mise en œuvre en CAML : fonctions récursives
En CAML, les calculs sont exprimés par des fonctions (algorithmes). Les
calculs récursifs sont donc exprimés par la définition de fonctions récursives ,
c’est-à-dire de fonctions qui font référence à elles-mêmes dans leur expression de définition. Cela suppose déjà que de telles fonctions puissent être
référencées, c’est-à-dire identifiées par un nom. Par conséquent, une fonction
récursive ne peut être définie que dans une phrase de définition commençant
par le mot clef let. Examinons alors ce que donnerait la définition de la fonction factorielle. Sa définition récursive informelle:
factorielle n = si n=0
alors 1
sinon n × factorielle (n-1)
pourrait se traduire en CAML par:
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°
66
Récursion
# let factorielle n = if n=0
then 1
else n*(factorielle(n-1)) ;;
> Toplevel input:
>
else n*(factorielle (n-1));;
>
ˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆ
> Variable factorielle is unbound.
La réponse de la machine montre clairement qu’une telle définition n’est pas
acceptée! En effet, si la présence, dans l’expression de définition, de l’identificateur n ne pose pas de problème (il est lié à l’argument formel), il n’en va
pas de même de l’identificateur factorielle. Le problème vient de ce que la
phrase ci-dessus est une définition de cet identificateur, et la machine CAML
voudrait que cet identificateur soit déjà lié dans le contexte. La construction
let n’est donc pas adéquate. C’est pourquoi CAML propose la construction
let rec adaptée à ce cas :
# let rec factorielle n = if n=0
then 1
else n*factorielle(n-1) ;;
factorielle : int -> int = <fun>
L’effet de la construction let rec est donc d’établir une liaison factorielle
~? dans le contexte, et ainsi de pouvoir accepter la présence de l’identificateur
factorielle dans l’expression de définition. Cette liaison sera complètement
résolue (c’est-à-dire le type et la valeur seront déterminés) lorsque la phrase
aura été complètement traitée par le compilateur 1 .
La syntaxe de définition d’une fonction récursive est donc la suivante :
let rec id fonction arg 1 . . . arg n = expression def
où id fonction apparaı̂t dans expression def, ou encore, sous forme non abrégée :
let rec id fonction = function id arg -> expression def
Pour terminer cette section, nous donnons le texte CAML des définitions
de fonctions récursives vues depuis le début de ce chapitre.
Somme des chiffres
# let rec somme des chiffres n =
if n<10 then n
else somme des chiffres (n/10) + n mod 10 ;;
somme des chiffres : int -> int =<fun>
1. Nous ne détaillerons pas, dans ce cas, l’algorithme de synthèse de type, analogue dans
son principe à celui vu au chapitre précédent.
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6.4. Méthodologie
67
Présence d’un caractère dans une chaı̂ne.
# let rec present c ch =
if vide ch
then false
else if premier ch = c
then true
else present c (sauf premier ch) ;;
present : char -> string -> bool =<fun>
(les fonctions vide, premier, sauf premier doivent avoir été définies préalablement.
Ceci est laissé en exercice au lecteur).
Puissance (méthode rapide).
let rec puiss dich a n =
if n=0
then 1
else let x=puiss dich a (n/2) in
if n mod 2=0
then x * x
else x*x*a ;;
puiss dich : int -> int -> int =<fun>
6.4
Méthodologie
Les trois exemples vus précédemment sont tous construits selon la même
méthodologie, que nous synthétisons ci-dessous. Cette méthode comporte trois
phases:
1. Spécification du calcul
2. Équation de définition
3. Cas d’arrêt
Une telle construction méthodique permet d’obtenir le texte de la fonction,
que ce soit en CAML ou dans tout autre langage autorisant la récursion. Dans
ce document, nous nous limitons au langage CAML comme support de programmation, mais la méthodologie de construction de fonctions récursives est
évidemment utilisable lorsque l’on utilise d’autres langages, de style fonctionnel (LISP, Scheme, ...) ou impératif (Pascal, ...).
Un deuxième aspect, complémentaire de la construction, doit être examiné:
c’est celui de la correction, qui doit être formellement prouvée. Cette preuve
se compose de deux parties:
1. Sûreté
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68
Récursion
2. Vivacité
– La sûreté exprime la propriété suivante : si l’exécution du calcul se termine, alors le résultat est conforme à la spécification.
– La vivacité exprime la propriété suivante : l’exécution se termine en un
temps fini.
6.4.1
Construction
Reprenons en détail les trois points de la méthode de construction.
1. Spécification : il s’agit de spécifier les données et les résultats (avec leurs
types). Si l’on considère le calcul comme une fonction, cette phase consiste donc
à typer cette fonction – au sens du typage des valeurs fonctionnelles vu dans
les chapitres précédents.
2. Équation de définition : cette équation exprime le résultat du calcul
pour une donnée d en fonction des résultats du même calcul sur des données
d1 ,d2 , . . . ,dk . C’est l’expression de la décomposition récursive résultant de l’approche diviser pour régner. Cette équation sert aussi à prouver la sûreté, en
général par récurrence.
3. Cas d’arrêt : l’équation de définition ne s’applique pas à certaines valeurs
particulières des données. Il faut alors donner une expression directe – c’est-àdire non récursive – du résultat pour ces valeurs particulières. Ces cas, lorsqu’ils
seront rencontrés par le processus d’exécution, constitueront des cas d’arrêt de
la récursion. La présence d’au moins un cas où l’expression du résultat ne fait
référence à aucun résultat du même calcul (cas d’arrêt) est donc nécessaire
pour assurer la terminaison du processus de calcul. Toutefois, ceci n’est pas
suffisant : il faut de plus s’assurer que, quelque soit la donnée d, un des cas
d’arrêt sera atteint par le processus après un temps fini. Ceci fait l’objet de la
preuve de vivacité.
6.4.2
Des exemples
Exemple 1 Étant donné une séquence d’éléments tous de même type, calculer la séquence miroir (c’est-à-dire obtenue en énumérant les éléments du
dernier au premier).
1. Typage : miroir : séquence de t ->séquence de t (t désigne le type –
quelconque – des éléments).
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6.4. Méthodologie
69
2. Équation : on décompose la séquence en deux parties : sa tête (séquence
réduite au premier élément) et son reste (séquence privée du premier
élément). En supposant les deux fonctions tete : sequence de t ->sequence
de t et reste : sequence de t ->sequence de t disponibles, ainsi que la
fonction concatener : sequence de t × sequence de t ->sequence de
t qui concatène deux séquences en une troisième, il est facile de voir
que le miroir d’une séquence ch est obtenu en concaténant le miroir du
reste de ch avec la tete de ch. On obtient donc l’équation :
miroir(ch) = concatener (miroir (reste ch)) (tete ch)
3. Cas d’arrêt Les deux fonctions tete et reste ne sont pas définies pour
une séquence vide. L’équation ci-dessus n’est donc pas valable lorsque
ch est la séquence vide. Il faut donc donner une expression directe du
résultat dans ce cas. Ici, c’est trivial, puisque le miroir de la séquence
vide est évidemment la séquence vide!
Code en CAML Nous prenons l’exemple d’une séquence de caractères,
codée sous forme de chaı̂ne (type string). Les fonctions premier et sauf premier
sont définies comme suit :
# let premier ch = sub string ch 0 1 ;;
premier : string -> string = <fun>
# let sauf premier ch = sub string ch 1 ((string length ch) -1) ;;
premier : string -> string =<fun>
La concaténation des chaı̂nes est une fonction infixe prédéfinie, notée ˆ.
On obtient donc :
# let rec miroir ch =
if ch=""
then ch
else (miroir (sauf premier ch)) ^ (premier ch) ;;
miroir : string -> string = <fun>
# miroir "ONU" ;;
- : string = ”UNO”
# miroir "alavalellelavala" ;; (* A Laval elle l’avala *)
- : string = alavalellelavala (* eh oui! c’est un palindrome *)
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70
Récursion
Preuve : sûreté . Par récurrence sur la longueur ` de la chaı̂ne ch. En effet,
l’expression définissant miroir ch contient l’expression miroir (sauf premier
ch), montrant que le calcul avec un argument ch de longueur ` dépend du
résultat avec un argument de longueur ` − 1.
cas de base: ` = 0. Cela correspond au cas où ch=""; le résultat est alors
la valeur "", ce qui est correct.
induction: Supposons le résultat vrai pour les chaı̂nes de longueur ` − 1,
et montrons qu’il est vrai pour les chaı̂nes de longueur `. Soit ch de longueur
` (` ≥ 1), avec ch = c1 c2 . . . c` . D’après la définition,
miroir ch = concatener (miroir (sauf premier ch)) (premier ch)
= concatener (miroir c2 . . . c` ) c1
= concatener c` . . . c2 c1 (hypothèse de récurrence)
= c` . . . c2 c1
Preuve : vivacité . La longueur de l’argument décroı̂t strictement de 1 à
chaque appel récursif, donc ` appels sont suffisants pour atteindre le cas d’arrêt
` = 0.
Exemple 2. Calcul de la puissance entière positive ou nulle d’un nombre
(méthode séquentielle). Nous donnons ici une construction aboutissant à un
calcul incorrect; ceci est volontaire: une version correcte sera donnée ensuite.
Typage : puissance : nombre ->entier ->nombre.
Équation. On peut considérer que la puissance n de a est égale à la puissance (n + 1), divisée par a (ceci est conforme à la définition mathématique si
a 6= 0). D’où :
puissance a n = (puissance a (n+1))/a
Cas d’arrêt L’équation est valable pour tout entier n ≥ 0, mais n’est pas valable pour a = 0. Dans ce cas, le résultat est donné directement par puissance
0 n = 0
Texte en CAML Pour simplifier, nous supposerons que a est entier.
# let rec puissance a n =
if a=0
then 0
else (puissance a (n+1))/a ;;
puissance : int -> int -> int = <fun>
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6.4. Méthodologie
71
Preuve : validité . Si a = 0, le résultat est évident.
Dans le cas où a 6= 0, par récurrence sur la valeur de n, puisque l’expression
définissant puissance a n contient l’expression puissance a (n+1).
cas de base: Première apparition du problème: il n’y a pas de valeur de n
pour laquelle le résultat calculé par l’exécution du texte ci-dessus est évident
(lorsque a 6= 0). Nous allons retrouver le même problème dans l’étude de la
vivacité.
induction: Supposons le résultat vrai pour a (n + 1), et montrons qu’il
est vrai pour a n. D’après la définition,
puissance a n = (puissance a (n+1))/a
= (a × a × . . . × a) n + 1 fois /a (hypothèse de récurrence)
= (a × a × . . . × a) n fois
Toutefois, l’absence de validation dans un cas de base infirme la preuve
par récurrence. La sûreté n’est donc pas établie.
vivacité : le cas d’arrêt est obtenu lorsque a = 0. Mais, la valeur de l’argument a demeure inchangée à chaque appel récursif, donc ce cas d’arrêt ne sera
jamais atteint lorsque l’évaluation est menée avec un argument a de valeur
non nulle!
Une tentative d’exécution par la machine CAML du texte donné ci-dessus,
avec un argument a non nul, se solderait par un échec du processus (échec
dû, dans ce cas, à l’incapacité du système sous-jacent à la machine CAML de
gérer une suite ”infinie” d’appels). Ceci, alors même que la machine CAML a
parfaitement accepté la définition de fonction puissance, correcte du point de
vue syntaxique et du point de vue typage.
Solution correcte: l’équation donnée ci-dessous conduit à une solution correcte :
puissance a n = a × (puissance a (n-1))
Cette équation ne s’applique pas lorsque n = 0, cas pour lequel le résultat
vaut 1. On obtient donc le texte CAML :
# let rec puissance a n =
if n=0
then 1
else a*(puissance a (n-1)) ;;
puissance : int -> int -> int = <fun>
Les preuves de sûreté et de vivacité ne posent pas de problème: elles sont
basées d’une part sur la récurrence par rapport à n (avec le cas de base n = 0
et l’induction résultat correct pour n − 1 implique résultat correct pour n), et
d’autre part sur la décroissance stricte, à chaque appel récursif, de la valeur
de l’argument n.
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72
Récursion
# puissance 2 10 ;;
- : int = 1024
Multiplication russe (voir page 4)
Typage : mult russe : ent ->ent ->ent
Équation : d’après ce qui a été vu page 4 :
mult russe a b = (mult russe (a/2) (b*2)) + (a mod 2)*b
Cas d’arrêt : L’équation précédente est valable pour tout entier non négatif.
Toutefois, il est nécessaire de prévoir un cas d’arrêt, que l’on sache traiter
directement et que l’on soit sûr d’atteindre en un nombre fini d’applications.
Or on remarque que, si a=0 ou b=0, le résultat vaut 0. Doit-on alors choisir
comme cas d’arrêt la première ou la seconde condition? La réponse est fournie
par la fonction d’évolution des données :
a b -> a/2 b*2
qui montre que a diminue, tandis que b augmente. C’est donc la condition a=0
qui sera atteinte.
Texte en CAML
# let rec mult russe a b =
if a=0
then 0
else (mult russe (a/2) (b*2))+(a mod 2)*b ;;
mult russe : int -> int -> int = <fun>
Preuve : sûreté . On raisonne par induction sur a, en prouvant la propriété
suivante : (∀a) (∀b), mult russe a b = a × b.
cas de base : a=0. La propriété est vérifiée : (∀b), mult russe 0 b = 0 × b
= 0.
induction : Montrons que si la propriété est vérifiée pour une valeur a0 ,
alors elle est vérifiée pour les valeurs 2 × a0 et 2 × a0 + 1.
cas où a0 6= 0 :
(∀b),mult russe (2 × a0 ) b = mult russe a0 (b × 2)
= a0 × (b × 2) (hypothèse d0 induction)
= (2 × a0 ) × b
(∀b),mult russe (2 × a0 + 1) b = mult russe a0 (b × 2) + b
= a0 × (b × 2) + b (hypothèse d0 induction)
= (2 × a0 + 1) × b
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6.4. Méthodologie
73
cas où a0 = 0
(∀b),mult russe (2 × 0) b =
=
=
(∀b),mult russe (2 × 0 + 1) b
mult russe 0 b
0
(2 × 0) × b
= mult russe 1 b
= mult russe 0 (b × 2) + b (hypothèse d0 induction)
= b
= (2 × 0 + 1) × b
On en déduit que la propriété est vérifiée pour tout entier a, puisque tout
entier est obtenu à partir de la valeur 0 par un nombre fini d’applications de
la fonction x → 2 × x ou de la fonction x → 2 × x + 1.
