0.2 – Введение в языки программирования

Современные компьютеры невероятно быстры и постоянно становятся еще быстрее. Однако они также имеют некоторые существенные ограничения: они изначально понимают только ограниченный набор команд, и им нужно точно сказать, что делать.

Компьютерная программа (также обычно называемая приложением) – это набор инструкций, которые компьютер может выполнить для выполнения некоторой задачи. Процесс создания программы называется программированием. Программисты обычно создают программы, создавая исходный код (обычно сокращено говорят просто код), который представляет собой список команд, введенных в один или несколько текстовых файлов.

Набор физических компонентов компьютера, из которых состоит компьютер, и которые выполняют программы, называется аппаратным обеспечением. Когда компьютерная программа загружается в память и аппаратное обеспечение последовательно выполняет каждую инструкцию, это называется запуском или выполнением программы.

Машинный язык

Центральный процессор (CPU) компьютера не понимает язык C++. Ограниченный набор инструкций, которые CPU может понимать напрямую, называется машинным кодом (или машинным языком, или набором инструкций).

Вот пример инструкции машинного языка: 10110000 01100001.

Когда были изобретены первые компьютеры, программистам приходилось писать программы непосредственно на машинном коде, что было очень трудно и отнимало много времени.

Как организованы эти инструкции, выходит за рамки данного введения, но интересно отметить две вещи.

• Во-первых, каждая инструкция состоит из последовательности нулей и единиц. Каждый отдельный 0 или 1 называется битом (от «binary digit», или «двоичная цифра»). Количество битов, составляющих одну команду, может различаться – например, некоторые процессоры обрабатывают инструкции, которые всегда имеют длину 32 бита, тогда как некоторые другие процессоры (например, семейство x86, которое вы, вероятно, используете) имеют инструкции, которые могут быть переменной длины.
• Во-вторых, каждый набор битов интерпретируется центральным процессором в команду для выполнения очень конкретной работы, например, сравнения этих двух чисел или помещения этого числа в эту ячейку памяти. Однако из-за того, что разные CPU имеют разные наборы инструкций, инструкции, написанные для одного типа процессоров, не могут использоваться процессором, который не использует такой же набор команд. Это означало, что программы, как правило, нельзя было портировать (переносить, использовать без серьезной доработки) между различными типами систем, и их приходилось переписывать заново.

Язык ассемблера

Поскольку людям трудно читать и понимать машинный код, был изобретен ассемблер. В языке ассемблера каждая инструкция идентифицируется коротким сокращением (а не набором битов), и могут использоваться имена и другие числа.

Вот та же инструкция, что и выше, но на языке ассемблера: mov al, 061h.

Это сделало разработку намного проще для чтения и записи, чем машинный код. Однако CPU не понимает ассемблер напрямую. Вместо этого программа на ассемблере, прежде чем она сможет быть выполнена компьютером, должна быть переведена на машинный код. Это делается с помощью программы, называемой ассемблером. Программы, написанные на языках ассемблера, обычно бывают очень быстрыми, и ассемблер всё еще используется сегодня, когда очень важна скорость выполнения программы.

Однако у ассемблера всё же есть недостатки. Во-первых, языки ассемблера по-прежнему требуют использования множества инструкций даже для простых задач. Хотя отдельные инструкции в некоторой степени удобочитаемы, понимание того, что делает вся программа, может быть сложной задачей (это немного похоже на попытку понять предложение, рассматривая каждую букву по отдельности). Во-вторых, язык ассемблера по-прежнему не очень портируем – программа, написанная на ассемблере для одного процессора, скорее всего, не будет работать на аппаратном обеспечении, использующем другой набор инструкций, и ее придется переписывать или сильно модифицировать.

Высокоуровневые языки

Чтобы решить проблемы удобочитаемости и переносимости, были разработаны новые языки программирования, такие как C, C++, Pascal (и более поздние языки, такие как Java, Javascript и Perl). Эти языки называются языками высокого уровня, поскольку они разработаны, чтобы позволить программисту писать программы, не беспокоясь о том, на каком компьютере будет выполняться программа.

Вот всё та же инструкция, что и выше, на C/C++: a = 97;

Как и программы на ассемблере, программы, написанные на языках высокого уровня, прежде чем их можно будет запустить, должны быть переведены в формат, понятный компьютеру. Это можно сделать двумя основными способами: компиляция и интерпретация.

Компилятор – это программа, которая читает исходный код и создает автономную исполняемую программу, которую затем можно запустить. После того, как ваш код был преобразован в исполняемый файл, вам не нужен компилятор для запуска программы. Вначале компиляторы были примитивными и создавали медленный, неоптимизированный код. Однако с годами компиляторы стали очень хороши в создании быстрого, оптимизированного кода и в некоторых случаях могут делать его лучше, чем люди, пишущие на ассемблере!

Ниже показано упрощенное представление процесса компиляции:

Поскольку программы на C++ обычно компилируются, мы вскоре рассмотрим компиляторы более подробно.

Интерпретатор – это программа, которая непосредственно выполняет инструкции в исходном коде, не требуя их предварительной компиляции в исполняемый файл. Интерпретаторы, как правило, более гибки, чем компиляторы, но менее эффективны при запуске программ, потому что при запуске программы каждый раз должен выполняться процесс интерпретации. Это означает, что при каждом запуске программы требуется интерпретатор.

Ниже показано упрощенное представление процесса интерпретации:

Большинство языков можно компилировать или интерпретировать, однако традиционно языки, такие как C, C++ и Pascal, компилируются, тогда как «скриптовые» языки, такие как Perl и Javascript, обычно интерпретируются. В некоторых языках, например в Java, используется сочетание этих двух методов.

Высокоуровневые языки обладают многими необходимыми свойствами.

Во-первых, на языках высокого уровня намного легче читать и писать, потому что команды ближе к естественному языку, который мы используем каждый день.

Во-вторых, высокоуровневые языки требуют меньшего количества инструкций, чем низкоуровневые языки, для выполнения одной и той же задачи, что делает программы более краткими и легкими для понимания. В C++ вы можете сделать что-то вроде a = b * 2 + 5; в одну строку. На ассемблере для этого потребуется 5 или 6 разных инструкций.

В-третьих, программы можно компилировать (или интерпретировать) для многих различных систем, и вам не нужно изменять программу для работы на разных процессорах (вы просто перекомпилируете ее для конкретного процессора). В качестве примера:

В портируемости есть два общих исключения. Во-первых, многие операционные системы, такие как Microsoft Windows, содержат специфичные для платформы возможности, которые вы можете использовать в своем коде. Это может значительно упростить написание программы для конкретной операционной системы, но за счет усложнения портируемости. В данной серии статей мы избегаем кода, специфичного для какой-либо платформы.

Некоторые компиляторы также поддерживают специфичные для компилятора расширения – если вы их используете, ваши программы без изменений не смогут компилироваться другими компиляторами, которые не поддерживают те же расширения. Мы поговорим об этом позже, когда вы установите компилятор.

Правила, рекомендации и предупреждения

По мере изучения этих руководств мы будем выделять важные моменты в следующих трех категориях:

Теги