Как компьютер исполняет код
Обновлено: 04.07.2024
Компьютер конечно ничего не понимает.. Все способности к "пониманию" компьютера находятся в программах. которые написали люди.
Компьютер, это устройство, которое умеет выполнять некоторые более или менее простые операции. Сам компьютер можно сравнить с усовершенствованным арифмометром. Только алгоритмы работы компьютера, в отличии от арифмометра, можно изменять в более широких пределах, да и делать это проще.
Например, компьютер может:
- выполнять операции математического и логического сложения, вычитания, умножения и т.д.
- может сравнивать одни цифры с другими;
- может проверить состояние входов, или наоборот установить в нужное состояние свои выходы;
- может перемещать данные из одних регистров памяти в другие.. при этом порты ввода вывода для компьютера тоже представляются регистрами памяти, поэтому перемещение данных может выполняться из портов ввода, или в порты вывода;
- может выполнять условные переходы по программе, в зависимости от состояния регистров процессора.
По сути это почти все, что может компьютер.
Чтобы компьютер начал что-то "понимать", алгоритм этого "понимания" должен описать программист в программе. Описать до самой последней мелочи. То есть программист должен предусмотреть ВСЕ возможные варианты развития событий, и на каждый из возможных вариантов должен написать программы, которые выполнят нужные действия.
Теперь о понимании конкретно "кода". Код понимает так же не компьютер, а программы, написанные для исполнения этого кода. В этих программах программисты так же предусмотрели все возможные варианты команд, которые вы можете написать, и написали программы, которые будут выполняться по командам записанным вами в код.
При этом программа, исполняющая код делает примерно следующее:
И вот так весь код переводится одними программами на язык компьютера, компьютер выполняет поступившие команды, с помощью элементарных операций имеющихся у него в распоряжении. Результаты работы компьютера, преобразуются другими программами на язык, более понятный человеку. Например, отображаются на мониторе.
PS: Человек, работающий за компьютером, обычно понятия не имеет о том, сколько программного кода исполняет стоящий перед ним компьютер ежесекундно. Например, человек просто наводит мышь на кнопку, и нажимает на нее. При этом компьютер:
- десятки и сотни раз в секунду считывает координаты мыши,
- постоянно перерисовывает изображение курсора мыши,
- при прохождении мыши над разными объектами постоянно выполняются программы проверяющие нужно ли выполнять какие-то действия. Например, нужно ли изменять вид курсора мыши, или вид объекта, над которым проходит мышь..
- при нажатии на кнопку мыши так же запускается цепочка программ, реагирующих на нажатие кнопки, отпускание кнопки, перемещение с нажатой кнопкой мыши, и собственно запускается программа для вызова которой кнопка предназначена.. причем запуск основой программы, обычно, происходит уже при отпускании кнопки.
Это не считая того, что операционная система постоянно в фоне выполняет сотни и тысячи программ разного уровня сложности.
Большинство новичков в программировании, при написании очередной программы на уровне "Hello world", просто нажимают кнопку Run и даже не задумывается о том, что происходит с их кодом в момент компиляции. А зря.
Подписывайтесь на канал, ставьте лайк и мы начинаем!
Для чего мне это нужно?
Если у вас сейчас появился такой вопрос, то вот ответ на него:
Не понимая основ программирования, как всё работает, вы не сможете писать по-настоящему оптимизированный код. И дело тут не в правилах вроде "Тщательно выбирайте имена для переменных".
Надеюсь, вы меня понимаете. Если всё Ok, давайте наконец начнём!
Компиляция - это перевод кода на языке высокого уровня в машинную форму представления. Иными словами, это перевод с одного языка на другой, более понятный компьютеру.
Шаг первый - Препроцессор
В момент нажатия кнопки Run , вы отправляете свой код в компилятор. Всё начинается с препроцессора:
На всякий случай, этот символ выглядит так:
Итак, препроцессор ищет в вашем коде директивы, затем выполняет их.
Директивы позволяют вставлять в программу текст (код) из других файлов, исключать из процесса компиляции фрагменты кода, выполнять замену одних фрагментов другими и т.п.