Preuve : vivacité. La valeur de l’argument a décroı̂t strictement à chaque
appel récursif (a → a/2). Donc, la valeur a=0 sera atteinte après un nombre
fini d’appels récursifs.
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74
Récursion
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°
Chapitre 7
Traitements récursifs sur les
listes
7.1
Introduction
Dans ce chapitre, la technique de construction de fonctions récursives vue
au chapitre précédent est appliquée à divers traitements sur les listes. Rappelons que la structure de liste permet de représenter des collections de données
caractérisées par les propriétés suivantes :
1. toutes les données appartiennent à un même type de base,
2. l’organisation et l’accès des données sont séquentiels,
3. la longueur d’une liste (nombre de données) n’est pas bornée a priori.
De nombreux traitements nécessitent d’effectuer un parcours exhaustif ou partiel de la structure, et d’appliquer un calcul sur chacun des éléments de liste
visités lors de ce parcours. Étant donné la vision des listes sous forme de
doublet tete::reste, de tels traitements s’expriment naturellement selon le
schéma récursif suivant :
traitement sur x::r = si parcours terminé
alors expression résultat
sinon calcul sur x combiné avec traitement sur r
fsi
L’élément “visité” à chaque étape est donc l’élément de tête de la liste courante, auquel on applique le calcul spécifique, le parcours étant “matérialisé”
par la relance du traitement sur le reste.
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76
Traitements récursifs sur les listes
Pour exprimer ce schéma 1 nous aurons recours à deux fonctions d’accès
prédéfinies, respectivement:
– hd : ‘a list ->‘a, telle que : hd l délivre la valeur du premier élément
(c’est-à-dire la tête) de la liste l si cette liste est non vide, et lève une
exception (failure) sinon.
– tl : ‘a list ->‘a list, telle que : tl l délivre une copie de la liste l
privée de son premier élément (c’est-à-dire le reste de la liste l) si cette
liste est non vide, et lève une exception (failure) sinon.
Pour tester si une liste est vide, on utilisera la fonction vide : ‘a list ->bool
définie ainsi :
let vide l = l=[] ;;
ou directement l’expression l=[].
Enfin, la construction d’une liste se fera par la fonction cons : ‘a*‘a list
->‘a list définie ainsi :
let cons v l = v::l;;
ou directement par l’expression v::l
Deux des schémas les plus souvent rencontrés sont les suivants :
Parcours exhaustifs de liste:
let rec parcours l =
if vide l
then valeur de base (* correspond au ‘‘cas d’arrêt” liste vide *)
else g (f (hd l)) (parcours (tl l)) ;;
parcours partiel de liste : (arrêt sur conditions)
let rec parcours part l
if vide l
then valeur de base (* correspond au ‘‘cas d’arrêt” liste vide *)
else if C (hd l)
then autre valeur de base (* correspond à un autre cas d’arrêt *)
else g (f (hd l)) (parcours part (tl l)) ;;
Nous allons donner, dans les section suivantes, quelques exemples représentatifs
de tels traitements, classés selon le type de résultat cherché : fonctions de type
liste de t -> t (“accesseurs”), de type liste de t -> liste de t’ ou t -> liste de t’
1. En CAML, l’outil privilégié pour exprimer ce schéma est celui de filtrage, les différents
cas de filtrage étant définis par des filtres basés sur les constructeurs [] et ::. Toutefois,
pour des raisons déjà évoquées, nous préférons, dans ce cours, éviter d’avoir recours à cette
technique spécifique.
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°
7.2. Fonctions d’accès aux listes
77
(“constructeurs”) et enfin fonctions combinant ces cas. Dans chaque catégorie,
nous montrerons aussi comment l’on peut concevoir des fonctions de traitement génériques, au sens où de telles fonctions expriment des traitements paramétrables non seulement par les données, mais aussi par d’autres fonctions.
7.2
7.2.1
7.2.1.1
Fonctions d’accès aux listes
Parcours exhaustifs
Longueur d’une liste
Il s’agit de calculer le nombre d’éléments d’une liste.
Spécification: ’a list ->int
Équation de définition: longueur x::r = longueur r +1
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
longueur []= 0
Code en CAML :
# let rec longueur l
if vide
then
else
=
l
0
longueur (tl l) + 1 ;;
longueur : ’a list -> int = <fun>
7.2.1.2
Somme des valeurs des éléments d’une liste d’entiers
Spécification: int list ->int
Équation de définition: somme x::r = longueur r + x
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
somme []= 0
Code en CAML :
# let rec somme l =
if vide l
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78
Traitements récursifs sur les listes
then 0
else somme (tl l) + (hd l) ;;
somme : int list -> int = <fun>
On remarque déjà une grande similitude avec la fonction longueur. Poussons cette similitude encore plus loin avec l’exemple suivant:
7.2.1.3
Transformer une liste de caractères en chaı̂ne
Il s’agit décrire la fonction liste vers ch telle que:
liste vers ch [c1 ; c2 ; . . . ; cn ], où les ci sont des caractères, ait pour valeur
la chaı̂ne c1 c2 . . . cn .
Spécification: char list ->string
Équation de définition: liste vers ch x::r = (chaine x)ˆ(liste vers ch r)
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
liste vers ch []= ””
Code en CAML :
# let rec liste vers ch l =
if vide l
then ""
else (char for read (hd l))^(liste vers ch (tl l)) ;;
liste vers ch : char list -> string = <fun>
7.2.1.4
Fonction d’accumulation générique
Les trois exemples que nous venons d’écrire sont identiques dans leur structure, et ne diffèrent entre eux que par les éléments suivants :
1. la valeur de base lorsque la liste est vide, soit e
2. la fonction de calcul appliquée à la tête, soit f
3. la fonction d’accumulation, combinant le résultat du calcul sur la tête
au résultat du traitement sur le reste, soit g
Soit t le type de base de la liste argument, et t’ le type du résultat. Les trois
fonctions que nous venons d’écrire sont toutes du type t list ->t’. De plus, e
est de type t’, f est de type t ->t’ et g est de type t’ ->t’ ->t’. Nous allons
abstraire les trois fonctions précédentes par une fonction générique accumuler,
ayant comme arguments non seulement une liste, mais aussi les entités e, f,
g.
Spécification: t’ ->(t ->t’) ->(t’ ->t’ ->t’) ->(t list) ->t’
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7.2. Fonctions d’accès aux listes
79
Équation de définition:
accumuler e f g (x::r) = g (f x) (accumuler e f g r)
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
accumuler e f g []= e
Code en CAML :
# let rec accumuler e f g l =
if vide l
then e
else g (f (hd l)) (accumuler e f g (tl l)) ;;
accumuler : ’a -> (’b -> ’c) -> (’c -> ’a -> ’a) -> ’b list -> ’a = <fun>
Exemples d’utilisation Nous allons retrouver, à partir de cette fonction
générique. les trois fonctions précédentes, ainsi qu’un autre exemple.
Longueur. Ici, e=0, f est la fonction constante x ->1, g est l’addition des entiers
(notée prefix + en CAML). D’où :
# let longueur l =
accumuler 0 (function x -> 1) ( prefix +) l ;;
longueur : ’a list -> int = <fun>
Somme. Ici, e=0, f est l’identité, g est l’addition des entiers. D’où :
# let somme l =
accumuler 0 (function x -> x) (prefix +) l ;;
somme : int list -> int = <fun>
liste vers ch. Ici, e = "", f = char for read, g est la concaténation des chaı̂nes
(notée prefix ^ en CAML). D’où :
# let liste vers ch l = accumuler "" char for read (prefix ^) l ;;
liste vers ch : char list -> string = <fun>
Minimum conditionnel. Pour terminer, écrivons une fonction qui, appliquée
à une liste de doublets float*bool délivre le minimum des flottants pour lesquels le champ booléen correspondant vaut true (et, par convention, 1.e-300 si
l’ensemble des couples de champ booléen égal à true est vide). Ici, e=1.e-300,
f est la fonction qui délivre le premier champ (flottant) si le deuxième vaut
c IFSIC 1999
°
80
Traitements récursifs sur les listes
true, et 1.e-300 sinon, et g est la fonction minimum sur les flottants. On peut
définir localement ces deux fonctions, et l’on obtient :
# let min cond l =
let f x = if snd x then fst x else 1.e-300
g x y = if x<=.y then x else y in
accumuler 1.e-300 f g l ;;
and
min cond : (float * bool) list -> float = <fun>
7.2.2
Parcours partiels
Certains traitements ne nécessitent pas de parcourir systématiquement
toute la liste, mais seulement une partie allant de la tête jusqu’au premier
élément vérifiant une certaine condition (s’il existe). Cela ressemble au paradigme de la boulangerie : supposons que l’on soit à la recherche d’une boulangerie dans une rue donnée. La méthode consiste à parcourir la rue depuis l’une
de ses extrémités, jusqu’à ce qu’une boulangerie soit trouvée (dans ce cas, il est
inutile d’aller plus loin : le parcours s’arrête sur un succès) ou jusqu’à ce que
l’on ait parcouru entièrement la rue sans trouver de boulangerie (le parcours
s’arrête sur un échec).
7.2.2.1
Recherche de la présence d’une valeur dans une liste
Il s’agit d’écrire une fonction membre qui, étant donné une une valeur de
type t et liste de t, rend vrai si et seulement si la valeur est présente dans la
liste.
Spécification: t ->liste de t ->bool
Équation de définition: membre v x::r = si x=v alors vrai sinon membre v
r
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
membre v []= faux
Code en CAML :
# let rec membre v l =
if vide l
then false
else if hd l = v
then true
else membre v (tl l) ;;
c IFSIC 1999
°
7.2. Fonctions d’accès aux listes
81
membre : ’a -> ’a list -> bool = <fun>
7.2.2.2
Recherche générique
Il s’agit de généraliser la fonction précédente à la recherche de l’existence
d’un élément vérifiant une condition donnée, et qui délivre le résultat d’un
calcul sur cet élément, ou une valeur par défaut si aucun élément ne vérifie la
condition. La fonction admet donc comme arguments, outre la liste à parcourir:
– la condition C (fonction de type t ->bool)
– la fonction exprimant le calcul à effectuer sur l’élément trouvé (fonction
f : t ->t’)
– la valeur par défaut e : t’
Spécification: (t ->bool) ->(t ->t’) ->t’ ->(liste de t) ->t’
Équation de définition:
recherche C f e (x::r) = si C x alors f x sinon recherche C f e r
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Ce cas
correspond à l’absence d’élément vérifiant la condition C , et donc : recherche
C f e []= e
Code en CAML :
# let rec recherche C f e l =
if vide l
then e
else if C (hd l)
then f (hd l)
else recherche C f e (tl l);;
recherche : (’a -> bool) -> (’a -> ’b) -> ’b -> ’a list -> ’b = <fun>
A titre d’application, la fonction membre peut être définie par:
# let membre v l =
recherche (function x -> x=v) (function x-> true) false l ;;
membre : ’a -> ’a list -> bool = <fun>
Autre d’exemple d’utilisation de la fonction générique recherche: on considère
une liste de triplets string*int*float. Chaque triplet représente un article en
stock, chaque article ayant comme attribut un nom (chaı̂ne), une quantité disponible (entier) et un prix unitaire hors-taxes (flottant). On donne un nom
d’article ch et une quantité désirée n, et on cherche s’il existe un article ayant
ce nom et disponible en quantité suffisante (au moins n unités disponibles).
Si c’est le cas, la réponse est constituée : de la chaı̂ne ”trouvé”, du coût des n
c IFSIC 1999
°
82
Traitements récursifs sur les listes
articles demandés, et d’un nouvel article de même nom, même prix unitaire, et
de quantité disponible diminuée de n. Si ce n’est pas le cas, on rend la chaı̂ne
”echec”, le coût 0 et l’article (””,0,0).
Le type de la fonction est donc :
string ->int ->(string*int*float) list ->string*float*(string*int*float)
On l’obtient à partir de la fonction recherche avec:
– La condition C est la fonction qui, appliquée au triplet (nom,qte,pu) rend
vrai si et seulement si nom=ch et n<=qte
– La fonction f est la fonction qui, appliquée au triplet (nom,qte,pu) rend
le triplet ("trouvé", n*pu, (nom,qte-n,pu))
– La valeur par défaut est le triplet ("echec", 0, ("",0,0))
# let rech stock ch n =
let C (nom,qte,pu) = (nom=ch) & (qte>=n) and
f (nom,qte,pu) = ("trouve", (float of int n)*.pu,(nom,qte-n,pu))
in recherche C f ("echec,0.,("",0,0.)) ;;
rech stock : string -> int -> (string * int * float) list -> string * float * (string * int * float) = <fun>
7.3
Fonctions de constructions de listes
Il s’agit de fonctions qui, appliquées à une liste, délivrent une autre liste.
Le principe général de raisonnement est le suivant: le résultat à exprimer étant
une liste, il s’agit de définir sa tête, son reste puis de combiner les deux avec
le constructeur ::. Voyons quelques exemples.
7.3.1
7.3.1.1
Constructions simples
Ajout d’un élément en fin de liste
Étant donné une liste de valeurs de type t et une valeur de type t, construire
la liste obtenue en ajoutant cette valeur en fin de liste.
Spécification: liste de t ->t ->liste de t
Équation de définition: append (x::r) v est une liste. Sa tête est x et son
reste est obtenu en ajoutant la valeur v à la fin de r, d’où :
append (x::r) v = x::(append r v)
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
append []v = v::[]
c IFSIC 1999
°
7.3. Fonctions de constructions de listes
83
Code en CAML :
# let rec append l v =
if vide l
then cons v l
else cons (hd l) (append (tl l) v) ;;
append : ’a list -> ’a -> ’a list = <fun>
7.3.1.2
Suppression
Étant donné une liste d’éléments de type t et un entier n, il s’agit de
construire la liste obtenue en supprimant le n-ème élément de la liste (liste
inchangée si n est supérieur au nombre d’éléments de la liste).
Le résultat étant une liste, il faut déterminer sa tête et son reste (en fonction de la liste argument et de n). Dans le cas particulier où n = 1, le traitement
revient à supprimer la tête, donc le résultat est le reste de la liste argument.
Dans le cas général (n¿1), la tête du résultat est la tête de la liste argument, et
le reste du résultat est obtenu en supprimant le (n − 1)-ème élément du reste
de la liste argument.
Spécification: int ->liste de t ->liste de t
Équation de définition: suppression n x::r = si n=1 alors r sinon x::(suppression
(n-1) r)
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
suppression n []= []
Remarque : on obtiendra ce cas d’arrêt lorsque n > longueur de la liste
argument.
