La prise de conscience générale de l'importance de vérifier plus scrupuleusement les programmes a engendré une croissance considérable des efforts de vérification formelle de programme durant cette dernière décennie. Néanmoins, le code qu'exécute l'ordinateur, ou code exécutable, n'est pas le code écrit par le développeur, ou code source. La vérification formelle de compilateurs est donc un complément indispensable à la vérification de code source.L'une des tâches les plus complexes de compilation est l'allocation de registres. C'est lors de celle-ci que le compilateur décide de la façon dont les variables du programme sont stockées en mémoire durant son exécution. La mémoire comporte deux types de conteneurs : les registres, zones d'accès rapide, présents en nombre limité, et la pile, de capacité supposée suffisamment importante pour héberger toutes les variables d'un programme, mais à laquelle l'accès est bien plus lent. Le but de l'allocation de registres est de tirer au mieux parti de la rapidité des registres, car une allocation de registres de bonne qualité peut conduire à une amélioration significative du temps d'exécution du programme.Le modèle le plus connu de l'allocation de registres repose sur la coloration de graphe d'interférence-affinité. Dans cette thèse, l'objectif est double : d'une part vérifier formellement des algorithmes connus d'allocation de registres par coloration de graphe, et d'autre part définir de nouveaux algorithmes optimisants pour cette étape de compilation. Nous montrons tout d'abord que l'assistant à la preuve Coq est adéquat à la formalisation d'algorithmes d'allocation de registres par coloration de graphes. Nous procédons ainsi à la vérification formelle en Coq d'un des algorithmes les plus classiques d'allocation de registres par coloration de graphes, l'Iterated Register Coalescing (IRC), et d'une généralisation de celui-ci permettant à un utilisateur peu familier du système Coq d'implanter facilement sa propre variante de cet algorithme au seul prix d'une éventuelle perte d'efficacité algorithmique. Ces formalisations nécessitent des réflexions autour de la formalisation des graphes d'interférence-affinité, de la traduction sous forme purement fonctionnelle d'algorithmes impératifs et de l'efficacité algorithmique, la terminaison et la correction de cette version fonctionnelle. Notre implantation formellement vérifiée de l'IRC a été intégrée à un prototype du compilateur CompCert.Nous avons ensuite étudié deux représentations intermédiaires de programmes, dont la forme SSA, et exploité leurs propriétés pour proposer de nouvelles approches de résolution optimale de la fusion, l'une des optimisations opéréeslors de l'allocation de registres dont l'impact est le plus fort sur la qualité du code compilé. Ces approches montrent que des critères de fusion tenant compte de paramètres globaux du graphe d'interférence-affinité, tels que sa largeur d'arbre, ouvrent la voie vers de nouvelles méthodes de résolution potentiellement plus performantes.

Un très grand nombre de problèmes combinatoires appartient à la famille des problèmes de satisfaction de contraintes (Constraint Satisfaction Problem ou CSP) : configuration, ordonnancement, affectation de ressources... Ces problèmes partagent une description commune qui autorise en général une modélisation claire et intuitive. Dans cette thèse, nous avons proposé et étudié une nouvelle méthode de résolution hybride pour les CSPs. Nous avons nommé cette méthode Tabu-NG pour Tabu Search based on NoGood. Le nom est un peu réducteur car il s'agit d'une hybridation d'algorithme de filtrage, de propagation de contraintes, de Recherche Tabou et de gestion de nogoods. La méthode a été appliquée sur deux types de problèmes. Le premier est l'affectation des fréquences (FAP) dans les réseaux de radiocommunications militaires, en particulier les problèmes proposés de 1993 (instances du projet européen CALMA) jusqu'à 2010 (instances d'un projet DGA). Le deuxième est le problème académique de k-coloration de graphes sur les instances DIMACS. La méthode a amélioré quelques meilleurs scores connus actuellement. Dans les deux problèmes nous avons traité des contraintes unaires et binaires, ainsi que des contraintes n-aires et de l'optimisation de fonction sous contraintes pour le FAP. Les principes de Tabu-NG sont généraux et elle peut s'appliquer sur d'autres CSP. Elle peut par ailleurs accueillir des heuristiques spécifiques aux problèmes, nous l'avons pratiqué sur les problèmes cités, et en ce sens nous pensons pouvoir qualifier la méthode de métaheuristique sans abuser de cette définition.