Один из самых распространённых примеров :
Ссылается на заголовочный файл stdio.h, в процессе компиляции библиотека stdio будет включена в наш проект. Ссылается на заголовочный файл stdio.h, в процессе компиляции библиотека stdio будет включена в наш проект.Шаг второй. Анализ.
Обработанный текст передаётся назад в компилятор, который выполняет синтаксический и лексический анализ полученного текста.
Лексический анализ
На этом этапе сканер (лексический анализатор) последовательно просматривает поступающий в него поток символов и выделяет допустимые лексемы , это могут быть имена / ключевые слова, знаки операций, разделители и т.п. Их границы определяются по разделителям, пробельным символам и другим лексемам.
Синтаксический анализ
После лексического анализа парсер (синтаксический анализатор), на основе грамматики языка, распознает построенные из лексем выражения и операторы, выявляет синтаксические ошибки.
Семантический анализ
Целью этого вида анализа является выявление разного рода смысловых ошибок. Например, повторное описание переменной.
Шаг три. Почти финал.
Вам было тяжело? Надеюсь, что нет. Мы скоро закончим.
Итак, если ошибок после всех предыдущих этапов нет - > начинается генерация кода. При этом, конкретный вид генерируемого кода зависит от того, приложение какого типа создаётся.
Для обычного Windows приложения строится объектник (объектный модуль) - заготовка исполняемой программы в машинном коде.
Финал?
Далее судьба этого приложения тоже зависит от типа приложения.
Для Windows приложения компоновщик (линкер) формирует исполняемый .exe файл, подключая к объектному модулю другие такие же модули, в том числе, содержащие элементы стандартных библиотек, которые вы используете в своём проекте (например, stdio).
Если программа состоит из нескольких файлов, они компилируются по-отдельности и объединяются на этапе компоновки. После всего этого мы имеем готовый .exe файл, который можно запускать.
Заключение
В заключение хочу сказать, что изучать компьютерную науку (CS) - очень важно. В данный момент на рынке очень много разработчиков без действительно-сильной теоретической базы. В том числе и я. Именно по этой причине я решил углубиться в CS.
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал. Это не только мотивирует меня, но и способствует популяризации канала.
Чем больше подписчиков и лайков я получаю, тем больше у меня желание выдавать вам качественный и полезный контент, поэтому:
Спасибо за внимание, с вами был Дад.
Пишите в комментариях, что вы думаете о новом "логотипе" и названии канала, нравится ли вам?
Также пишите ваше мнение о данной статье, считаете ли вы её полезной. Любые ваши отклики улучшают качество контента на этом канале!
Эта статья будет полезна всем, кто по каким-либо причинам не знает, как работает процессор, как и зачем появились языки программирования и принцип их работы.
Все описанное ниже как всегда упрощено для лучшего понимания.
Процессор и оперативная память
Начнем вот с чего. Процессор не понимает русский, английский и другие языки. Он понимает числа, которые являются для него простыми командами, например: взять из памяти какие-то данные, добавить какие-то данные, сложить и т.д.
Процессор знает много команд и у каждой из них есть свой числовой код, например:
Совокупность всех команд и их числовых кодов, заложенных инженерами в процессор, называется архитектурой процессора. Это не аппаратная архитектура, а программная. Каждый производитель процессоров закладывает свою архитектуру. Это значит, что у одной и той же команды будут разные числовые коды на разных процессорах.
Понимаете прикол? Это значит, что вам нужно писать код для каждой архитектуры процессора. Жуть.
Как я уже сказал, в ячейках оперативной памяти хранятся команды для процессора. Но также в них могут храниться любые другие данные, которые можно представить в числовом виде, например: буквы, изображения, музыка или видео.
Получается такая картина: процессор обращается к оперативной памяти по адресу ячейки, оперативка возвращает ему команду из этой ячейки, процессор выполняет команду. А что дальше? А дальше процессор опять обращается к памяти (уже в другую ячейку), получает команду, выполняет ее и этот цикл повторяется снова и снова. То есть процессор все время выполняет какую-то заданную последовательность команд (числовых кодов). Эта последовательность команд называется машинным кодом.
Ассемблер
Как мы помним, процессор спроектирован таким образом, чтобы выполнять простые команды, загруженные из оперативной памяти.