Code en CAML :
# let rec suppression n l =
if vide l
then l
else if n=1
then (tl l)
else cons (hd l)(suppression (n-1) (tl l));;
suppression : int -> ’a list -> ’a list = <fun>
c IFSIC 1999
°
84
7.3.2
7.3.2.1
Traitements récursifs sur les listes
Fonctions génériques
Appliquer à tous: map
Il s’agit de construire la liste obtenue en appliquant une fonction f à tous
les éléments d’une liste. C’est donc une abstraction du traitement faire pour
tout .... Si l est une liste de type de base t et f une fonction de type t ->t’,
on obtiendra une liste de type de base t’.
Spécification: (t ->t’) ->liste de t ->liste de t’
Équation de définition: map f (x::r) = (f x)::(map f r)
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
map f []= []
Code en CAML :
# let rec map fl =
if vide l
then l
else cons (f (hd l)) (map f (tl l) ;;
map : (’a -> ’b) -> ’a list -> ’b list = <fun>
Remarque La fonction map est construite sur le même principe que la fonction générique accumuler, vue à la section précédente. De fait, il s’agit d’un
cas particulier de accumuler, obtenu avec :
– e est la valeur [](de type ’b list)
– f est la fonction donnée f
– g est la fonction cons
D’où une autre définition possible de map:
# let map f l =
accumuler [] f cons l ;;
Exemples d’utilisation: Dans une liste, remplacer toutes les occurrences
de la valeur v1 par la valeur v2.
Ici, f est la fonction qui, à une valeur x fait correspondre v2 si x=v1 ou x
sinon.
# let remplacer v1 v2 l =
let f x = if x=v1 then v2 else x in map f l ;;
c IFSIC 1999
°
7.4. Fonctions de génération de listes
85
remplacer : ’a -> ’a -> ’a list -> ’a list = <fun>
7.3.2.2
Parcours conditionnels
La fonction générique précédente engendrait un parcours exhaustif de toute
une liste (faire pour tout ...). Selon le même principe, il est possible de programmer des parcours partiels, contrôlés par une condition C : faire tant que,
faire jusqu’a, faire si, .... A titre d’exemple, nous considérons la fonction
générique qui applique une fonction f à tous les éléments d’une liste, tant que
ceux ci vérifient une certaine condition C.
Soit x::r la forme de la liste argument. Le résultat est une liste, égale à:
– la liste vide si x ne vérifie pas la condition C,
– la liste ayant pour tête f x, et pour reste le résultat du traitement appliqué à r, si x vérifie la condition C
On a donc :
Spécification: (t ->bool) ->(t ->t’) ->liste de t ->liste de t’
Équation de définition:
faire tantque C f (x::r) = si C x alors (f x)::(faire tantque C f r)
sinon []
Cas d’arrêt: l’équation précédente ne s’applique pas si la liste est vide. Dans
ce cas, on a:
faire tantque C f []= []
Code en CAML :
# let rec faire tantque C f l=
if vide l
then l
else if C (hd l)
then cons (f (hd l)) (faire tantque C f (tl l))
else [] ;;
faire ttque : (’a -> bool) -> (’a -> ’b) -> ’a list -> ’b list = <fun>
7.4
Fonctions de génération de listes
Il s’agit de fonctions qui, appliquées à une ou plusieurs valeurs d’un type
quelconque, engendrent une autre liste. Le principe général de raisonnement
est le même que dans la section précédente: le résultat à exprimer étant une
liste, il s’agit de définir sa tête, son reste puis de combiner les deux avec le
constructeur ::.
c IFSIC 1999
°
86
7.4.1
Traitements récursifs sur les listes
Intervalle
Étant donné deux entiers a et b, construire la liste des entiers de l’intervalle
[a,b]
Spécification intervalle : int ->int ->int list
Équation de définition intervalle a b = a :: (intervalle (a+1) b)
Cas particulier Si a > b, on a : intervalle a b = []
codage en CAML
# let rec intervalle a b =
if a>b then [] else cons a (intervalle (a+1) b) ;;
intervalle : int -> int -> int list = <fun>
7.4.2
Conversion chaı̂ne ->liste
Étant donné une chaı̂ne de caractères, construire la liste des caractères
constituant cette chaı̂ne.
Spécification ch versliste : string ->char list
Équation de définition La tête du résultat ch vers liste ch est le premier
caractère de ch, et le reste est le résultat de la fonction appliqué à ch privée
du premier caractère:
ch vers liste ch = (premier ch) :: (ch vers liste (sauf premier ch))
Cas particulier Lorsque ch est vide, l’équation ci-dessus ne s’applique pas.
Dans ce cas, on a ch vers liste ”” = []
codage en CAML (* rappel des fonctions premier et sauf premier : *)
# let premier ch = nth char ch 0 and
sauf premier ch = sub string ch 1 (string length ch -1) ;;
premier : string -> char = <fun>
sauf premier : string -> string = <fun>
(* définition de ch vers liste *)
# let rec ch vers liste ch =
if ch = ""
c IFSIC 1999
°
7.5. Autres situations
87
then []
else cons (premier ch) (ch vers liste (sauf premier ch)) ;;
ch vers liste : string -> char list = <fun>
7.4.3
Valeurs successives d’une suite
Une suite de valeurs (d’un type quelconque) est définie par récurrence de
la manière suivante :
– première valeur x1 donnée
– ∀i ≥ 2 : xi+1 = f (xi ), où f est une fonction donnée.
On veut écrire la fonction qui construit la liste des n premières valeurs de cette
suite, étant donnés la valeur initiale x, la fonction f et le nombre de termes
désirés n.
Spécification suite : ’a ->(’a ->’a) ->int ->’a list
Équation de définition Le résultat de suite x f n est une liste à n éléments,
[x1 ; x2 ; . . . ; xn ]. Sa tête est donc x1 (donné) et son reste [x2 ; . . . ; xn ]. Le reste
est donc la liste obtenue en appliquant la fonction suite avec x2 = f (x1 ) comme
premier élément, f comme fonction de récurrence, et ayant n − 1 éléments.
D’où :
suite x f n = x :: (suite (f x) f (n-1))
Cas particulier L’équation ci-dessus ne s’applique pas si n = 0. Dans ce cas,
on a directement suite x f 0 = []
codage en CAML
# let rec suite x f n =
if n< 0
then failwith("n ne doit pas etre negatif")
else if n=0
then []
else cons x (suite (f x) f (n-1));;
suite : ’a -> (’a -> ’a) -> int -> ’a list
7.5
Autres situations
Les fonctions manipulant des listes, que ce soit comme arguments ou
comme résultats, peuvent se rencontrer dans de nombreuses situations, mettant en jeu d’autres structures de données. A titre d’exemple nous étudions
c IFSIC 1999
°
88
Traitements récursifs sur les listes
deux fonctions génériques : l’une sépare une liste en un couple de listes, l’autre,
au contraire, fusionne un couple de listes en une seule. Dans les deux cas, un
critère général est passé en paramètre.
7.5.1
Séparation
Étant donné une liste de type quelconque, et une condition sur les valeurs
des éléments de la liste, calculer deux listes, la première formée des valeurs
vérifiant la condition, la seconde formée des autres valeurs.
Spécification separer : (’a ->bool) ->’a list ->(’a list)*(’a list)
Équation de définition Le résultat pour la liste x::r et la condition C est
un couple de deux listes (`1 ,`2 ). Pour déterminer la tête et le reste de `1 et `2 ,
il y a deux cas possibles :
1. Si x vérifie C alors x est en tête de `1 , et le résultat de la séparation
appliquée à r donne le couple (reste de `1 ,`2 )
2. Si x ne vérifie pas C, idem, en changeant les rôles de `1 et `2 .
On a donc :
separer C x::r = si C x alors (x::fst (separer C r), snd (separer C r))
sinon (fst (separer C r), x::snd (separer C r))
Cas particulier L’équation ci-dessus ne s’applique pas à une liste vide. Dans
ce cas, on a :
separer C []= ([], [])
Codage en CAML Pour éviter d’évaluer deux fois l’expression separer C r
(chaque évaluation provoque une évaluation récursive, donc un parcours de la
liste r) on introduit une définition locale.
# let rec separer C l =
if vide l
then (l, l)
else let (a,b) = separer C (tl l) in
if C (hd l)
then (cons (hd l) a, b)
else (a, cons x b) ;;
separer : (’a -> bool) -> ’a list -> ’a list*’a list = <fun>
Application. Un couple (x,y) de deux entiers est ordonné si x ≤ y. Écrire
une fonction qui sépare une liste de couples en deux listes de couples, selon que
c IFSIC 1999
°
7.5. Autres situations
89
les couples sont ordonnés ou non. Pour cela, on utilise la fonction générique
séparer, en précisant la condition C.
Spécification f : (int*int) list ->(int*int) list * (int*int) list
Codage CAML
# let f l = separer (function (x,y) -> x >= y) l ;;
f : (int*int) list -> (int*int) list * (int*int) list = <fun>
7.5.2
Fusion
On considère deux listes la et lb d’un même type quelconque. Soit C une
condition sur les valeurs des éléments de ces listes. Écrire une fonction qui
fusionne ces deux listes en une seule selon le procédé suivant : si la (resp.
lb) est vide, alors le résultat est lb (resp. la). Sinon, soit xa et xb les têtes
respectives de la et lb. Si C xa xb est vrai, alors xa est mis en tête du résultat,
sinon xb est mis en tête du résultat. L’exécution est terminée lorsque les deux
listes ont été entièrement parcourues.
Spécification
fusion : (’a ->’a ->bool) ->’a list ->’a list ->’a list
Équation de définition
fusion C xa::ra xb::rb = si C xa xb
alors xa::(fusion C ra (xb::rb))
sinon xb::(fusion C (xa::ra) rb))
Cas particuliers L’équation ci-dessus n’est pas valable si la ou lb sont vides.
On a alors :
fusion [] lb = lb et fusion la [] = la
Codage CAML
# let rec fusion C la lb =
if vide la
then lb
else if vide lb
then la
else let xa = hd la and xb = hd lb and ra = tl la and rb = tl lb in
if C xa xb
then cons xa (fusion C ra lb)
c IFSIC 1999
°
90
Traitements récursifs sur les listes
else cons xb (fusion C la rb) ;;
fusion aux : (’a -> ’a -> bool) -> ’a list -> ’a list -> ’a list= <fun>
Application: fusion de deux listes d’entiers, triées par valeurs croissantes.
C’est une spécialisation de la fonction fusion, où C est la comparaison <=.
# let fus tri la lb = fusion (prefix <=) la lb ;;
fus tri : int list -> int list -> int list = <fun>
7.6
7.6.1
Une optimisation: définitions récursives locales
Exemple de fusion
L’examen de la définition précédente montre qu’il est inutile que fusion
possède l’argument C : en effet, cet argument ne change pas d’un appel récursif
au suivant; par conséquent, l’identificateur de paramètre formel C est lié (à une
valeur inconnue) dans le contexte de la définition de fusion. On peut donc se
contenter de la définition (plus simple) suivante :
# let fusion C la lb =
let rec fusion aux l1 l2=
if vide l1
then l2
else if vide l2
then l1
else let x1 = hd l1 and x2 = hd l2 and r1 = tl l1 and r2 = tl l2 in
if C x1 x2
then cons x1 (fusion aux r1 l2)
else cons x2 (fusion aux l1 r2)
in fusion aux la lb;;
fusion : (’a -> ’a -> bool) -> ’a list -> ’a list -> ’a list= <fun>
La référence à C dans l’expression de définition de fusion aux est donc une
référence à l’argument formel de la fonction fusion, ce qui est correct.
Cette remarque peut être appliquée à toute fonction récursive ayant plusieurs arguments, lorsque certains des arguments ne changent pas d’un appel
à l’autre: il est alors inutile de passer ces arguments à chaque appel récursif.
Pour cela, on introduit des définitions locales de fonctions récursives auxiliaires. Notez bien que cette utilisation de définitions récursives locales n’est
en rien indispensable. Elle peut rendre les définitions moins “lisibles” pour
les programmeurs, mais elles offrent une amélioration au niveau de l’efficacité des processus d’exécution, en économisant des passages de paramètres
c IFSIC 1999
°
7.6. Une optimisation: définitions récursives locales
91
inutiles. C’est le cas notamment de nombre de fonctions génériques, ayant des
arguments de type fonctionnel, non modifiés au cours des appels successifs
Ci-dessous, nous ré-écrivons selon cette technique les fonctions récursives
vues au chapitres 6 et 7, auxquelles cette optimisation est applicable.
7.6.2
7.6.2.1
Ré-écriture d’autres exemples
Présence d’un caractère dans une chaı̂ne.
let present c ch =
let rec aux ch1
if vide ch1
then false
else if premier ch1 = c
then true
else aux (reste ch1)
in aux ch ;;
present : char -> string -> bool =<fun>
7.6.2.2
Puissance (méthode rapide).
let puiss dich a n =
let rec puiss n =
if n=0
then 1
else let x=puiss (n/2) in
if n mod 2=0
then x * x
else x*x*a
in puiss n;;
puiss dich : int -> int -> int =<fun>
7.6.2.3
Fonction d’accumulation générique
# let accumuler e f g l =
let rec parcours l =
if vide l
then e
else g (f (hd l)) (parcours (tl l))
in parcours l;;
accumuler : ’a -> (’b -> ’c) -> (’c -> ’a -> ’a) -> ’b list -> ’a = <fun>
c IFSIC 1999
°
92
7.6.2.4
Traitements récursifs sur les listes
Recherche générique
# let recherche C f e l =
let rec parcours l =
if vide l
then e
else if C (hd l)
then f (hd l)
else parcours (tl l)
in parcours l ;;
recherche : (’a -> bool) -> (’a -> ’b) -> ’b -> ’a list -> ’b = <fun>
7.6.2.5
Ajout d’un élément en fin de liste
# let append l v =
let rec parcours l =
if vide l
then -> cons v l
else cons (hd l) (parcours (tl l))
in parcours l;;
append : ’a list -> ’a -> ’a list = <fun>
7.6.2.6
La fonction générique map
# let map f l =
let rec parcours l =
if vide l
then l
else cons (f (hd l)) (parcours (tl l))
in parcours l;;
map : (’a -> ’b) -> ’a list -> ’b list = <fun>
7.6.2.7
Le parcours faire tantque
# let faire tantque C f l =
let rec parcours l =
if vide l
then l
else if C (hd l)
then cons (f (hd l)) (parcours (tl l))
else []
c IFSIC 1999
°
7.6. Une optimisation: définitions récursives locales
in parcours l;;
faire ttque : (’a -> bool) -> (’a -> ’b) -> ’a list -> ’b list = <fun>
7.6.2.8
Intervalle
# let intervalle a b =
let rec aux inf =
if inf>b
then []
else cons inf (aux (inf+1))
in aux a;;
intervalle : int -> int -> int list = <fun>
7.6.2.9
Valeurs successives d’une suite
# let suite x f n =
let rec aux prem n=
if n=0
then []
else cons prem (aux (f prem) (n-1))
in aux x n;;
suite : ’a -> ’a -> ’a -> int -> ’a list
7.6.2.10
Séparation
# let separer C l =
let rec parcours l =
if vide l
then (l, l)
else let (a,b) = parcours (tl l) in
if C (hd l l)
then (cons (hd l) a, b)
else (a, cons (hd l) b)
in parcours l;;
separer : (’a -> bool) -> ’a list -> ’a list*’a list =
<fun>
c IFSIC 1999
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93
94
Traitements récursifs sur les listes
c IFSIC 1999
°
Chapitre 8
Calculs itératifs : récursivité
terminale
Dans ce chapitre, on aborde une autre méthodologie de construction de
fonctions récursives moins immédiate pour le programmeur, en ce sens qu’elle
s’éloigne de la définition récursive “naturelle” qui a guidé l’écriture des fonctions récursives tout au long des chapitres 6 et 7. Cependant, cette nouvelle
approche est utile, pour au moins trois raisons :
1. elle peut améliorer l’efficacité des processus d’exécution,
2. elle permet parfois de résoudre plus simplement certains problèmes,
3. elle prépare aux méthodes de construction d’itération que l’on rencontre
en programmation impérative.