La prise de conscience générale de l'importance de vérifier plus scrupuleusement les programmes a engendré une croissance considérable des efforts de vérification formelle de programme durant cette dernière décennie. Néanmoins, le code qu'exécute l'ordinateur, ou code exécutable, n'est pas le code écrit par le développeur, ou code source. La vérification formelle de compilateurs est donc un complément indispensable à la vérification de code source.L'une des tâches les plus complexes de compilation est l'allocation de registres. C'est lors de celle-ci que le compilateur décide de la façon dont les variables du programme sont stockées en mémoire durant son exécution. La mémoire comporte deux types de conteneurs : les registres, zones d'accès rapide, présents en nombre limité, et la pile, de capacité supposée suffisamment importante pour héberger toutes les variables d'un programme, mais à laquelle l'accès est bien plus lent. Le but de l'allocation de registres est de tirer au mieux parti de la rapidité des registres, car une allocation de registres de bonne qualité peut conduire à une amélioration significative du temps d'exécution du programme.Le modèle le plus connu de l'allocation de registres repose sur la coloration de graphe d'interférence-affinité. Dans cette thèse, l'objectif est double : d'une part vérifier formellement des algorithmes connus d'allocation de registres par coloration de graphe, et d'autre part définir de nouveaux algorithmes optimisants pour cette étape de compilation. Nous montrons tout d'abord que l'assistant à la preuve Coq est adéquat à la formalisation d'algorithmes d'allocation de registres par coloration de graphes. Nous procédons ainsi à la vérification formelle en Coq d'un des algorithmes les plus classiques d'allocation de registres par coloration de graphes, l'Iterated Register Coalescing (IRC), et d'une généralisation de celui-ci permettant à un utilisateur peu familier du système Coq d'implanter facilement sa propre variante de cet algorithme au seul prix d'une éventuelle perte d'efficacité algorithmique. Ces formalisations nécessitent des réflexions autour de la formalisation des graphes d'interférence-affinité, de la traduction sous forme purement fonctionnelle d'algorithmes impératifs et de l'efficacité algorithmique, la terminaison et la correction de cette version fonctionnelle. Notre implantation formellement vérifiée de l'IRC a été intégrée à un prototype du compilateur CompCert.Nous avons ensuite étudié deux représentations intermédiaires de programmes, dont la forme SSA, et exploité leurs propriétés pour proposer de nouvelles approches de résolution optimale de la fusion, l'une des optimisations opéréeslors de l'allocation de registres dont l'impact est le plus fort sur la qualité du code compilé. Ces approches montrent que des critères de fusion tenant compte de paramètres globaux du graphe d'interférence-affinité, tels que sa largeur d'arbre, ouvrent la voie vers de nouvelles méthodes de résolution potentiellement plus performantes. / The need for trustful programs led to an increasing use of formal verication techniques the last decade, and especially of program proof. However, the code running on the computer is not the source code, i.e. the one written by the developper, since it has to betranslated by the compiler. As a result, the formal verication of compilers is required to complete the source code verication. One of the hardest phases of compilation is register allocation. Register allocation is the phase within which the compiler decides where the variables of the program are stored in the memory during its execution. The are two kinds of memory locations : a limited number of fast-access zones, called registers, and a very large but slow-access stack. The aim of register allocation is then to make a great use of registers, leading to a faster runnable code.The most used model for register allocation is the interference graph coloring one. In this thesis, our objective is twofold : first, formally verifying some well-known interference graph coloring algorithms for register allocation and, second, designing new graph-coloring register allocation algorithms. More precisely, we provide a fully formally veri ed implementation of the Iterated Register Coalescing, a very classical graph-coloring register allocation heuristics, that has been integrated into the CompCert compiler. We also studied two intermediate representations of programs used in compilers, and in particular the SSA form to design new algorithms, using global properties of the graph rather than local criteria currently used in the litterature.