Для того, чтобы заставить процессор выполнить какую-то программу, например решить уравнение 2 + 2 * 2, нам нужно написать цепочку простых числовых команд.
Согласитесь, что писать такой код очень сложно и легко запутаться. И это мы всего лишь написали код для решения простого уравнения. А теперь представьте, как написать ВКонтактик или Инстаграм.
Для упрощения жизни люди придумали инструмент Ассемблер и язык программирования на ассемблере.
Теперь все числовые коды команд процессора заменили на буквенные аббревиатуры, которые стало легче запоминать и читать.
Помните примеры кодов команд, которые были указаны выше? Теперь они выглядят так:
Также к названию команд были добавлены операнды (один или более), которые дают дополнительную информацию для выполнения команды.
Что-то слишком много непонятного кода для такой пустяковой задачи, не правда ли?
Языки программирования высшего уровня
Помните в самом начале я писал, что каждый производитель процессоров делает свою архитектуру? И что у каждой архитектуры свои числовые коды команд?
Это усложняет портативность. Добавим сюда сложность в написании больших программ и получим необходимость в создании новых инструментов.
Так стали появляться языки программирования высокого уровня.
Компилируемые языки
Первыми появились компилируемые языки программирования. К ним относится С, С++, Java и другие.
Компилируемый язык программирования означает, что есть инструмент компилятор, который преобразует код высшего порядка в код, понятный процессору.
Но процессор не поймет этой команды. Как мы помним, он знает и понимает только маленькие числовые команды. Поэтому компилятор языка C преобразует команду в ассемблированный код, а затем в машинный код, понятный процессору.
Программа, написанная на компилируемом языке программирования, перед запуском всегда проходит процесс компиляции. То есть весь написанный код высшего порядка преобразуется в машинный код, понятный процессору.
Затем компилятор делает исполняемый файл, который можно скинуть другу, чтобы он запустил вашу программу на своем компьютере.
Но у некоторых компиляторов есть свой прикол: чтобы ваша программа работала на всех операционных системах и всех архитектурах процессоров, вам нужно скомпилировать ее для этих вещей. И это может быть не так удобно.
Интерпретируемые языки
Компилируемые языки намного упростили задачу написания кода. Но что, если я скажу, что можно написать программу, которая будет работать на всех архитектурах процессоров и любой операционной системе?
Вот тут в ход идут интерпретируемые языки программирования такие как: Python, PHP, Perl, Pascal и другие.
Это тоже языки высшего порядка, которые также упрощают написание кода. Но у них есть как минимум два преимущества перед компилируемыми языками:
Конечно, в этом решении есть свой недостаток. В силу своей гибкости интерпретируемые языки подвержены низкой скорости работы из-за большего числа инструкций, которые генерирует интерпретатор. Но это напрямую зависит от того, насколько круто написан интерпретатор.
Подытожим
Я надеюсь, что теперь вы лучше представляете, как работает ваш компьютер или смартфон и будете терпеливее относится к их затупам 🙂 Ведь железка не виновата, что тупит, а виноват горе-программист, который написал плохой код.
У тех, кто только начинает знакомиться с Java, довольно часто возникает путаница в понятиях машинный и байт код. Что они собой представляют? В чём различия? В короткой заметке мы постараемся максимально просто и понятно расписать их особенности, чтоб раз и навсегда закрыть этот вопрос.
Машинный код
Процессор — это, по сути, очень сложный и продвинутый калькулятор. У него есть множество ячеек памяти (называемых регистрами) с которыми и между которыми проводятся различные математические и байтовые операции. Машинный код как раз и представляет собой описание последовательности выполнения операций и набора участвующих данных. По сути, это единственный язык, который понимает процессор вашего компьютера.
Врожденная несовместимость
CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) — концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:
- много команд, разных по длине;
- много режимов адресации;
- сложная кодировка инструкции.