Nous abordons successivement ces trois aspects.
8.1
Amélioration de l’efficacité
Dans ce paragraphe, nous considérons des exemples qui peuvent être exprimés par une définition récursive classique (ils ont été vus aux chapitres
précédents), mais nous les abordons avec l’approche itérative, afin d’en améliorer
l’efficacité. Le premier exemple : calcul de an , pour a entier et n entier non
négatif, va être détaillé à l’extrême, afin d’expliquer en détail la méthode de
construction utilisée. Les exemples suivants seront traités plus brièvement.
La définition récursive “naturelle an = a.an−1 (avec a0 = 1) nous a conduit
à la fonction suivante :
# let rec puiss a n =
if n = 0
then 1
else a*(puiss a (n-1)) ;;
puiss : int -> int -> int=<fun>
c IFSIC 1999
°
96
Calculs itératifs : récursivité terminale
Examinons le déroulement du processus d’évaluation de l’expression puiss
2 6:
puiss 2 6 =
2*(puiss 2 5) =
2*2*(puiss 2 4) =
2*2*2*(puiss 2 3) =
2*2*2*2*(puiss 2 2) =
2*2*2*2*2*(puiss 2 1) =
2*2*2*2*2*2*(puiss 2 0) =
2*2*2*2*2*2*1 =
2*2*2*2*2*2 =
2*2*2*2*4 =
2*2*2*8 =
2*2*16 =
2*32 =
64
On constate que le nombre de valeurs intermédiaires à “stocker” est proportionnel à n. Cela est du au fait que, lors de l’évaluation de l’expression puiss
a k, l’évaluation de l’appel récursif – ici l’appel à puiss a (k-1) – n’est pas la
dernière opération: il faut ensuite multiplier le résultat de cet appel récursif
par a. Et ceci pour chaque expression correspondant à une valeur de k allant
de n à 1. On dit que la fonction puiss est à récursivité non terminale.
Essayons maintenant de construire une fonction puiss iter basée sur la
définition “en extension”:
an = a
| ∗ a ∗{z· · · ∗ a}
n fois
Il s’agit d’effectuer les calculs successifs a, a ∗ a, a ∗ a ∗ a, · · · en comptant
le nombre de fois où l’on multiplie le résultat courant par a. Pour mettre en
œuvre ce principe, on utilise un raisonnement basé sur la notion de suites de
valeurs, régies par une équation d’évolution. Dans cet exemple, nous avons
deux suites :
- La suite ‘‘compteur’’
- La suite des valeurs calculées
...
0,
1,
1, 2, ...
a, a*a, ...
, k, ...
,a*a*...*a,
Désignons la première par compt et la seconde par acc. On constate qu’à
chaque étape du calcul, les valeurs des deux suites vérifient une relation, appelée pour cette raison invariant du calcul, qui est la suivante :
acc = a
· · ∗ a} = acompt
| ∗ ·{z
compt fois
Le résultat du calcul sera donc exprimé par acc lorsque la valeur de compt
sera égale à n. On a mis en évidence la condition d’arrêt :
compt = n, n étant une donnée
c IFSIC 1999
°
8.1. Amélioration de l’efficacité
97
On constate de plus que l’on passe d’une valeur du couple compt, acc à la
suivante par la transformation :
Ã
compt
acc
!
Ã
−→
compt + 1
a ∗ acc
!
Ceci met en évidence la loi d’évolution ou progression.
Enfin, initialement, on peut prendre compt = 0 et acc = 1, qui sont des
valeurs connues et satisfaisant l’invariant : 1 = a0 . On a donc mis en évidence
les valeurs initiales.
Ces quatre éléments : invariant, condition d’arrêt, progression, valeurs
initiales sont constitutifs de toute construction itérative permettant d’exprimer la répétition d’un calcul “un certain nombre de fois”. Il nous reste à
expliquer comment exploiter ces éléments pour obtenir la définition correspondante, en CAML, de la fonction puiss iter.
D’après la condition d’arrêt, un embryon de définition est le suivant:
puiss iter a n = valeur de acc lorsque compt=n
Il faut donc trouver une expression donnant cette valeur de acc. Cela va être
réalisé à l’aide d’une fonction exprimant la progression. Cette progression nous
indique que :
1 est la valeur de acc lorsque compt = 0
a ‘‘
‘‘
acc
‘‘
compt = 1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
si x est la valeur de acc lorsque compt = k, alors
a*x ‘‘
‘‘
acc
’
compt = k+1
L’évolution des deux suites est donc engendrée par le processus d’exécution
de la fonction, que nous désignons par progression, telle que :
progression compt acc = progression (compt + 1) (a*acc)
En CAML, cette fonction est définie récursivement, avec sa condition
d’arrêt, dans un contexte où a et n sont liés :
let rec progression compt acc =
if compt = n
then acc
else progression (compt+1) (a*acc)
Le processus d’évaluation de l’expression progression 0 1 (les valeurs initiales
respectives de compt et acc) va alors produire la suite des valeurs
progression 0 1 = progression 1 a = progression 2 a2 = ...progression
n
an .
c IFSIC 1999
°
98
Calculs itératifs : récursivité terminale
Finalement, la définition de puiss iter va englober la définition de la fonction progression comme définition locale, ce qui donne le texte final :
# let puiss iter a n =
let rec progression compt acc =
if compt = n
then acc
else progression (compt+1) (a*acc)
in progression 0 1 ;;
puiss iter : int -> int -> int = <fun>
Déroulons maintenant le processus d’évaluation de l’expression puiss iter 2
6:
puiss_iter 2 6 = progression 0 1
= progression 1 2
= progression 2 4
= progression 3 8
= progression 4 16
= progression 5 32
= progression 6 64
= 64
On constate que le processus n’a besoin de stocker, à chaque étape, qu’un
nombre constant de valeurs (ici, les valeurs des deux paramètres effectifs de
la fonction progression). Cela est dû au fait que, dans l’évaluation de l’expression progression compt acc, l’évaluation de l’appel récursif – ici l’appel
à progression (compt+1) (a*acc) – est la dernière opération. On dit que la
fonction progression est à récursivité terminale.
Exemple 2 : renversement d’une liste
Étant donnée une liste ` d’éléments de type quelconque, définir une fonction
miroir qui rend la liste des valeurs de ` dans l’ordre inverse : [a; b; c; d] >[d; c; b; a]
Solution récursive directe
Appliquant la méthodologie du chapitre 7, on obtient immédiatement l’équation :
miroir x::r = mettre en queue (miroir r) x, où mettre en queue est la fonction qui, appliquée une liste et une valeur , met cette valeur en queue de liste.
La fonction mettre en queue elle-même est récursive.
Voici les textes en CAML :
# let rec mettre en queue l v =
if vide l
c IFSIC 1999
°
8.1. Amélioration de l’efficacité
99
then cons v l
else cons (hd l) (mettre en queue (tl l) v) ;;
mettre en queue : ’a list -> ’a -> ’a list
# let rec miroir l =
if vide l
then l
else mettre en queue (miroir (tl l)) (hd l) ;;
miroir : ’a list -> ’a list
On peut ici réaliser la complexité de cette solution, puisque chaque évaluation
de miroir provoque une évaluation de mettre en queue, qui nécessite elle-même
un parcours exhaustif de sa liste argument. Le processus d’évaluation de l’expression miroir [a;b;c], par exemple, est le suivant (on abrège mettre en queue
par meq):
miroir [a; b; c] =
meq (miroir [b; c]) a =
meq (meq (miroir [c]) b) a =
meq (meq (meq (miroir []) c) b) a =
meq (meq (meq [] c) b) a =
meq (meq [c] b) a =
meq (c::(meq [] b) a =
meq (c::[b]) a =
c::(meq [b] a) =
c::(b::(meq [] a)) =
c::(b::[a]) =
c::[b; a] =
[c; b; a]
Solution itérative
On considère deux suites, toutes deux constituées de listes; la première,
désignée par arg est la suite de listes obtenues en ôtant successivement les
têtes à partir de la liste donnée, la seconde, notée res, est la suite de listes
obtenues en ajoutant successivement en tête les valeurs retirées de la première,
à partir de la liste vide. On a donc l’évolution suivante :
arg
res
----------------[a;b;c;d]
[]
[b;c;d]
[a]
[c;d]
[b;a]
[d]
[c;b;a]
[]
[d;c;b;a]
Invariant: miroir(res)@arg = l où l est la liste donnée, et @ exprime la
concaténation des listes.
c IFSIC 1999
°
100
Calculs itératifs : récursivité terminale
Condition d’arrêt et résultat: arg=[] résultat : res. En effet, on a alors,
d’après l’invariant : miroir(res) = l ce qui est équivalent à res = miroir(l).
Progression
Ã
!
Ã
!
arg = x :: r
r
−→
res
x :: res
Valeurs initiales arg=l, res = []
Codage CAML
# let miroir iter l =
let rec progression arg res =
if vide arg
then res
else progression (tl l) (cons (hd l) res)
in progression l [] ;;
miroir res : ’a list -> ’a list = <fun>
Déroulons le processus d’évaluation de l’expression miroir iter [a; b;
c] :
miroir_iter [a; b; c] =
progression [a; b; c] [] =
progression [b; c] a::[] =
progression [c] b::[a] =
progression [] c::[b; a] =
[c ; b; a]
8.2
Faciliter la résolution de certains problèmes
Dans ce paragraphe, nous examinons deux exemples de fonctions dont la
définition récursive directe, même si elle reste possible, s’avère plus difficile à
concevoir, pour le programmeur, qu’une définition itérative.
8.2.1
Rang
Il s’agit de trouver le rang du premier élément d’une liste de type quelconque vérifiant une condition donnée. La spécification de cette fonction est
donc :
rang : (’a ->bool) ->’a list ->int
Si aucun élément de la liste ne vérifie la condition, alors le résultat doit
être égal à 0.
c IFSIC 1999
°
8.2. Faciliter la résolution de certains problèmes
101
Quelles sont les difficultés d’une définition récursive directe? Apparemment, il est facile d’établir une équation :
rang C x ::r = si C x alors 1
sinon 1 + rang C r
Cette équation n’est pas valable lorsque la liste est vide. Dans ce cas, quelle
définition donner? Dans une liste vide, aucun élément ne vérifie la condition,
donc le résultat doit être 0. Selon cette analyse, le codage CAML sera le
suivant :
# let rec rang C l
if vide
then
else
=
l
0
if C (hd l)
then 1
else 1+rang C (tl l) ;;
rang : (’a -> bool) -> ’a list -> int = <fun>
Cependant, cette définition n’est pas correcte, comme le montre le processus d’exécution ci-dessous, avec C x = x<0 (rang du premier élément négatif
dans une liste d’entiers):
rang C [2 ; 6 ; 1]
1 + rang C [6 ; 1]
1 + 1 + rang C [1]
1 + 1 + 1 + rang C
1 + 1 + 1 + 0 =
3
=
=
=
[] =
En fait, le problème vient de ce que la liste vide constitue une condition
d’arrêt correspondant au cas où aucun élément ne vérifie la condition (cas
de parcours exhaustif). Dans ce cas, l’erreur vient de ce que la définition
proposée incrémente le résultat obtenu lors de chaque retour d’appel. Il faudrait donc disposer d’une information supplémentaire permettant d’effectuer
un test, dans l’expression du résultat, selon qu’un appel sur la liste vide a eu
lieu ou non. Plutôt que d’essayer de résoudre directement ce problème, nous
allons examiner une solution itérative.
Soit ` = [x1 ; x2 ; . . . ; xn ] la liste argument, dans le cas où elle n’est pas vide.
Le parcours de cette liste avec gestion du rang met en œuvre trois suites :
rang :
1
2
...
k−1
k
...
tete :
x1
x2
...
xk−1
xk
...
reste : [x2 ; . . . ; xn ] [x3 ; . . . ; xn ] . . . [xk ; . . . ; xn ] [xk+1 ; . . . ; xn ] . . .
Invariant: tete = xrang , reste = [xrang+1 ; . . . ; xn ], 1 ≤ rang ≤ n
Arrêt: C tete (résultat rang) ou reste = [] (résultat 0)
c IFSIC 1999
°
102
Calculs itératifs : récursivité terminale




rang
rang + 1




tete
x
Progression: 
−→



reste = x :: r
r
Valeurs initiales: rang = 1, tete = x1 , reste = [x2 ; . . . ; xn ]
Codage CAML
# let rang iter C l =
if vide l
then 0
else
let rec progression rang tete reste =
if vide reste
then 0
else if C (hd reste)
then rang
else progression (rang+1) (hd reste) (tl reste)
in progression 1 x1 r1 ;;
rang iter : (’a -> bool) -> ’a list -> int = <fun>
Exemples de processus d’exécution :
rang_iter (function x -> x<0) [5 ; 7; 4 ; 8] =
progression 1 5 [7 ; 4 ; 8] =
progression 2 7 [4 ; 8] =
progression 3 4 [8] =
progression 4 8 [] =
0
rang_iter (function x -> x<0) [5 ; 7; 4 ; -1 ; 8] =
progression 1 5 [7 ; 4 ; -1 ; 8] =
progression 2 7 [4 ; -1 ; 8] =
progression 3 4 [-1 ; 8] =
progression 4 (-1) [8] =
4
8.2.2
Problème du Comité
Un comité est composé membres, chaque membre étant représentant d’un
parti A ou d’un parti B. Il y a, initialement, nA (resp. nB) membres du
parti A (resp B). Le renouvellement du comité, annuel, s’effectue par remplacement aléatoire d’un des membres, selon l’algorithme suivant : un premier
tirage au sort détermine le parti du membre sortant, puis un deuxième tirage (indépendant du premier) détermine le parti du membre entrant. Un des
c IFSIC 1999
°
8.2. Faciliter la résolution de certains problèmes
103
membres du parti sortant est alors remplacé par un nouveau membre du parti
entrant (le nombre total reste constant, soit N ). Le problème consiste à simuler l’évolution de ce comité jusqu’à ce qu’un des deux partis soit éliminé; le
résultat est alors le couple (nom du parti éliminé, nombre d’années).
Les deux tirages sont effectués selon une loi pondérée par le nombre respectif de représentants des deux partis, avant remplacement. Autrement dit, le
résultat de chacun des tirages est une variable aléatoire Y pouvant être égale
à A ou B, avec les probabilités
P(Y = A) =
xA
xB
, P(Y = B) =
xA + xB
xA + xB
où xA et xB désignent respectivement le nombre de membres des partis A et
B au moment du tirage. En CAML, on dispose de la fonction prédéfinie random int : int ->int qui délivre un entier tiré au hasard selon la loi uniforme
entre 0 et son argument. Le tirage peut donc être simulé par l’exécution de la
fonction définie ci-dessous :
# let tirage xA xB = let x=random int (xA+xB-1) in
if x<xA then ‘A‘ else ‘B‘ ;;
tirage : int -> int -> char = <fun>
L’évolution
xA
=
xB
=
compt =
du comité est modélisée à l’aide de trois suites :
nombre de membres du parti A
nombre de membres du parti B
nombre d’années
Invariant:
xA
= nombre de membres du parti A l’année compt
xB
= nombre de membres du parti B l’année compt
xA + xB = N
Condition d’arrêt : xA = 0 (résultat (‘A‘, compt) ou xB = 0 (résultat
(‘B‘,compt)).
Progression : soit c1 et c2 les résultats des deux tirages au sort successifs.
Selon les valeurs du couple (c1,c2) (il y en a quatre possibles) on incrémente
(resp. décrémente) de 1 les valeurs de xA et xB; dans tous les cas, compt
augmente de 1.
Valeurs initiales : xA = nA, xB = nB,compt = 0
Codage en CAML
# let comite nA nB =
let rec progression compt xA xB =
c IFSIC 1999
°
104
Calculs itératifs : récursivité terminale
if xA = 0
then (‘A‘, compt)
else if xB = 0
then (‘B‘, compt)
else
let c1=tirage xA xB and c2=tirage xA xB in
match (c1, c2) with
if c1=‘A‘ & c2=‘A‘ or c1=‘B‘ & c2= ‘B‘
then progression (compt+1) xA xB
else if c1=‘A‘ & c2=‘B‘
then progression (compt+1) (xA-1) (xB+1)
else (* c1=‘B‘, c2=‘A‘ *)
progression (compt+1) (xA+1) (xB-1)
in progression 0 nA nB;;
comite : int -> int -> int*char = <fun>
Remarque : ce programme est un exemple qui se prêterait bien à l’utilisation des filtres. Bien que nous n’ayons pas souhaité retenir ce style de programmation dans ce cours, on montre ci-dessous ce que ça donnerait (ceci illustre la
concision de style en CAML; de plus, le programme est plus compréhensible).
# let comite nA nB =
let rec progression compt = function
(0, ) -> (‘A‘, compt)
| ( ,0) -> (‘B‘, compt)
| (xA,xB) ->
let c1=tirage xA xB and c2=tirage xA xB in
match (c1, c2) with
(‘A‘,‘A‘) | (‘B‘,‘B‘) -> progression (compt+1) (xA,xB)
(‘A‘, ‘B‘) -> progression (compt+1) ((xA-1), (xB+1))
(‘B‘, ‘A‘) -> progression (compt+1) ((xA+1), (xB1))
in progression 0 (nA, nB);;
> Toplevel input:
>.............match (c1,c2) with
>
(‘a‘, ‘a‘) — (‘b‘,‘b‘) -> progression (compt+1) (xa, xb)
>
—(‘a‘,‘b‘) -> progression (compt+1) ((xa-1),(xb+1))
>
—(‘b‘,‘a‘) -> progression (compt+1) ((xa+1),(xb-1))
> Warning: pattern matching is not exhaustive
comite : int -> int -> int*char = <fun>
(le message warning n’est qu’un avertisssement, indiquant que tous les cas de
valeurs de couples (c1,c2) n’ont pas été prévus. Si on veut éviter ce message,
il suffit de rajouter un cas | -> failwith "tirage imprevu!").
c IFSIC 1999
°
8.3. Simulation d’itérations
105
On peut provoquer un bel affichage du résultat, en définissant la fonction :
# let aff comite nA nB = let (c,n) = comite nA nB in
"le parti "^(char for read c)^" s’eteint au bout de"
^(string of int n)^" annees" ;;
aff comite : int -> int -> string =<fun>
8.3
8.3.1
Simulation d’itérations
Boucle
Dans les cours de programmation impérative, on introduit la notion d’itération,
qui peut être schématisée de la manière suivante : Soit x une valeur initiale.
Soit arret un test vérifiant si x convient. Si c’est le cas, le résultat vaut x;
sinon, soit nouveau une fonction qui, appliquée à x donne une nouvelle valeur.
On remplace x par nouveau(x) et on recommence.
Ce schéma peut être exprimé par une fonction iterer, ayant comme arguments la valeur init:’a, la condition d’arret arret:’a ->bool et la fonction de
transformation nouveau:’a -> ’a. Remarquez que l’on retrouve les éléments
valeurs initiales, condition d’arrêt et progression de la méthodologie
itérative. On en déduit facilement la fonction générique itérer :
# let iterer init arret nouveau =
let rec progression x = if arret x
then x
else progression (nouveau x)
in progression init ;;
iterer : ’a -> (’a -> bool) -> (’a -> ’a) -> ’a =
<fun>
Application: calcul approché de la racine carrée On montre, en ana√
lyse numérique, que, si¡ x est ¢une valeur approchée de a, où a est un nombre
√
positif ou nul, alors 12 x + xa est une approximation plus précise de a. On
donne le nombre a, et un réel ε, et on veut calculer une valeur x telle que
√
| x ∗ x − a |≤ ε (x est une approximation à ε près de a). On peut prendre a
comme approximation initiale.
Il suffit de spécialiser la fonction générique iterer en choisissant convenablement les arguments.
# let rac carree a epsil =
let arret x = abs float(x*.x -.a)<=.epsil and
nouveau x = (x+a/.x)/.2. in
c IFSIC 1999
°
106
Calculs itératifs : récursivité terminale
iterer a arret nouveau ;;
rac carree : float -> float -> float = <fun>
8.3.2
Généralisation : calculs sur les suites
Soit x0 ,x1 , . . . ,xk , . . . une suite de valeurs de type quelconque, telle que :
– le terme initial x0 a une valeur donnée,
– le terme de rang k dépend du terme de rang k − 1 et de la valeur entière
k : xk = f (xk−1 ,k) où f est une fonction donnée
Soit enfin C une condition définie sur les couples (x,k) où x est une valeur du
même type que les éléments de la suite, et k est entier.
On veut calculer la valeur x et le rang k du premier terme de la suite tel
que la condition C(x,k) soit vérifiée.
Soit val et rang le nom de la fonction Son type est donc :
’a ->(’a ->int ->’a) ->(’a ->int ->bool) ->’a*int (les arguments sont,
dans l’ordre, x0 , f, C).
Les deux suites mises en jeu dans ce calcul sont :
– Le compteur rang, prenant les valeurs successives :
0,1, . . . ,k − 1,k, . . .
– La suite val, prenant les valeurs successives :
x0 ,x1 , . . . ,xk−1 ,xk , . . .
Invariant : val = xrang
Condition d’arrêt : C(val,rang); le résultat est alors le couple (val,rang)
Progression :
Ã
rang
val
!
Ã
−→
rang + 1
f (val,rang)
!
Valeurs initiales : rang = 0,val = x0
Codage en CAML :
# let val et rang x0 f C =
let rec progression rang val =
if C val rang
then (val,rang)
else progression (rang+1) (f val rang)
in progression 0 x0 ;;
val et rang : ’a -> (’a -> int -> ’a) -> (’a -> int -> bool) -> ’a * int = <fun>
c IFSIC 1999
°
8.3. Simulation d’itérations
107
Exemples d’applications
Capital Soit un capital a, placé au taux annuel t%. Au bout de combien
d’années ce capital aura-t-il dépassé une valeur S donnée, et quelle sera alors
sa valeur?
Les valeurs successives du capital constituent une suite, de valeur initiale
t
a et évoluant selon la loi x −→ x + x ∗ 100
.
La condition d’arrêt est x ≥ S.
On spécialise donc la fonction générique val et rang en définissant correctement les paramètres effectifs :
# let capital a t S =
let f v r = v+.v*.t/.100. (* f ne dépend pas de r*)
and C v r = v>=.S (* C ne dépend pas de r*)
in val et rang a f C ;;
capital : float -> float -> float -> float*int =<fun>
Quand est-ce que mon capital de 10000F, placé à 4.5%, aura doublé?
# let capital double a t = capital a t (2*.a) in
capital double 10000. 4.5 ;;
- : float * int = 20223.7015303, 16
c IFSIC 1999
°
108
Calculs itératifs : récursivité terminale
c IFSIC 1999
°
Chapitre 9
Vers la programmation
impérative
9.1
9.1.1
Modification du contexte : affectation
Modèle par substitution et modèle à état modifiable
Jusqu’à présent, les programmes que nous avons écrit nous ont permis
d’exprimer des algorithmes, dont l’exécution se contentait d’évaluer des expressions, en fonction du contexte. Nous avons constaté que l’évaluation d’une
expression est basée sur la lecture du contexte, mais ne provoque aucune modification des valeurs contenues dans celui-ci. Le modèle utilisé s’appelle modèle
d’évaluation par substitution car, effectivement, le seul mécanisme mis en jeu
lors d’évaluations d’expressions est celui qui consiste à remplacer chaque identificateur présent dans l’expression par sa valeur correspondante dans le contexte
(selon la règle de recherche dans le contexte, expliquée notamment aux chapitres 3 et 5). Comme il faut bien pouvoir construire un contexte (installer
de nouvelles liaisons) ou le détruire (supprimer des liaisons), les opérations
adéquates sont fournies à cet effet:
– L’installation d’une nouvelle liaison est réalisée explicitement par la
construction let id = expr (voire let rec ...),
– La suppression d’une liaison est implicite, lors de fins d’évaluations pour
les liaisons locales, lors de la fin de la session pour les liaisons globales.
Cependant, et c’est là le trait essentiel du modèle par substitution, aucune
opération ne permet de modifier une liaison en place.
Il existe un autre modèle, dit modèle à état modifiable (ou plus brièvement
modèle à état, ou modèle à environnement, ou modèle à effets) dans lequel de
telles opérations sont possibles. Bien que le langage CAML fournisse les outils
permettant d’exprimer de telles opérations, nous allons – pour des raisons de
simplicité – décrire le modèle à état dans un formalisme qui n’est pas celui
c IFSIC 1999
°
110
Vers la programmation impérative
du langage CAML. En effet, CAML fournit un mécanisme de modification
indirecte, exprimant le concept de références. Ce concept sera étudié dans les
cours de programmation impérative (avec d’autres langages). Dans un premier
temps, nous décrivons un mécanisme de modification directe, plus simple à
appréhender.
9.1.2
Affectation
Dans ce qui suit, nous considérons une machine ”CAML-étendue”, hypothétique, qui, outre les fonctionnalité de la machine CAML que nous connaissons, possède une opération supplémentaire. Nous introduisons un nouveau
symbole qui, répétons le, n’appartient pas au langage CAML. Ce symbole, ←, exprime une action, ayant pour effet de modifier la valeur liée à un
identificateur du contexte. Ainsi, l’exécution de la phrase:
x ←expr
effectue deux choses :
1. elle évalue l’expression expr dans le contexte courant : soit val la valeur
obtenue (en supposant que l’évaluation réussisse);
2. dans la liaison identifiée par l’identificateur x, la valeur liée à x est effacée
et remplacée par la nouvelle valeur val.
et la machine CAML-étendue affiche l’information relative à la liaison modifiée.
Noter que le mécanisme d’évaluation de l’expression, comme le procédé de
recherche dans le contexte, sont identiques à ceux que nous avons vus jusqu’à
présent : mécanisme standard du modèle par substitution pour l’évaluation, et
recherche dans le contexte de la plus récente liaison d’identificateur x.
Une opération telle que celle que nous venons de décrire s’appelle une affectation. Pour qu’elle réussisse, il faut donc plusieurs conditions (les deux
premières sont celles du modèle par substitution : nous ne faisons que les rappeler; la troisième est nouvelle, spécifique de l’affectation) :
1. celles conditionnant le succès de l’évaluation de l’expression expr (identificateurs liés dans le contexte et cohérence de type),
2. celle conditionnant le succès de la recherche de l’identificateur x dans le
contexte,
3. le type du résultat de l’évaluation et le type de x dans le contexte doivent
être les mêmes (rappelons que le champ type d’une liaison décrit les types
de valeurs qui peuvent être liés à x).
Exemple Dans le contexte [x~56 ; y~‘0‘ ; x~"toto"] on effectue l’action:
x ←int of char y - x.
Le contexte obtenu est alors le suivant (sachant que int of char ‘0‘ =
48) :
[x~-8 ; y~‘a‘ ; x~"toto"]
c IFSIC 1999
°
9.1. Modification du contexte : affectation
111
(la machine ”CAML-étendue” affiche la réponse x : int = -8)
On constate que l’exécution de cette opération a eu un effet sur le contexte
en place. C’est pourquoi une telle exécution s’appelle une action, et la phrase
qui la décrit dans le langage s’appelle une instruction (au sens administratif
ou militaire du terme) : on donne un ordre, ou instruction, au processus.
Nous retenons les définitions suivantes, permettant de bien distinguer les
notions relatives au programme (notions statiques) de celles relatives aux processus et contextes d’exécution (notions dynamiques) :
– On appelle effet (sur un identificateur présent dans un contexte) le remplacement d’une valeur liée à cet identificateur par une nouvelle valeur.
– Une action est une opération effectuée par un processus d’exécution,
produisant un effet.
– Une instruction est une construction de langage permettant d’exprimer
une action.
9.1.3
Les dangers de l’affectation
Avec cette nouvelle opération, la simplicité et la sécurité du modèle par
substitution sont quelque peu perturbés, comme vont le montrer les exemples
ci-après. Considérons les deux définitions de fonctions suivantes, la première
étant une définition classique en CAML, la deuxième une définition faisant
intervenir une instruction d’affectation (syntaxiquement incorrecte en CAML,
du moins sous cette forme, rappelons le encore!) :
# let soustraire x y = y-x ;;
soustraire : int -> int -> int = <fun>
# let soustraire mut x y = y ← y-x ;;
soustraire mut : int -> int -> int = <fun>
Essayons maintenant deux applications successives de la fonction soustraire,
puis deux applications successives de la fonction soustraire mut:
let x=100 and y=500 ;;
x : int = 100
y : int = 500
# soustraire x y ;;
- : int = 400
# soustraire x y;;
- : int = 400
# y;;
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112
Vers la programmation impérative
- : int = 500
# soustraire mut x y ;;
y : int = 400
# soustraire mut x y ;;
y : int = 300
y ;;
- : int = 300
Ainsi, l’application de la fonction soustraire ne modifie pas le contexte,
et deux applications successives avec les mêmes arguments donnent les mêmes
résultats. Par contre, chaque application de la fonction soustraire mut modifie le contexte (en l’occurrence la valeur liée à y) et cet effet se répercute lors
d’appels successifs, puisque deux appels successifs avec les mêmes arguments
formels donne deux résultats différents. Dans ce dernier cas, on s’aperçoit
que des applications successives de la fonction ont un effet cumulatif ou effet mémoire, source de résultats surprenants si le phénomène n’est pas bien
maı̂trisé par le programmeur. Mais il y a pire :
# let y=500 in (soustraire mut 100 y) + y ;;
- : int =???
Le résultat de l’évaluation, ici, dépend de l’ordre dans lequel les deux arguments de l’opérateur + vont être évalués. En effet, si l’opérande gauche est
évalué avant le droit, on obtiendra 400 + 400 c’est-à-dire 800, tandis que si
l’opérande droit est évalué avant le gauche, on obtiendra 500 + 400 c’est-àdire 900. La commutativité de l’addition n’est donc plus assurée! Cet exemple
illustre parfaitement le danger qu’il peut y avoir à définir des fonctions produisant des effets, lorsque ces fonctions sont appelées lors d’évaluations d’expressions: les effets en question peuvent être ”pervers”.
9.1.4
Composition d’actions : la séquentialité
Les modèles offrant la possibilité d’actions (telles que l’affectation) doivent
aussi fournir les moyens de composer entre elles plusieurs actions, au moyen
d’opérateurs de composition. Bien que l’étude détaillée de ceux-ci relève d’un
cours d’initiation à la programmation selon l’approche impérative (qui fera
l’objet d’un autre document), nous allons introduire ici le plus élémentaire
d’entre eux, à savoir l’opérateur de séquentialité. Notez que cet opérateur
existe dans le langage CAML, indépendamment de l’existence d’instructions
produisant des actions (telles que l’instruction d’affectation), mais son utilisation ne présente pas d’intérêt lorsqu’on se limite au modèle d’évaluation par
substitution.
c IFSIC 1999
°
9.1. Modification du contexte : affectation
113
L’opérateur de séquentialité est désigné au moyen du symbole ; (pointvirgule), et il possède la signification suivante : soit I1 et I2 deux instructions,
telles que l’exécution de I1 le contexte C0 produit le contexte C1 et la valeur
v1 , et l’exécution de I2 le contexte C1 produit le contexte C2 et la valeur v2 .
Alors I1 ; I2 est l’instruction dont l’exécution dans le contexte C0 produit le
contexte C2 et la valeur v2 :
C1 I2 C2
−→
v1
v2
I
1
C0 −→
≡
I1 ;I2
C0 −→
C2
v2
L’opérateur de séquentialité est associatif, c’est-à-dire : I1 ; (I2 ; I3 ) est
équivalent (produit le même contexte et la même valeur) que (I1 ; I2 ) ; I3 si
bien que l’on peut tout simplement écrire I1 ; I2 ; I3 .
Exemple: dans le contexte [x~1 ; y~2], la séquence suivante :
x ←x + y ; y ←x - y ; x ←x - y va produire le contexte
[x~2 ; y~1]
L’opérateur de séquentialité peut aussi être utilisé pour composer des
opérations d’évaluation sans effet. Dans ce cas, le contexte n’est pas modifié, et
la valeur obtenue est le résultat de la dernière évaluation. Les deux exemples cidessous sont légaux en CAML (bien que leur intérêt, ici, ne soit pas évident!) :
# let x=1 and y=2 in x ; y ;;
- : int = 2
# let x=1 and y=2 in y ; x ;;
- : int = 1
En fait, la séquentialité n’a d’intérêt que lorsqu’elle compose des opérations
dont au moins l’une est une action. Mais, ce faisant, les dangers déjà mentionnés à propos des opérations à effet – telles que l’affectation – sont encore
plus grand, comme le montre l’exemple suivant 1 :
# let ajouter mut
x y = x ← x+y ;;
ajouter mut : int -> int -> int = <fun>
# let soustraire mut x y = y ← y-x ;;
soustraire mut : int -> int -> int = <fun>
# let x=100 and y=500 ;;
x : int = 100
y : int = 500
# ajouter mut
x y
;
soustraire mut x y ;;
- : int = -100
# (x, y) ;;
- : int*int = 600, -100
1. rappel : qui n’est pas correct en CAML.
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114
Vers la programmation impérative
# let x=100 and y=500 ;;
x : int = 100
y : int = 500
# soustraire mut
x y
;
ajouter mut x y ;;
- : int = 500
# (x, y) ;;
- : int*int = 500, 400
9.2
9.2.1
Fonctions et procédures : les entrées-sorties
Fonctions pures et procédures pures
Dans le modèle par substitution, un algorithme est exprimé sous forme
d’une expression, qui peut être abstraite sous la forme d’une fonction, c’est-àdire d’une expression dont l’évaluation est paramétrée. Un appel de fonction
provoque alors, à l’exécution, l’évaluation de cette expression (expression de
définition de la fonction) dans laquelle certains paramètres formels – identificateurs – ont été remplacés par des valeurs. Une telle opération ne produit
pas d’effet, mais rend un résultat: on parle alors de fonction pure.
Au contraire, nous avons vu que le modèle à état permet d’introduire des
instructions. L’exécution d’une instruction est une action, qui produit des effets, mais peut aussi rendre un résultat. Dans un tel modèle, un algorithme
peut être exprimé comme un enchaı̂nement d’instructions, qui peut être abstrait sous la forme de ce que l’on appelle une procédure, c’est-à-dire un enchaı̂nement d’instruction éventuellement paramétré. Un appel de procédure
provoque alors, à l’exécution, l’enchaı̂nement des actions correspondant aux
instructions, c’est-à-dire une action globale, produisant des effets. Si ce processus ne rend pas de valeur, alors on parle de procédure pure.
La plupart des langages de programmation mettent en œuvre les deux
modèles par substitution et à états, et offrent les notions de fonctions et de
procédures (groupées sous divers noms génériques comme sous-programme ou
routine ou méthodes, etc.). Idéalement, seuls les concepts de fonction pure
et procédure pure devraient être disponibles, c’est-à-dire qu’une fonction ne
devrait pas permettre de programmer des actions, et une procédure ne devrait
pas rendre de résultat. Malheureusement, cette discipline reste souvent de la
responsabilité des programmeurs, car de nombreux langages n’imposent pas ce
type de restrictions à l’usage des fonctions ou des procédures. En particulier, la
notion hybride de fonction ”à effets” (ou, ce qui est équivalent – sauf peut-être
syntaxiquement dans certains langages – de procédure rendant des résultats)
est une source de dangers, surtout si elles sont utilisées dans des expressions
englobantes, comme l’ont montré quelques-uns des exemples précédents.
Arrivé à ce point de notre réflexion, il serait tentant de vouloir se passer
c IFSIC 1999
°
9.2. Fonctions et procédures : les entrées-sorties
115
du modèle à états, donc de la notion d’effet – et partant de celle de procédure
– de manière à ne garder que le concept de fonction pure. C’est ce que nous
avons essayé de montrer tout au long de ce cours, et il semble que nous n’y
avons pas trop mal réussi: cette approche, s’appuyant sur un sous-ensemble
du langage CAML 2 a montré sa puissance d’expression, grâce à des concepts
tels que fonctionnalité, récursion, généricité, etc. 3
9.2.2
Entrées/sorties en CAML
Il y a toutefois un domaine dans lequel le modèle par substitution est
insuffisant, c’est celui de l’échange de flots de données avec d’autres environnements, mis en jeu dans toutes sortes de communications, et dont la forme
la plus immédiate est constituée des mécanismes d’entrées/sorties – appelés
aussi lecture/écriture. Il est en effet indispensable, dans de nombreuses applications, d’aller chercher les données – et de porter les résultats – à l’extérieur
du contexte d’exécution (par exemple sur des fichiers, depuis des capteurs,
vers des afficheurs, etc.). Ceci implique un transfert de données depuis/vers
des environnements extérieurs. Les langages offrent tous des mécanismes de
communication primitifs permettant d’exprimer de tels transferts. Nous allons examiner ceux offerts par le langage CAML car, outre qu’ils complètent
utilement les possibilités d’utilisation de ce langage, ils sont conceptuellement
significatifs des problèmes posés par leur utilisation au niveau de la programmation.
9.2.2.1
Notion de canal
La communication entre le contexte d’un processus et les environnements
extérieurs se fait à travers des dispositifs appelés canaux. Chaque canal permet
la communication dans un sens (entrée ou sortie) depuis ou vers un environnement externe (un fichier, le clavier, l’écran, etc.). En CAML, la notion de
canal est abstraite par deux types de données, le type in channel pour les canaux entrants (c’est-à-dire extérieur ->contexte), et le type out channel pour
les canaux sortants (contexte ->extérieur). Les valeurs de type canaux sont
en fait des descripteurs de fichiers, dont la structure exacte importe peu au
programmeur 4 . Les différentes opérations applicables aux valeurs de ce type
sont définies soit comme fonctions, soit comme procédures. Nous allons examiner rapidement les plus courantes, d’abord pour les canaux de sortie, puis
pour les canaux d’entrée.
2. mais elle aurait aussi bien pu s’appuyer sur d’autres langages dits ”fonctionnels”, comme
LISP ou son dialecte SCHEME par exemple.
3. et encore, nous n’avons pas présenté toutes les possibilités, notamment en matière de
structuration des données!
4. et d’ailleurs, elle leur est cachée : il s’agit d’un exemple de type de données abstrait,
concept que l’on retrouvera dans les cours plus avancés, notamment au cœur de la programmation par objets
c IFSIC 1999
°
116
9.2.2.2
Vers la programmation impérative
Opérations sur le type out channel : écritures sur fichiers
On définit une valeur de type out channel en appliquant la fonction :
open out : string ->out channel
Ici, l’argument de type string est le nom d’un fichier dans le système d’exploitation sous-jacent (ms-dosT M , ms-widowsT M , unixT M , ...). Le résultat est
une valeur de type out channel; comme toute valeur, celle-ci peut être sauvegardée dans le contexte :
# let fr = open out "toto.res" ;;
fr : out channel = < abstract >
Toute entité de type out channel est donc ”associée” à un fichier, sur lequel
on peut ”écrire” des valeurs de types imprimables, essentiellement les types
char, string, int, float. Les ”fonctions” d’écriture correspondantes sont les
suivantes :
output char : out channel ->char ->unit
output string : out channel ->string ->unit
et, pour tout autre type imprimable : output value : out channel ->‘a ->unit
Nous rencontrons pour la première fois le type unit. Il s’agit d’un type
dont l’ensemble des valeurs est vide (en fait, pour des raisons syntaxiques, il
comporte une seule valeur, notée (), signifiant ”aucune valeur”). Mais alors, à
quoi sert-il? En fait, la ”fonction” output char, par exemple, est une procédure
pure: son exécution avec un canal fr et un caractère c donnés, a seulement
pour effet de déposer la valeur liée à c dans le canal lié à fr, c’est-à-dire de
modifier la valeur liée à fr (l’état du canal est modifié). Par contre, cette
exécution ne délivre aucune valeur. Au niveau syntaxique, CAML ne connaı̂t
que la notion de fonction, de type fonctionnel t ->t’. Les procédures sont donc
des valeurs ”fonctionnelles” à type de résultat unit, c’est-à-dire des ”fonctions”
ne délivrant pas de valeurs.
# output char fr ‘c‘ ;;
- : unit = ()
(* ci-dessous, une définition sans aucun intérêt... *)
# let valeur stupide = output char fr ‘@‘ ;;
valeur stupide : unit = ()
# valeur stupide;;
- : unit = ()
Enfin, la fermeture d’un fichier est effectuée par la ”fonction” (procédure pure)
close out : output channel ->unit
Attention, à l’issue de cette opération, l’identificateur est toujours dans
le contexte. On ne sait pas alors quel est l’effet d’une écriture dans ce canal
(probablement sans effet).
c IFSIC 1999
°
9.2. Fonctions et procédures : les entrées-sorties
117
A titre d’exemple, nous donnons la définition de la fonction (procédure
pure) dont l’exécution réalise la sauvegarde d’une liste de chaı̂nes dans un
fichier :
# let sauvegarde fr lc =
let rec parcours l =
if vide l
then close in fr
else begin output string fr ((hd l)^"\ n") ; parcours (tl l) end
in parcours lc ;;
sauvegarde : out channel -> string list -> unit = <fun>
Le symbole "\ n" désigne la valeur de chaı̂ne ne comportant que le caractère de
contrôle ”passage à la ligne suivante”. Les mots-clefs begin ... end délimitent
l’expression (ici, séquence d’instructions, de type unit) à ”évaluer” dans le cas
de filtrage considéré.
9.2.2.3
Opérations sur le type in channel : lectures sur fichiers
Ces opérations sont assez symétriques des opérations d’écriture. Nous avons :
ouverture :
open in : string ->in channel
fermeture :
close in : in channel ->unit
lecture d’un caractère :
input char : in channel ->char
lecture d’une chaı̂ne (suite de caractères jusqu’à la prochaine marque de fin de ligne) :
input line : in channel ->string
Ces deux dernières fonctions rendent effectivement un résultat (ce ne sont pas des
procédures pures) mais leur exécution produit aussi un effet sur leur premier argument
canal d’entrée : un caractère (resp. séquence de caractères) est ôté du canal (ce ne sont
pas des fonctions pures)
De manière symétrique, nous donnons la définition d’une fonction récursive
permettant de constituer une liste de chaı̂nes à partir des lignes d’un fichier (via
un canal d’entrée). Pour cela, il faut déjà définir une fonction eof : in channel
->bool, qui teste si la fin de fichier est atteinte, c’est-à-dire si tout le fichier
a été parcouru. Ceci est établi en comparant la position courante dans le
fichier (donnée par la fonction pos in : in channel ->int) avec la longueur
du fichier (donnée par la fonction in channel length : in channel ->int) .
Puis, pour faire progresser la lecture dans le fichier, on définit localement la
chaı̂ne correspondant à la lecture de la prochaine ligne du fichier (ceci modifie
le fichier), constituant la tête du résultat, puis on définit localement le reste
du résultat en rappelant la fonction sur le fichier (on profite de l’effet effectué
précédemment sur le fichier), et enfin on construit l’expression résultat. Cette
manière de procéder, pas très ”propre” – car utilisant implicitement l’effet de
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118
Vers la programmation impérative
la fonction de lecture sur le canal d’entrée – est la seule, si l’on veut définir la
fonction récursivement; en effet, on ne sait pas ”décomposer” la donnée, c’està-dire le canal d’entrée, en deux parties. Habituellement, ce genre de fonctions
est programmé en utilisant des enchaı̂nements itératifs d’actions.
# let eof fd = (pos in fd = in channel length fd) ;;
eof : in channel -> bool = <fun>
# let rec file to list fd =
if eof fd then []
else let x=input line fd in
let r = file to list fd in x::r ;;
file to list : in channel -> string list = <fun>
9.2.2.4
Les canaux standard
Il s’agit des canaux d’entrée/sortie correspondant au clavier, à l’écran et
au périphérique sur lequel sont envoyés les messages d’erreur (habituellement
l’écran). Ces canaux sont désignés par des identificateurs prédéfinis et automatiquement ouverts:
std in : in channel correspond au clavier
std out : out channel correspond à l’écran
std err : out channel correspond au périphérique recevant les messages d’erreur (par défaut, l’écran).
Quelques fonctions, dont les significations sont évidentes:
print
print
print
print
print
print
char : char -> unit
string : string -> unit
int : int -> unit
float : float -> unit
endline : string -> unit Affiche la chaı̂ne, suivie d’un passage à la ligne.
newline : unit -> unit Provoque un passage à la ligne.
Cette dernière fonction a un argument de type unit, c’est-à-dire qu’elle n’a
pas d’argument. Pour l’appeler, il faut toutefois fournir un argument : c’est la
valeur notée (), qui est la seule de type unit:
# print newline () ;;
- : unit = ()
tandis que si on omet l’argument, on obtient la valeur fonctionnelle elle-même:
# print newline ;;
- : unit -> unit = <fun>
C’est le même phénomène avec la fonction quit : unit ->unit, ce qui vous
permet ENFIN de comprendre pourquoi, lorsqu’on veut terminer une session
CAML, il faut taper la phrase quit () et non pas quit.
A propos, ce cours est maintenant fini, vous pouvez donc taper quit ().
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Bibliographie
[AH-DG] T. Accart-Hardin, V. Donzeau-Gouge. Concepts et outils de programmation. InterEditions, 1992.
[AS] H. Abelson, G.J. Sussman, J. Sussman. Structure et interprétation des
programmes informatiques. InterEditions, 1989.
[FH] A. Forêt, D. Herman. Méthodes et outils de l’informatique - Approche
fonctionnelle. Cours C89, IFSIC, Université de Rennes, 1991.
[LW] X. Leroy, P. Weiss. Manuel de référence du langage CAML. InterEditions
1993.
[inria] http://pauillac.inria.fr/caml/index-fra.html
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120
BIBLIOGRAPHIE
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Annexe A
Compléments sur CAML
A.1
A.1.1
Expressions de filtres : définitions par cas
Un exemple
Nous avons vu plusieurs exemples de fonctions dont l’expression de définition
est conditionnelle. Comme nous l’avions déjà signalé, une expression conditionnelle est en fait un cas particulier d’expression plus générale, appelée expression filtrée. Prenons tout de suite un exemple : soit la fonction litt of num
qui, étant donné un entier (compris entre 1 et 12), délivre la chaı̂ne exprimant
le mois correspondant, en toutes lettres. Une première solution aurait l’allure
suivante :
let litt of num = function n ->
if n=1 then "janvier"
else if n=2 then "fevrier"
else if n=3 then "mars"
...
else if n=12 then "decembre"
else "pas de treizième mois..." ;;
Avec une construction par filtrage :
let litt of num = function
1 -> "janvier"
| 2 -> "fevrier"
| 3 -> "mars"
| 4 -> "avril"
| 5 -> "mai"
| 6 -> "juin"
| 7 -> "juillet"
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122
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|
Compléments sur CAML
8 -> "aout"
9 -> "septembre"
10-> "octobre"
11-> "novembre"
12-> "decembre"
-> "pas de treizieme mois" ;;
litt of num:int -> string = <fun>
Ici, les valeurs possibles de l’argument entier de la fonction sont “analysées”
en fonction d’une séquence de filtres. Chaque filtre est séparé du suivant par le
symbole | (alternative). Dans l’exemple précédent, les filtres utilisées sont :
1. les notations de valeurs entières (constantes 1, 2, ..., 12),
2. le symbole (souligné)
Les premiers ne filtrent que la valeur qu’elles dénotent (1 ne filtre que la valeur
1), tandis que le second filtre n’importe quelle valeur. Ainsi, la définition de la
fonction s’interprète comme suit : lors de l’évaluation de litt of num n, si n est
compris entre 1 et 12, le filtre correspondant (la constante dénotant la valeur
n) permet de trouver le cas correspondant. Sinon, aucun des 12 premiers filtres
ne convient, et c’est le dernier qui sera sélectionné (puisqu’il filtre tout). Ce
dernier cas correspond donc au else final, qui exprime le “dans tous les autres
cas...”.
Souvent, les définitions par filtrage sont plus claires, elles peuvent aussi être
plus concises, et nous verrons ultérieurement (chapitre sur les listes) qu’elles
sont indispensables.
A.1.2
Syntaxe
Un filtre est une expression, pouvant contenir des constantes (notations de
valeurs), des identificateurs ayant tous des noms différents, des constructeurs
de valeurs (autres que function), et le symbole (souligné).
Exemples
1. Le filtre (x,y) est construit avec les deux identificateurs x et y, et le
constructeur de valeurs ,.
2. Le filtre (true, ) est construit avec la constante true, le symbole , et le
constructeur de valeurs ,
3. Le filtre (‘a‘,a,5) est construit avec les constantes ‘a‘ et 5, l’identificateur a et le constructeur de valeurs ,
4. Le filtre x::r est construit avec les identificateurs x et r et le constructeur
de valeur [].
5. Le filtre (1, )::(2, )::r est construit avec les constantes 1, 2, l’identificateur r, le symbole et les constructeurs de valeurs , ::
6. L’expression x+3 n’est pas un filtre.
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A.1. Expressions de filtres : définitions par cas
A.1.3
123
Sémantique
Une valeur v est filtrée par un filtre F si elle est construite de la même
façon que F , c’est-à-dire si toutes les constantes et tous les constructeurs de F
sont présents dans v avec la même disposition. Le filtrage de v par le filtre F
établit une liaison (temporaire) entre chaque identificateur apparaissant dans
F et l’élément de valeur correspondant apparaissant dans v.
Exemples
1. (5,3) est filtrée par (x,y). Ce filtrage établit les liaisons x ~ 5 et y ~ 3.
2. ("bonjour",2) est filtré par (x,y). Ce filtrage établit les liaisons x ~ "bonjour"
et y ~ 2.
3. (true, ‘a‘) est filtré par (true, ). Ce filtrage n’établit aucune liaison.
4. (false,2) n’est pas filtré par (true, ) car la constante true ne filtre
que la valeur true (et donc ne filtre pas la valeur false).
5. Le filtre (‘a‘,a,5) filtre exactement l’ensemble des triplets de la forme
(‘a‘,v,5), où v dénote une valeur de type quelconque. Ce filtrage établit
la liaison a ~ v. Par exemple, (‘a‘, function x ->x+1, 5) est filtré et
la liaison a ~ function x ->x+1 est établie.
6. toute liste non vide [v1 ; v2 ; . . . ;vn ] est filtrée par le filtre x::r. Ce
filtrage établit les liaisons x ~ v1 et r ~ [v2 ; . . . ; vn ].
7. Le filtre (1, )::(2, )::r filtre toutes les listes ayant au moins deux
éléments, commençant par les deux éléments de la forme [(1,x) ; (2,y) ;
...] (listes appartenant aux types int*t list, où t est un type quelconque). Le filtrage d’une liste [(1,x1 ) ; (2,x2 ) ; v3 ; . . . ; vn ] établit
la liaison r ~ [v3 ;. . .;vn ]
A.1.4
Utilisation de filtres dans les définitions de fonctions
Exemple 1 Donnons la définition de la fonction sialsin qui, appliquée à
trois valeurs de type booléen a, b, c délivre la valeur de la proposition si a
alors b sinon c.
let sialsin = function
(true, true, ) -> true
| (false, , true) -> true
| ( , , ) -> false ;;
sialsin:bool -> bool -> bool -> bool = <fun>
Exemple 2 Donnons une définition de la fonction qui, appliquée à une liste,
délivre la liste obtenue en permutant les deux premiers éléments (liste inchangée si elle a moins de deux éléments):
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124
Compléments sur CAML
# let permute = function
x::y::r -> y::x::r
|
s
-> s
;;
permute: ’a list -> ’a list = <fun>
Remarque 1: Le deuxième cas de filtrage ne capte que les listes ayant 0 ou 1
élément, puisque toutes celles qui ont au moins deux éléments sont filtrées par
le premier cas. Si les deux cas de filtrage étaient intervertis, la définition serait
fausse car le premier filtre (s) capterait toutes les listes, et donc la fonction
serait l’identité...! D’où l’importance de l’ordre dans lequel on présente les
filtres.
Remarque 2 L’indication de type ’a list rendue par la machine sera expliquée au chapitre suivant. Retenons que le symbole ’a représente un type
quelconque (paramètre de type).
A.1.5
La construction match ... with
Avec la forme syntaxique abrégée (§4.4), les définitions de fonctions par
filtrage restent possibles, grâce ‘a la construction match ... with ayant la
signification suivante :
match expression with
filtre1 -> expr1
| filtre2 -> expr2
|
|
...
filtrek -> exprk
est une expression, évaluée de la manière suivante : expression est évaluée.
Soit v sa valeur. Soit filtrei le premier filtre de la séquence filtrant v. La
valeur de expression est celle de expri, évaluée dans le contexte enrichi par
les liaisons établies lors du filtrage. Ces liaisons sont détruites à la fin du
processus d’évaluation de l’expression match ... with.
Pour illustrer cette construction, donnons la définition par filtrage de la
fonction num of litt qui, à chaque mois donné sous forme de chaı̂ne fait correspondre son numéro entre 1 et 12. Le filtrage se fait sur le couple du premier
et du dernier caractère de la chaı̂ne.
let num of litt ch =
let p = nth char ch 0 and
d = nth char ch (string length ch -1) in
match (p, d) with
(‘j‘,‘r‘) -> 1
| (‘f‘, ) -> 2
| (‘m‘,‘s‘) -> 3
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A.1. Expressions de filtres : définitions par cas
|
|
|
|
|
|
|
|
|
125
(‘a‘,‘l‘) -> 4
(‘m‘,‘i‘) -> 5
(‘j‘,‘n‘) -> 6
(‘j‘,‘t‘) -> 7
(‘a‘,‘t‘) -> 8
(‘s‘,‘e‘) -> 9
(‘o‘, ) -> 10
(‘n‘, ) -> 11
-> 12 ;;
num of litt:string -> int = <fun>
Nous avons finalement le schéma syntaxique suivant (figure A.1) complétant
la partie expression du schéma de la figure 3.6.
expression :
valeur
(
expression
)
expression
opérateur
identificateur
match
expression
expression
expression
if
infix
expression
then
expression
filtre
with
->
|
définition
in
expression
Fig. A.1 – Expression
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°
else
expression
expression
126
A.2
Compléments sur CAML
Extraits de la bibliothèque de base
Extraits du document en anglais accessible en ligne sur Internet
(URL http://pauillac.inria.fr/caml/man-caml/index.html
A.2.1
prefix
prefix
prefix
prefix
bool: boolean operations
& :
&& :
or :
|| :
bool
bool
bool
bool
->
->
->
->
bool
bool
bool
bool
->
->
->
->
bool
bool
bool
bool
The boolean and is written e1 & e2 or e1 && e2. The boolean or is written e1
or e2 or e1 ||e2. Both constructs are sequential, left-to-right: e2 is evaluated
only if needed. Actually, e1 & e2 is equivalent to if e1 then e2 else false,
and e1 or e2 is equivalent to if e1 then true else e2.
prefix not : bool -> bool
The boolean negation.
string of bool : bool -> string
Return a string representing the given boolean.
A.2.2
string: string operations
string length : string -> int
Return the length (number of characters) of the given string.
nth char : string -> int -> char
nth char s n returns character number n in string s. The first character is character number 0. The last character is character number string length s - 1.
Raise Invalid argument "nth char" if n is ouside the range 0 to (string length
s - 1). You can also write s.[n] instead of nth char s n.
set nth char : string -> int -> char -> unit
set nth char s n c modifies string s in place, replacing the character number
n by c. Raise Invalid argument "set nth char" if n is ouside the range 0 to
(string length s - 1). You can also write s.[n] <- c instead of set nth char
s n c.
prefix ^ : string -> string -> string
c IFSIC 1999
°
A.2. Extraits de la bibliothèque de base
127
s1 ^s2 returns a fresh string containing the concatenation of the strings s1
ands2.
sub string : string -> int -> int -> string
sub string s start len returns a fresh string of length len, containing the
characters number start to start + len - 1 of string s. Raise Invalid argument
"sub string" if start and len do not designate a valid substring of s; that is,
if start < 0, or len < 0, or start + len > string length s.
create string : int -> string
create string n returns a fresh string of length n. The string initially contains
arbitrary characters.
make string : int -> char -> string
make string n c returns a fresh string of length n, filled with the character c.
fill string : string -> int -> int -> char -> unit
fill string s start len c modifies string s in place, replacing the characters
number start to start + len - 1 by c. Raise Invalid argument "fill string"
if start and len do not designate a valid substring of s.
blit string : string -> int -> string -> int -> int -> unit
blit string s1 o1 s2 o2 len copies len characters from string s1, starting at
character number o1, to string s2, starting at character number o2. It works
correctly even if s1 and s2 are the same string, and the source and destination
chunks overlap. Raise Invalid argument "blit string" if o1 and len do not
designate a valid substring of s1, or if o2 and len do not designate a valid
substring of s2.
replace string : string -> string -> int -> unit
replace string dest src start copies all characters from the string src into
the string dst, starting at character number start in dst. Raise Invalid argument
"replace string" if copying would overflow string dest.
eq string : string -> string -> bool
neq string : string -> string -> bool
le string : string -> string -> bool
lt string : string -> string -> bool
ge string : string -> string -> bool
gt string : string -> string -> bool
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°
128
Compléments sur CAML
Comparison functions (lexicographic ordering) between strings.
compare strings : string -> string -> int
General comparison between strings. compare strings s1 s2 returns 0 if s1
and s2 are equal, or else -2 if s1 is a prefix of s2, or 2 if s2 is a prefix of s1, or
else -1 if s1 is lexicographically before s2, or 1 if s2 is lexicographically before
s1.
string for read : string -> string
Return a copy of the argument, with special characters represented by escape
sequences, following the lexical conventions of Caml Light.
A.2.3
conversions with int, float, char, string
int of char : char -> int
Return the ASCII code of the argument.
char of int : int -> char
Return the character with the given ASCII code. Raise Invalid argument
"char of int" if the argument is outside the range 0–255.
char for read : char -> string
Return a string representing the given character, with special characters escaped following the lexical conventions of Caml Light.
string of int : int -> string
Convert the given integer to its decimal representation.
int of string : string -> int
Convert the given string to an integer, in decimal (by default) or in hexadecimal, octal or binary if the string begins with 0x, 0o or 0b. Raise Failure
"int of string" if the given string is not a valid representation of an integer.
int of float : float -> int
Truncate the given float to an integer . The result is unspecified if it falls
outside the range of representable integers.
float of int : int -> float
Convert an integer to floating-point.
string of float : float -> string
Convert the given float to its decimal representation.
float of string : string -> float
Convert the given string to a float, in decimal. The result is unspecified if the
given string is not a valid representation of a float.
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A.3. Types construits
A.2.4
129
Some operations on numbers
abs : int -> int
Return the absolute value of the argument.
abs float : float -> float
Return the absolute value of the argument.
prefix ** : float -> float -> float
prefix **. : float -> float -> float
power : float -> float -> float
Exponentiation.
exp : float -> float
log : float -> float
sqrt : float -> float
sin : float -> float
cos : float -> float
tan : float -> float
asin : float -> float
acos : float -> float
atan : float -> float
atan2 : float -> float -> float
Usual transcendental functions on floating-point numbers.
A.3
Types construits
Les types construits sont définis par l’utilisateur. Ils peuvent être identifiés
grâce à une phrase de définition de type selon la syntaxe suivante :
# type ident type = expression definition type ;;
type ident type defined.
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°
130
A.3.1
Compléments sur CAML
Types produit
Comme les t-uples, les types produits sont des produits cartésiens, mais ils
permettent en outre de nommer les composants, qu’on appelle des champs.
Exemple :
# type individu = {Nom : string ; Prenom : string ; Secu : int} ;;
type individu defined.
Le type individu comporte trois champs. L’acces aux différents champs
répond à la syntaxe suivante : si moi est une variable de type individu, les
expressions moi.Nom, moi.Prenom et moi.Secu ont les valeurs respectives des
trois champs de la variable. Une variable de ce type peut être définie :
# let lui={Nom = "Lapointe" ; Prenom = ‘‘Bobby’’ ; Secu = 123042} ;;
lui : individu = {Nom = ”Lapointe” ; Prenom = ‘‘Bobby” ; Secu = 123042}
# lui.Nom ;;
- : string = ‘‘Lapointe”
A.3.2
Types énumérés
Les valeurs possibles d’un type énuméré sont dénotées par des identificateurs définis par le programmeur, appelés constructeurs de valeurs.
Exemple:
# type couleur = Blanc | Jaune | Orange | Rouge | Vert | Bleu | Violet ;;
type couleur defined.
# Blanc ;;
- : couleur = Blanc
# let l Orient est = Rouge ;;
l Orient est : couleur = Rouge
Les types énumérés sont des cas particuliers de types somme (ou union),
ici l’union de valeurs constantes (énumération de valeurs).
A.3.3
Types somme
Mathématiquement parlant, il s’agit de l’union d’ensembles disjoints (somme
disjointe). L’ensemble des valeurs d’un type somme est l’union des ensembles
de valeurs des types composants.
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A.3. Types construits
131
Exemple :
# type nombre = Ent of int | Re of float ;;
type nombre defined.
Une valeur du type nombre est soit du type int soit du type float. Les identificateurs Ent et Re sont des constructeurs de valeurs obligatoires pour dénoter
des valeurs de type nombre :
# let un entier = Ent 123 ;;
un entier : nombre = Ent 123
# let un reel = Re 123. ;;
un reel : nombre = Re 123.
# Re 99 ;;
> Toplevel input:
>Re 99;;
> ˆˆ
> Expression of type int
> cannot be used with type float
Attention, le type nombre est différent du type int comme du type float :
# Ent 1 + Ent 2 ;;
> Toplevel input:
>E 1 + E 2 ;;
>ˆˆˆ
> Expression of type nombre
> cannot be used with type int
A.3.3.1
Types paramétrés
Les types produit et somme sont construits à partir de types composants.
Certains de ces composants (voire tous) peuvent être des paramètres de type:
Exemple :
# type ’a prod = {Prem : ’a ; Sec : int} ;;
type ’a prod defined.
# let x={Prem=Blanc ; Sec=12} ;;
x : couleur prod = {Prem=Blanc ; Sec=12}
# type ’a som = Prem of int | Sec of ’a ;;
type ’a som defined
# let y = Sec (Re 3.1416) ;;
y : nombre som = Re 3.1416
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132
A.3.4
Compléments sur CAML
Types récursifs
Les types paramétrés rendent possible la définition de types récursifs. Par
exemple, une définition possible du type séquence est la suivante:
# type ’a sequence = Vide | Cons of ’a * ’a sequence ;;
type sequence defined.
Les valeurs possibles du type sequence sont donc : soit la constante dénotée
Vide, soit un doublet, composé d’une valeur de type ’a et d’une séquence
d’éléments de type ’a.
A.3.5
Utilisation des types construits : filtrage
Les constructeurs de valeurs utilisés dans les notations de valeur de type
produit, somme, etc. peuvent servir à constituer de expressions de filtre.
Exemple 1
# type sexe = Homme | Femme ;;
type sexe defined.
# type exploitant = {Nom : string ; S : sexe ; Age : int} ;;
type exploitant defined.
# type culture = Haricot | Mais | Ble | Betterave ;;
type culture defined.
# type statut = Jachere | Cultive of culture ;;
type statut defined.
# type un lot = {Cadastre : int ; Proprio : quidam ; Etat : statut} ;;
type un lot defined.
(* un lot est-il cultivé avec la culture c? *)
# let cultive avec c = function
{Cadastre = ; Proprio = ; Etat = Cultive x} -> x=c
|
-> false;;
cultive avec : culture -> un lot -> bool = <fun>
(* un lot est-il exploité par une femme? *)
# let expl femme = function
{Cadastre = ; Proprio.S = Femme ; statut= } -> true
|
-> false ;;
expl femme : un lot -> bool=<fun>
(* Calculer le nombre de lots cultivés en Maı̈s par des hommes
c IFSIC 1999
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A.3. Types construits
133
dans une exploitation (liste de lots) *)
# let rec nb mais homme = function
[] -> 0
| {Cadastre= ; Proprio={Nom= ; S=H ; age= } ; Etat= Cultive Mais}::r -> 1 + nb mais homme r ;;
nb mais homme : un lot list -> int = <fun>
Exemple 2 : définir l’addition de deux nombres (avec le type nombre vu plus
haut).
# let add x y = match (x, y) with
(Ent i,Ent j) -> Ent (i+j)
| (Ent i, Re r) -> Re (float of int i +. r)
| (Re r, Ent i) -> Re (float of int i +. r)
| (Re r, Re s) -> Re (r+.s) ;;
add : nombre -> nombre -> nombre = <fun>
# add (Re 1.5) (Ent 2) ;;
- : nombre = Re 3.5
# add (Ent 3) (Ent 2) ;;
- : nombre = Ent 5
# add 1.5 2.5 ;;
> Toplevel input:
>add 1.5 2.5 ;;
> ˆˆˆ
> Expression of type float
> cannot be used with type nombre
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Index
’a, 54
*, 12
présence d’un élément., 63
puissance dichotomique, 64
puissance séquentielle (algorithme
constructeur de type, 14
incorrect), 70
*., 12
puissance séquentielle (correct), 71
+, 12
somme des chiffres, 63
+., 12
and, 23, 24, 30, 86
,, 14, 45
argument
-, 12
effectif, 37, 38, 49
dans une réponse de la machine,
formel, 37, 38
24
ASCII, 11
-., 12
->, 39, 45
bool, 11, 12
/, 12
/., 12
char, 11, 12
::, 15
codage, 1
<, 12
ASCII, voir ASCII
<=, 12
concaténation, voir ˆ
=, 12
conjonction, voir &
>, 12
contexte, 17, 18
>=, 12
consultation, 20
[], 45
gestion, 18, 19
[], 15
local d’une fonction, 40
évaluation, 20
CURRY Haskell, 44
<>, 12
curryfication, 44
, 18
&, 12
définition
ˆ, 12
locale, voir liaison, 30, 88
~, 18
récursive, 90
simple, voir liaison
A’h-Mose, 7
simultanée, voir liaison, 30, 31
affectation, 19
disjonction, voir or
Al’Khwarizmi, 4
diviser pour régner, 68
algorithme, 3, 4, 40
Euclide (PGCD), 7
else, 34
miroir (chaı̂ne), 68
entité
multiplication russe, 4, 72
fonctionnelle, 20
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°
INDEX
135
exception, 55
Uncaught exception, 56
expression, 13, 20, 25
évaluation, 20
of type ... cannot be used with type
..., 38, 55
of type ... cannot be used with type
..., 23
application de fonction, 49
cible, 27
conditionnelle, 33
niveau, 28
non terminale, 26, 30
processus d’évaluation, 22, 57
terminale, 27, 30
typage, 50
max2, 43
max3, 43
max4, 43
maxi2, 44
maxi3, 44
maxi4, 44
membre, 80, 81
min cond, 80
miroir (chaı̂ne), 69
mult russe, 72
nth char, 53
parcours part, 76
parcours, 76
premier, 69, 86
present, 67, 91
pttc 186, 38
pttc 55, 42
pttc, 42
puiss dich, 67, 91
puissance, 71
rech stock, 82
recherche, 81, 92
remplacer, 84
reste, 57
sauf premier, 69, 86
separer, 88, 93
snd, 54
somme des chiffres, 66
somme, 77, 79
string length, 53
succ et pred, 39
successeur, 39
suite, 87, 93
suppression, 83
tete, 57
tl, 57, 76
vide, 76
Failure, 56
failwith, 56
false, 11
filtrage, 48
float, 10, 12
fonction, 20, 37
à plusieurs arguments, 41
accroissement un, 40
accumuler, 79, 91
append, 83, 92
ch vers liste, 86
char for read, 51
cons, 76
dernier avec controle, 56
dernier, 53
factorielle, 66
faire tant que, 92
faire tantque, 85
fst, 54
fus tri, 90
fusion, 89, 90
hd, 57, 76
identite, 53
intervalle, 86, 93
liste vers ch, 78, 79
longueur, 77, 79
map, 84, 92
application de, 38
définition de, 38
récursive, 65
fun, 39
function, 45
identificateur, 17, 20
c IFSIC 1999
°
136
INDEX
défini par le programmeur, 17
lié, 18
libre, 20
niveau, 28
portée, 28
prédéfini, 17
if, 34
in, 25, 26, 30, 88, 90–93
informatique, 1
int, 10, 12
langage, 2
déclaratif, 19
de programmation, 6
haut niveau, 6
impératif, 19
machine, 6
let, 18, 25, 26
liaison, 18
définition, 18, 19
définition locale, 24
définition simple, 24
définition simultanée, 24
modification, 19
temporaire, 25
liste, 75
accesseur, 77
accumulateur, 78
ajout d’élément, 82
appliquer à tous les éléments, 84
chaı̂ne ->liste de caractères, 86
constructeur, 82, 85
faire tant que, 85
fusion, 89, 90
fusion triée, 90
intervalle, 86
liste de caractères ->chaı̂ne, 78,
79
longueur, 77, 79
membre, 80
minimum conditionnel, 79
recherche générique, 81
remplacement, 84
séparation, 88
somme des valeurs, 77, 79
suite récurrente, 87
suppression d’élément, 83
machine, 3, 4
match ... with, 47
mod, 12
modèle
par substitution, 21, 57
mode interactif (dialogue), 9
niveau
global, 29
not, 12
notation
infixe, 49
préfixe, 49, 50
opération
primitive, 4
or, 12
ordinateur, 6
palindrome, 69
phrase, 24
d’expression, 24
de définition, 24
prefix, 50
processeur, 3, 4
processus, 3
programme, 6, 7
récursion, 5, 21
construction, 62
méthodologie de construction, 67
rec, 66
sémantique, 2, 20
sûreté, 67
signature, 8
spécification, 68
string, 11, 12
syntaxe, 2, 20
then, 34
top-level session, 10, 29
c IFSIC 1999
°
INDEX
137
true, 11
typage, 49
polymorphisme, 53
spécialisation de type polymorphe,
54
synthèse de type, 52
type, 11
exception, 56
constructeur, 13, 15, 37
fonctionnel, 40
liste, 14
primitif, 12
t-uple, 14
unbound, 23, 25, 31, 66
valeur, 10
constructeur, 13, 15, 37, 45
constructeur fonctionnel, 45
fonctionnelle, 40
notation, 10, 20, 45
visibilité, 19
vivacité, 68
c IFSIC 1999
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