Cette thèse présente des résultats obtenus dans deux domaines : la théorie des langages, et la théorie des graphes. En théorie des langages, on s’intéresse à des problèmes de caractérisation de classes de langages réguliers. Le problème générique consiste à déterminer si un langage régulier donné peut être défini dans un certain formalisme. Les méthodes actuelles font intervenir un problème plus général appelé séparation. On présente ici deux types de contributions : une généralisation d’un résultat de décidabilité au cadre des langages de mots infinis, ainsi que des bornes inférieures pour la complexité du problème de séparation. En théorie des graphes, on considère le problème classique de coloration de graphes, où on cherche à attribuer des couleurs aux sommets d’un graphe de sorte que les sommets adjacents reçoivent des couleurs différentes, le but étant d’utiliser le moins de couleurs possible. Dans le cas des graphes peu denses, la méthode de déchargement est un atout majeur. Elle a notamment joué un rôle décisif dans la preuve du théorème des quatre couleurs. Cette méthode peut être vue comme une construction non conventionnelle d’un schéma de preuve par induction, spécifique à la classe de graphes et à la propriété considérées, et où la validité du schéma est rarement immédiate. On utilise des variantes de la méthode de déchargement pour étudier deux types de problèmes de coloration. / In this thesis, we present results obtained in two fields: formal language theory and graph theory. In formal language theory, we consider some problems of characterization of classes of regular languages. The generic problem consists in determining whether a given regular language can be defined in a fixed formalism. The current approaches use a more general problem called separation. We present here two types of contributions: a generalization of a decidability result to the setting of infinite words, together with lower bounds for the complexity of the separation problem. In graph theory, we consider the classical problem of graph coloring, where we assign colors to vertices of a graph in such a way that two adjacent vertices receive different colors. The goal is to use the fewest colors. When the graphs are sparse, a crucial tool for this is the discharging method. It is most notably decisive in the proof of the Four-Color Theorem. This method can be seen as an unconventional construction of an inductive proof scheme, specific to the considered problem and graph class, where arguing the validity of the scheme is rarely immediate. We use variants of the discharging method to study two types of coloring problems.

Le problème de somme coloration minimum (MSCP) et le problème de coloration de bande passante (BCP) sont deux généralisations importantes du problème de coloration des sommets classique avec de nombreuses applications dans divers domaines, y compris la conception de circuits imprimés, la planication, l’allocation de ressource, l’affectation de fréquence dans les réseaux mobiles, etc. Les problèmes MSCP et BCP étant NP-difficiles, les heuristiques et métaheuristiques sont souvent utilisées en pratique pour obtenir des solutions de bonne qualité en un temps de calcul acceptable. Cette thèse est consacrée à des métaheuristiques hybrides pour la résolution efcace des problèmes MSCP et BCP. Pour le problème MSCP, nous présentons deux algorithmes mémétiques qui combinent l’évolution d’une population d’individus avec de la recherche locale. Pour le problème BCP, nous proposons un algorithme hybride à base d’apprentissage faisant coopérer une méthode de construction “informée” avec une procédure de recherche locale. Les algorithmes développés sont évalués sur des instances biens connues et se révèlent très compétitifs par rapport à l’état de l’art. Les principaux composants des algorithmes que nous proposons sont également analysés. / The minimum sum coloring problem (MSCP) and the bandwidth coloring problem (BCP) are two important generalizations of the classical vertex coloring problem with numerous applications in diverse domains, including VLSI design, scheduling, resource allocation and frequency assignment in mobile networks, etc. Since the MSCP and BCP are NP-hard problems, heuristics and metaheuristics are practical solution methods to obtain high quality solutions in an acceptable computing time. This thesis is dedicated to developing effective hybrid metaheuristic algorithms for the MSCP and BCP. For the MSCP, we present two memetic algorithms which combine population-based evolutionary search and local search. An effective algorithm for maximum independent set is devised for generating initial solutions. For the BCP, we propose a learning-based hybrid search algorithm which follows a cooperative framework between an informed construction procedure and a local search heuristic. The proposed algorithms are evaluated on well-known benchmark instances and show highly competitive performances compared to the current state-of-the-art algorithms from the literature. Furthermore, the key issues of these algorithms are investigated and analyzed.

Mes travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet ANR GRAPHEM1 (Graphemebased Retrieval and Analysis for PaleograpHic Expertise of Middle Age Manuscripts). Ilsprésentent une contribution méthodologique applicable à l'analyse automatique des écrituresanciennes pour assister les experts en paléographie dans le délicat travail d'étude et dedéchiffrage des écritures.L'objectif principal est de contribuer à une instrumetation du corpus des manuscritsmédiévaux détenus par l'Institut de Recherche en Histoire des Textes (IRHT - Paris) en aidantles paléographes spécialisés dans ce domaine dans leur travail de compréhension de l'évolutiondes formes de l'écriture par la mise en place de méthodes efficaces d'accès au contenu desmanuscrits reposant sur une analyse fine des formes décrites sous la formes de petits fragments(les graphèmes). Dans mes travaux de doctorats, j'ai choisi d'étudier la dynamique del'élément le plus basique de l'écriture appelé le ductus2 et qui d'après les paléographes apportebeaucoup d'informations sur le style d'écriture et l'époque d'élaboration du manuscrit.Mes contributions majeures se situent à deux niveaux : une première étape de prétraitementdes images fortement dégradées assurant une décomposition optimale des formes en graphèmescontenant l'information du ductus. Pour cette étape de décomposition des manuscrits, nousavons procédé à la mise en place d'une méthodologie complète de suivi de traits à partir del'extraction d'un squelette obtenu à partir de procédures de rehaussement de contraste et dediffusion de gradients. Le suivi complet du tracé a été obtenu à partir de l'application des règlesfondamentales d'exécution des traits d'écriture, enseignées aux copistes du Moyen Age. Il s'agitd'information de dynamique de formation des traits portant essentiellement sur des indicationsde directions privilégiées.Dans une seconde étape, nous avons cherché à caractériser ces graphèmes par desdescripteurs de formes visuelles compréhensibles à la fois par les paléographes et lesinformaticiens et garantissant une représentation la plus complète possible de l'écriture d'unpoint de vue géométrique et morphologique. A partir de cette caractérisation, nous avonsproposé une approche de clustering assurant un regroupement des graphèmes en classeshomogènes par l'utilisation d'un algorithme de classification non-supervisé basée sur lacoloration de graphe. Le résultat du clustering des graphèmes a conduit à la formation dedictionnaires de formes caractérisant de manière individuelle et discriminante chaque manuscrittraité. Nous avons également étudié la puissance discriminatoire de ces descripteurs afin d'obtenir la meilleure représentation d'un manuscrit en dictionnaire de formes. Cette étude a étéfaite en exploitant les algorithmes génétiques par leur capacité à produire de bonne sélection decaractéristiques.L'ensemble de ces contributions a été testé à partir d'une application CBIR sur trois bases demanuscrits dont deux médiévales (manuscrits de la base d'Oxford et manuscrits de l'IRHT, baseprincipale du projet), et une base comprenant de manuscrits contemporains utilisée lors de lacompétition d'identification de scripteurs d'ICDAR 2011. L'exploitation de notre méthode dedescription et de classification a été faite sur une base contemporaine afin de positionner notrecontribution par rapport aux autres travaux relevant du domaine de l'identification d'écritures etétudier son pouvoir de généralisation à d'autres types de documents. Les résultats trèsencourageants que nous avons obtenus sur les bases médiévales et la base contemporaine, ontmontré la robustesse de notre approche aux variations de formes et de styles et son caractèrerésolument généralisable à tout type de documents écrits.

Le problème de la clique maximum (MCP) est un problème d'optimisation combinatoire important avec un large éventail d'applications pratiques dans de nombreux domaines, y compris la recherche d'information, l'analyse de la transmission du signal, la théorie de la classification, l'économie, la planification et l'ingénierie biomédicale. En outre, un certain nombre de problèmes d'optimisation combinatoire sont étroitement liés au MCP, tels que la coloration de graphe, la somme coloration, réglez détermination du gagnant emballage et optimale. Cette thèse est consacrée à l'élaboration d'approches heuristiques efficaces pour s'attaquer au problème de la clique maximum et ses généralisations. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé une approche de recherche tabou adaptative multistart pour le problème de clique maximum classique, un algorithme recherche tabou multi-voisinage pour la clique maximum de sommets pondérés, et une méthode métaheuristique hybride pour le problème de la clique maximum d'arêtes pondérés. En outre, nous appliquons ces méthodes heuristiques développées pour résoudre ces problèmes difficiles qui sont étroitement liés au problème de la clique maximum. Tous les algorithmes sont mis en oeuvre et testés avec succès sur un certain nombre de cas de référence provenant de divers domaines d'application. Les méthodes proposées concurrencent favorablement les autres approches de l'état de l'art.

Dans un graphe non orienté, le Problème de Coloration de Graphe (PCG) consiste à assigner à chaque sommet du graphe une couleur de telle sorte qu'aucune paire de sommets adjacents n'aient la même couleur et le nombre total de couleurs est minimisé. DSATUR est un algorithme exact efficace pour résoudre le PCG. Un de ses défauts est qu'une borne inférieure est calculée une seule fois au noeud racine de l'algorithme de branchement, et n'est jamais mise à jour. Notre nouvelle version de DSATUR surpasse l'état de l'art pour un ensemble d'instances aléatoires à haute densité, augmentant significativement la taille des instances résolues. Nous étudions trois formulations PLNE pour le Problème de la Somme Chromatique Minimale (PSCM). Chaque couleur est représentée par un entier naturel. Le PSCM cherche à minimiser la somme des cardinalités des sous-ensembles des sommets recevant la même couleur, pondérés par l'entier correspondant à la couleur, de telle sorte que toute paire de sommets adjacents reçoive des couleurs différentes. Nous nous concentrons sur l'étude d'une formulation étendue et proposons un algorithme de Branch-and-Price. / Given an undirected graph, the Vertex Coloring Problem (VCP) consists of assigning a color to each vertex of the graph such that two adjacent vertices do not share the same color and the total number of colors is minimized. DSATUR is an effective exact algorithm for the VCP. We introduce new lower bounding techniques enabling the computing of a lower bound at each node of the branching scheme. Our new DSATUR outperforms the state of the art for random VCP instances with high density, significantly increasing the size of solvable instances. Similar results can be achieved for a subset of high density DIMACS instances. We study three ILP formulations for the Minimum Sum Coloring Problem (MSCP). The problem is an extension of the classical Vertex Coloring Problem in which each color is represented by a positive natural number. The MSCP asks to minimize the sum of the cardinality of subsets of vertices receiving the same color, weighted by the index of the color, while ensuring that vertices linked by an edge receive different colors. We focus on studying an extended formulation and devise a complete Branch-and-Price algorithm.

Les deux problèmes majeurs considérés dans cette thèse : le b-coloration problème et le graphe emballage problème. 1. Le b-coloration problème : Une coloration des sommets de G s'appelle une b-coloration si chaque classe de couleur contient au moins un sommet qui a un voisin dans toutes les autres classes de couleur. Le nombre b-chromatique b(G) de G est le plus grand entier k pour lequel G a une b-coloration avec k couleurs. EL Sahili et Kouider demandent s'il est vrai que chaque graphe d-régulier G avec le périmètre au moins 5 satisfait b(G) = d + 1. Blidia, Maffray et Zemir ont montré que la conjecture d'El Sahili et de Kouider est vraie pour d ≤ 6. En outre, la question a été résolue pour les graphes d-réguliers dans des conditions supplémentaires. Nous étudions la conjecture d'El Sahili et de Kouider en déterminant quand elle est possible et dans quelles conditions supplémentaires elle est vrai. Nous montrons que b(G) = d + 1 si G est un graphe d-régulier qui ne contient pas un cycle d'ordre 4 ni d'ordre 6. En outre, nous fournissons des conditions sur les sommets d'un graphe d-régulier G sans le cycle d'ordre 4 de sorte que b(G) = d + 1. Cabello et Jakovac ont prouvé si v(G) ≥ 2d3 - d2 + d, puis b(G) = d + 1, où G est un graphe d-régulier. Nous améliorons ce résultat en montrant que si v(G) ≥ 2d3 - 2d2 + 2d alors b(G) = d + 1 pour un graphe d-régulier G. 2. Emballage de graphe problème : Soit G un graphe d'ordre n. Considérer une permutation σ : V (G) → V (Kn), la fonction σ* : E(G) → E(Kn) telle que σ *(xy) = σ *(x) σ *(y) est la fonction induite par σ. Nous disons qu'il y a un emballage de k copies de G (dans le graphe complet Kn) s'il existe k permutations σi : V (G) → V (Kn), où i = 1, …, k, telles que σi*(E(G)) ∩ σj (E(G)) = ɸ pour i ≠ j. Un emballage de k copies d'un graphe G est appelé un k-placement de G. La puissance k d'un graphe G, noté par Gk, est un graphe avec le même ensemble de sommets que G et une arête entre deux sommets si et seulement si le distance entre ces deux sommets est au plus k. Kheddouci et al. ont prouvé que pour un arbre non-étoile T, il existe un 2-placement σ sur V (T). Nous introduisons pour la première fois le problème emballage marqué de graphe dans son graphe puissance / Two problems are considered in this thesis: the b-coloring problem and the graph packing problem. 1. The b-Coloring Problem : A b-coloring of a graph G is a proper coloring of the vertices of G such that there exists a vertex in each color class joined to at least a vertex in each other color class. The b-chromatic number of a graph G, denoted by b(G), is the maximum number t such that G admits a b-coloring with t colors. El Sahili and Kouider asked whether it is true that every d-regular graph G with girth at least 5 satisfies b(G) = d + 1. Blidia, Maffray and Zemir proved that the conjecture is true for d ≤ 6. Also, the question was solved for d-regular graphs with supplementary conditions. We study El Sahili and Kouider conjecture by determining when it is possible and under what supplementary conditions it is true. We prove that b(G) = d+1 if G is a d-regular graph containing neither a cycle of order 4 nor of order 6. Then, we provide specific conditions on the vertices of a d-regular graph G with no cycle of order 4 so that b(G) = d + 1. Cabello and Jakovac proved that if v(G) ≥ 2d3 - d2 + d, then b(G) = d + 1, where G is a d-regular graph. We improve this bound by proving that if v(G) ≥ 2d3 - 2d2 + 2d, then b(G) = d+1 for a d-regular graph G. 2. Graph Packing Problem : Graph packing problem is a classical problem in graph theory and has been extensively studied since the early 70's. Consider a permutation σ : V (G) → V (Kn), the function σ* : E(G) → E(Kn) such that σ *(xy) = σ *(x) σ *(y) is the function induced by σ. We say that there is a packing of k copies of G into the complete graph Kn if there exist k permutations σ i : V (G) → V (Kn), where i = 1,…, k, such that σ*i (E(G)) ∩ σ*j (E(G)) = ɸ for I ≠ j. A packing of k copies of a graph G will be called a k-placement of G. The kth power Gk of a graph G is the supergraph of G formed by adding an edge between all pairs of vertices of G with distance at most k. Kheddouci et al. proved that for any non-star tree T there exists a 2-placement σ on V (T). We introduce a new variant of graph packing problem, called the labeled packing of a graph into its power graph

Nous étudions plusieurs problèmes de coloration dans les graphes, pour certains avec une composante ludique. La coloration à distance 2 d'un graphe est une coloration de ses sommets telle que deux sommets à distance au plus 2 ont des couleurs différentes. Le L(p; q)-étiquetage est une généralisation de ce problème ou les contraintes à distance 1 et 2 sont différentes. Nous donnons des résultats pour ces deux problèmes dans plusieurs classes de graphes peu denses (ayant un faible degré moyen maximum).Le jeu de coloration sur un graphe est un jeu ou deux joueurs, Alice et Bob, colorent tour à tour un des sommets non coloriés d'un graphe, construisant ainsi une coloration propre partielle de plus en plus étendue de ce graphe. Alice tente d'étendre la coloration à l'ensemble du graphe, et Bob tente de l'en empêcher. Nous travaillons sur un invariant de graphe, le degré minmax, dont l'étude permet de déduire des résultats pour le jeu de coloration via l'étude d'un problème structurel, la (1; k)-décomposition d'un graphe, c'est-à-dire la partition de ses arêtes en une forêt et un sous-graphe de degré inférieur ou égal à k.Nous travaillons enfin sur une variante du jeu de coloration nommée jeu de coloration d'incidences, ou Alice et Bob colorient les incidences d'un graphe, pour lequel nous donnons une stratégie efficace pour Alice.Enfin, tout au long de notre mémoire, nous étudions les liens entre la notion de coloration est celle de marquage. Un marquage est un ordre sur les sommets (ou arêtes, ou incidences...) d'un graphe possédant des caractéristiques utiles pour le colorer. Pour nos différents problèmes, nous questionnons l'utilité ou les limites de l'usage de cette notion. / We study several problems of graph coloring, some of them with a game component.A 2-distance coloring of a graph is a vertex coloring where two vertices at distanceat most two have different colors. A L(p; q)-labeling is a generalisation of the distance-2coloring where constraints are different at distance 1 and 2. We give results for thesetwo problems in several classes of sparse graphs (with a low maximal average degree).The coloring game on a graph is a game where two players, Alice and Bob, taketurns coloring an uncolored vertex of the graph, constructing together a proper partialcoloring of the graph extending as time moves on. Alice try to extend the coloringto the whole graph, and Bob try to prevent her to win. We study a graph invariant,the minmax degree, who has consequences on the coloring game through the notion of(1; k)-decomposition of a graph, which is the partition of its edge set into a forest and asubgraph of degree bounded by k.We finally study a variant of the coloring game named incidence coloring game, whereAlice and Bob are coloring the incidences of a graph, and for which we give an efficientstrategy for Alice.Finally, during our thesis, we study the connections between coloring and marking,which is an order on the vertices of a graph (or its edges, or its incidences) havingproperties usefull for its coloring. For our problems, we try to determine the utility andthe limits of a marking-based approach of coloring problems.