Байт-код
Байт-код во многом похож на машинный код, только он использует набор инструкций не реального процессора, а виртуального. При этом он может включать в себя участки, ориентированные на использование JIT-компилятора, оптимизирующего выполнение команд под реальный процессор, на котором запущена программа.| JIT-компиляция (англ. Just-in-time compilation, компиляция «на лету») или динамическая компиляция (англ. dynamic translation) — это технология увеличения производительности программных систем, использующих байт-код, путём компиляции байт-кода в машинный код или в другой формат непосредственно во время работы программы. «Официально» в Java до 9-й версии был только JIT-компилятор. В Java 9 появился ещё один компилятор, причём компилирует он с опережением (AoT). Эта возможность позволяет компилировать классы Java в нативный код перед запуском на виртуальной машине. Данная функция предназначена для улучшения времени запуска и малых, и больших приложений, с ограниченным влиянием на максимальную производительность. |
Еще и виртуальная ОС
Впрочем, байт код содержит не только процессорные инструкции. В нем также содержится логика взаимодействия с виртуальной операционной системой, которая делает поведение приложения независящим от используемой на компьютере операционной системы. Это отлично видно в JVM, где работа с системными вызовами и GUI зачастую не зависят от ОС, на которой запущена программа. По большому счету JVM эмулирует запуск процесса программы, в отличие от решений вроде Virtual Box, которые создают только виртуальную систему/железо.
В этом гайде вы узнаете о том, что такое компилятор и как он работает. Мы разберем этапы компиляции и от чего зависит выбор подходящего компилятора. Этот материал поможет лучше понять, как компьютер выполняет программный код и почему иногда код не компилируется.
Зачем нужен компилятор?
Процессор — самая важная часть компьютера. Он обрабатывает информацию, выполняет команды пользователя и следит за работой всех подключенных устройств. Но процессор может разобрать только машинный код — набор 0 и 1, которые записаны в определённом порядке.
Почему именно 0 и 1? В процессор поступают электрические сигналы. Сильный сигнал обозначается цифрой 1, а слабый — 0. Набор таких цифр обозначает какую-то команду. Процессор ее распознает и выполняет.
Программы для первых компьютеров выглядели как огромные наборы 0 и 1. Чтобы записать такую программу, инженеры пользовались гибкими картонными карточками — перфокартами. Цифры на перфокарте записывались поочередно, в несколько строк. Чтобы записать 1, программист делал отверстие в карте. Места без отверстия обозначали 0.
Компьютер считывал перфокарту специальным устройством и выполнял записанную команду. Для одной программы составляли сотни перфокарт.
Писать их было долго и сложно, поэтому инженеры стали создавать языки программирования, обозначая команды словами и знаками. Для того, чтобы процессор понимал, какие команды записаны в программе, программисты создали компилятор — программу, которая преобразует программный код в машинный.
Как работает компилятор?
Преобразование программного кода в машинный называется компиляцией. Компиляция только преобразует код. Она не запускает его на исполнение. В этот момент он “статически” (то есть без запуска) транслируется в машинный код. Это сложный процесс, в котором сначала текст программы разбирается на части и анализируется, а затем генерируется код, понятный процессору.
Разберём этапы компиляции на примере вычисления периметра прямоугольника:
После запуска программы компилятору нужно определить, какие команды в ней записаны. Сначала компилятор разделяет программу на слова и знаки — токены, и записывает их в список. Такой процесс называется лексическим анализом. Его главная задача — получить токены.
Затем компилятор читает список и ищет токен-операторы. Это могут быть оператор присваивания( = ), арифметические операторы( + , - , * , / ), оператор вывода( printf() ) и другие операторы языка программирования. Такие операторы работают с числами, текстом и переменными.
Компилятор должен понять, какие токены в списке связаны с токен-оператором. Чтобы сделать это правильно, для каждого оператора строится специальная структура — логическое дерево или дерево разбора.
Так операция P = 2*(a + b) будет преобразована в логическое дерево:
Теперь каждое дерево нужно разобрать на команды, и каждую команду преобразовать в машинный код. Компилятор начинает читать дерево снизу вверх и составляет список команд:
- Взять переменную a , взять переменную b , сложить их
- Взять результат сложения, взять число 2 и найти их произведение
- Результат произведения присвоить (записать) в переменную P
Компилятор еще раз проверяет команды, находит ошибки и старается улучшить код. При успешном завершении этого этапа, компилятор переводит каждую команду в набор 0 и 1. Наборы записываются в файл, который сможет прочитать и выполнить процессор.
