1.1. Введение в программирование
Машинный язык
Процессор компьютера не способен понимать напрямую языки программирования, такие как C++, С#, Java, Kotlin, Python и т.д. Очень ограниченный набор инструкций, которые изначально понимает процессор, называется машинным кодом (или «машинным языком»). То, как эти инструкции организованы, выходит за рамки данного введения, но стоит отметить две вещи.
Во-первых, каждая команда (инструкция) состоит только из определенной последовательности (набора) цифр: 0 и 1. Эти числа называются битами или двоичным кодом.
Например, одна команда машинного кода архитектуры ×86 выглядит следующим образом:
10110000 01100001
Во-вторых, каждый набор бит переводится процессором в инструкции для выполнения определенного задания (например, сравнить два числа или переместить число в определенную ячейку памяти). Разные типы процессоров обычно имеют разные наборы инструкций, поэтому инструкции, которые будут работать на процессорах Intel (используются в персональных компьютерах), с большей долей вероятности, не будут работать на процессорах Xenon (используются в игровых приставках Xbox). Раньше, когда компьютеры только начинали массово распространяться, программисты должны были писать программы непосредственно на машинном языке, что было очень неудобно, сложно и занимало намного больше времени, чем сейчас.
Язык ассемблера
Так как программировать на машинном языке — удовольствие специфическое, то программисты изобрели язык ассемблера. В этом языке каждая команда идентифицируется коротким именем (а не набором единиц с нулями), и переменными можно управлять через их имена. Таким образом, писать/читать код стало гораздо легче. Тем не менее, процессор все равно не понимает язык ассемблера напрямую. Его также нужно переводить, с помощью ассемблера, в машинный код. Ассемблер — это транслятор (переводчик), который переводит код, написанный на языке ассемблера, в машинный язык.
Преимуществом Ассемблера является его производительность (точнее скорость выполнения) и он до сих пор используется, когда это имеет решающее значение. Тем не менее, причина подобного преимущества заключается в том, что программирование на этом языке адаптируется к конкретному процессору. Программы, адаптированные под один процессор, не будут работать с другим. Кроме того, чтобы программировать на Ассемблере, по-прежнему нужно знать очень много не очень читабельных инструкций для выполнения даже простого задания.
Например, вот вышеприведенная команда, но уже на языке ассемблера:
mov al, 061h
Высокоуровневые языки программирования
Для решения проблем читабельности кода и чрезмерной сложности были разработаны высокоуровневые языки программирования. C, C++, Pascal, Java, JavaScript и Perl — это всё языки высокого уровня. Они позволяют писать и выполнять программы, не переживая о совместимости кода с разными архитектурами процессоров. Программы, написанные на языках высокого уровня, также должны быть переведены в машинный код перед выполнением. Есть два варианта:
- компиляция, которая выполняется компилятором;
- интерпретация, которая выполняется интерпретатором.
Компилятор — это программа, которая читает код и создает автономную (способную работать независимо от другого аппаратного или программного обеспечения) исполняемую программу, которую процессор понимает напрямую. При запуске программы весь код компилируется целиком, а затем создается исполняемый файл и уже при повторном запуске программы компиляция не выполняется.
Проще говоря, процесс компиляции и сполнения программ выглядит следующим образом:
На языках C#/Java/Kotlin в данный процесс добавляется еще один компонент в виде виртуальной машины (для C# - CLR, Java/Kotlin - JVM), целью которой является исполнением байт-кода. Таким образом программа может быть выполненена независимо от платформы, в отличии от программ на C++. Достаточно, чтобы на этой платформе была виртуальная машина для соответствуюещго компиялтора языка.
Интерпретатор — это программа, которая напрямую выполняет код, без его предыдущей компиляции в исполняемый файл. Интерпретаторы более гибкие, но менее эффективные, так как процесс интерпретации выполняется повторно при каждом запуске программы.
Процесс интерпретации:
Любой язык программирования может быть компилируемым или интерпретируемым, однако, такие языки, как C, C++ и Pascal — компилируются, в то время как «скриптовые» языки, такие, как Perl и JavaScript — интерпретируются. Некоторые языки программирования (например, Python) могут как компилироваться, так и интерпретироваться.
Плюсы компилируемости в машинный код
- эффективность: программа компилируется и оптимизируется для конкретного процессора
- нет необходимости устанавливать сторонние приложения (такие как интерпретатор или виртуальная машина)
Минусы компилируемости в машинный код
- нужно компилировать для каждой платформы
- сложность внесения изменения в программу — нужно перекомпилировать заново
Преимущества высокоуровневых языков программирования
- Легче писать/читать код. Вот вышеприведенная команда, но уже на языке C++:
а = 97; - Требуется меньше инструкций для выполнения определенного задания. В языке C++ вы можете сделать что-то вроде
а = Ь * 2 + 5; в одной строке. В языке ассемблера вам пришлось бы использовать 5 или 6 инструкций. - Вы не должны заботиться о таких деталях, как загрузка переменных в регистры процессора. Компилятор или интерпретатор берёт это на себя.
- Высокоуровневые языки программирования более портативные под различные архитектуры.