На чем написан компилятор?
В 1950-е годы группа разработчиков IBM под руководством Джона Бэкуса разработала первый высокоуровневый язык программирования Fortran, который позволил писать программы на понятном человеку языке. Помимо языка, инженеры работали и над компилятором. Он представлял собой программу с набором исполняемых команд, которая могла компилировать другие программы на Fortran, в том числе и улучшенную версию себя.
В дальнейшем язык Fortran и его компилятор использовали, чтобы написать компиляторы для новых языков программирования. Такой подход используют программисты и в настоящее время. Писать машинный код долго и неудобно. К тому же, для современных процессоров он может отличаться. Придется писать несколько версий одного и того же компилятора для разных компьютеров. Быстрее и проще написать компилятор на существующем языке программирования. Для этого разработчики выбирают удобный язык и пишут на нем первую версию своего компилятора. Он будет более универсальным для компьютеров и легко скомпилирует улучшенную версию себя.
Какие бывают компиляторы?
Ни один компилируемый язык программирования не обходится без компилятора. Некоторые компиляторы работают с несколькими языками программирования. Но программист должен учитывать еще и параметры компьютера, на котором программа будет запускаться.
Дело в том, что современные процессоры отличаются друг от друга устройством, поэтому машинный код для одного процессора будет понятен, а для другого нет. Это касается и операционных систем: одна и та же программа будет работать на Windows, но не запустится на Linux или MacOS. Поэтому нужно пользоваться тем компилятором, который работает с нужным процессором и операционной системой.
Если программа будет работать на нескольких операционных системах, то нужен кросс-компилятор — компилятор, который преобразует универсальный машинный код. Например, GNU Compiler Collection(сокращенно GCC) поддерживает C++, Objective-C, Java, Фортран, Ada, Go и поддерживает разную архитектуру процессоров.
Начинающие программисты даже не знают о наличии компилятора на компьютере. Они пишут программы в интегрированной среде разработки, в которую встроен компилятор, а иногда и не один. В этом случае, выбор компилятора делает среда, а не программист. Например, MS Visual Studio поддерживает компиляторы для операционных систем Windows, Linux, Android. Выбирая тип проекта, Visual Studio определяет процессор и операционную систему компьютера, и после этого выбирает подходящий компилятор.
Какие ошибки может определить компилятор?
- ошибки объявления переменных или отсутствие их начальных значений
- ошибки несоответствия типов
- ошибки неправильной записи операторов и функций
Иногда компилятор определяет код, который при выполнении дает неправильный результат. Но преобразовать такую программу в машинный код все-таки можно. В этом случае компилятор показывает пользователю предупреждение. Такая реакция компилятора больше похожа на рекомендации, но на них стоит обратить внимание. Программист сам решает оставить код с предупреждением или изменить программу. Анализируя текст программы, компилятор не только ищет ошибки, но еще и упрощает ее код. Такой процесс называется оптимизацией. Во время оптимизации компилятор изменяет программный код, но функции, которые выполняла программа, остаются прежними.
Выводы и рекомендации
Компилятор — переводчик между программистом и процессором. Он преобразует текст программы в машинный код, определяет ряд ошибок в программе и оптимизирует ее работу. Выбирая, где компилировать программу, важно помнить о том, что машинный код для процессоров и операционных систем будет разным, и подобрать правильный компилятор. Чем точнее компилятор определит команды, тем корректнее и быстрее будет работать программа. Для этого следуйте простым рекомендациям:
- использовать простые, понятные команды;
- помнить о соответствии типов данных;
- внимательно набирать код, избегая синтаксических ошибок;
- избегать повторяющихся действий и бесполезных переменных.
Частые вопросы
Чем компилятор отличается от интерпретатора?
Компилятор это программа, которая выполняет преобразование текста программы в другое представление, обычно машинный код, без его запуска, статически. Затем эта программа уже может быть запущена на выполнение. Интерпретатор сразу запускает код и выполняет его в процессе чтения. Промежуточного этапа как в компиляции нет.
Читайте также: