Как компьютер понимает язык программирования

Языки программирования: что это такое, зачем нужны и какой выбрать новичку

Разбираемся, как устроены языки программирования, почему их так много и чем они отличаются от алгоритмов.

Что такое язык программирования

Язык программирования — это набор формальных правил, по которым пишут программы. Обычный язык нужен для общения людей, а язык программирования — для общения с компьютером. Как и в любом естественном языке, тут есть лексика — слова, функции и операторы, из которых по правилам синтаксиса составляются выражения. Они имеют чёткий, вполне определённый смысл, понятный компьютеру, — семантику.

Вот, например, программа на языке JavaScript:

Здесь слово alert — лексика, один из принятых в языке методов обработки текста. Текст в одинарных кавычках, скобки, точка с запятой — правила синтаксиса. А то, что нужно сделать в итоге, — семантика. Получив эти инструкции, компьютер выведет на экран всплывающее окно с кнопкой и сообщением: «Это программа на JavaScript».

Фанат Free Software Foundation, использую Linux и недолюбливаю Windows. Пишу истории про кодинг и программы на Python. Влюблен в LISP, но пока что не умею на нем программировать.

Чем языки программирования отличаются от алгоритмов

Программы нужны для того, чтобы машина сделала что-то полезное. Это невозможно, если нет чёткого порядка действий и правил их выполнения — алгоритма.

Алгоритм работает как маршрут в навигаторе: «Из пункта А едем в пункт Б, поворот через 150 метров». Англичанин понимает его по-английски, китаец —
по-китайски, а мы с вами — по-русски. Языки разные, а порядок действий один и все должны добраться до нужного места.

Любая программа начинается с алгоритма, но на разных языках это может выглядеть по-разному. Например, вот эта — на языке С — проверяет, чтобы делитель не был нулём, а затем делит одно число на другое. Или пишет, что так делать нельзя.

То же самое, но на Python.

В программе на Python нет фигурных скобок и точек с запятой, но алгоритм и результат работы такой же, как у программы на C, да и слова похожи.

Перейти с одного языка программирования на другой легко: если знаешь Java — быстро начнёшь кодить, например, на Python или C#.

Как компьютер понимает разные языки программирования

На самом деле язык программирования — это не язык компьютера. Машина понимает последовательности нулей и единичек: есть напряжение в цепи — единица, нет — ноль. Поэтому любую программу сначала надо перевести в набор таких машинных команд.

Для этого есть два инструмента — компилятор и интерпретатор. Компилятор работает как бюро переводов: вы отдаёте ему весь текст программы, а он превращает его в исполняемый код, набор команд для процессора. Интерпретатор больше похож на переводчика-синхрониста: сказали фразу — синхронист тут же её перевёл, а компьютер выполнил.

Внутри компиляторов и интерпретаторов — сложные наборы правил по превращению языка программирования в машинный код, понятный компьютеру. Это тоже программы. Их пишут создатели нового языка — на каком-то другом, уже существующем. Например, интерпретатор Python написан на C, а сам C — на ассемблере, практически машинном коде.

Что такое библиотеки

Библиотеки — наборы функций, готовых шаблонов, написанных на каком-то из языков программирования. Это удобно и похоже на книги в обычной библиотеке: на них можно ссылаться внутри программ и сразу получать результат без необходимости каждый раз писать много кода.

Например, в Python есть модуль — библиотека yandex_translate, которая переводит тексты на разные языки. Программистам не надо создавать программу-переводчик с нуля, достаточно подключить этот модуль и обратиться к нему из любой точки кода.

Источник

Как работает процессор и языки программирования

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

Все вы знаете, что процессор в компьютере — это мозг. Он управляет всеми процессами, происходящими внутри этой консервной банки. Но знаете ли вы, как он работает?

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.

Так. Понятно. Процессор может выполнять маленькие числовые команды. Но откуда он их берет? Из оперативной памяти. Думайте об оперативке, как о большом количестве маленьких ячеек. Каждая ячейка имеет свой адрес — это обычное число, например 2001. По адресу ячейки процессор может запросить данные и оперативная память вернет их ему. Также в эту ячейку процессор может записать новые данные.

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.

Рассмотрим еще один пример программы на ассемблере, которая выводит фразу «Hello, World!«. Пример ассемблированного кода:

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?

Так вот одну и ту же программу на ассемблере вам придется «пересобирать» под каждую из архитектур процессора. Для каждой архитектуры нужно скачивать отдельный инструмент Ассемблер и прогонять через него свой код.

Это усложняет портативность. Добавим сюда сложность в написании больших программ и получим необходимость в создании новых инструментов.

Так стали появляться языки программирования высокого уровня.

Их суть заключается в том, что цепочки команд на ассемблере были объединены в отдельные функции. Теперь вам достаточно написать одну команду, чтобы показать сообщение «Hello, World!».

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.

Рассмотрим чуть подробнее. Например на языке С вывод фразы «Hello, World!» будет выглядеть так: printf(«Hello, World!»). Просто и понятно.

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:

Интерпретатор работает почти так же, как и компилятор, но с одной маленькой, но значительной особенностью: он преобразует код высшего порядка не в машинный код, а еще ниже — в байткод.

Байткод — это код, который понимают все процессоры не зависимо от архитектуры.

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

Байткод — саааамый низкий язык, который понимает процессор.

Машинный код — цепочка числовых команд. Все числовые команды процессора создают архитектуру процессора, заложенную инженерами при проектировании. У разных производителей процессоров могут отличаться номера одних и тех же команд.

Ассемблер — инструмент, который преобразует ассемблированный код в машинный. Программы на ассемблированном языке писать проще, чем машинный код, но все равно гемор.

Компилятор и Интерпретатор — инструменты, преобразующие код высшего уровня в код, понятный процессору.

Язык высшего уровня — это сказка, позволяющая создавать большие программы с помощью простых и понятных функций.

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.

Если вы с чем-то не согласны, у вас есть вопросы или просто хотите сказать спасибо — прошу в комментарии. Пообщаемся 🙂

Источник

Урок №1. Введение в программирование

Обновл. 24 Дек 2020 |

Компьютеры понимают только очень ограниченный набор инструкций, и чтобы заставить их что-то делать, нужно четко сформулировать задание, используя эти же инструкции. Программа (также «приложение» или «программное обеспечение», или «софт») — это набор инструкций, которые указывают компьютеру, что ему нужно делать. Физическая часть компьютера, которая выполняет эти инструкции, называется «железом» или аппаратной частью (например, процессор, материнская плата и т.д.). Данный урок является началом серии уроков по программированию на языке С++ для начинающих.

Машинный язык

Процессор компьютера не способен понимать напрямую языки программирования, такие как C++, Java, 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.

Например, одна команда машинного кода архитектуры ×86 выглядит следующим образом:

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. В Интернете язык ассемблера часто называют просто «Ассемблер».

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:

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 выглядит следующим образом:

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.

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, Java) могут как компилироваться, так и интерпретироваться.

Преимущества высокоуровневых языков программирования

Преимущество №1: Легче писать/читать код. Вот вышеприведенная команда, но уже на языке C++:

Преимущество №2: 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.

Преимущество №3: Вы не должны заботиться о таких деталях, как загрузка переменных в регистры процессора. Компилятор или интерпретатор берёт это на себя.

Преимущество №4: Высокоуровневые языки программирования более портируемые под различные архитектуры (но есть один нюанс).Нюанс заключается в том, что многие платформы, такие как Microsoft Windows, имеют свои собственные специфические функции, с помощью которых писать код намного легче. Но в таком случае приходится жертвовать портируемостью, так как функции, специфические для одной платформы, с большей долей вероятности, не будут работать на другой платформе. Обо всем этом мы детально поговорим на следующих уроках.

Источник

Изучаем C++. Часть 1. Что такое программа и языки программирования

Разбираемся, как устроен язык программирования C++, что такое программы и как научиться их писать.

Чтобы научиться программировать с нуля, нужно только уметь пользоваться компьютером, устанавливать программы, создавать папки и файлы. Это первая статья из серии «Глубокое погружение в C++», с помощью которой вы сделаете первые шаги в профессии разработчика серверных приложений и игр.

Не пугайтесь большого объёма информации: чем больше вы будете знать, тем лучше сможете программировать. Это особенно важно, если вы выбрали C++, потому что на этом языке невозможно без хорошей теоретической базы написать высокопроизводительный код.

Внимание! В следующих разделах информация сильно упрощена.

Пишет о программировании, в свободное время создает игры. Мечтает открыть свою студию и выпускать ламповые RPG.

Что такое язык программирования

Компьютер — это бесполезный кусок железа, который ни с чем не может справиться самостоятельно. И чтобы получить какой-то результат, нужно написать для него программу — подробный набор инструкций.

Компьютер понимает только машинный код — специальный язык, который очень сложно изучить. Вот как выглядит вывод на экран надписи «Hello, World!» на машинном коде (в шестнадцатеричном представлении):

Чтобы упростить разработку, были созданы языки программирования — с их помощью пишут инструкции для компьютера, которые понятны и человеку. Одним из первых был язык ассемблера. Вот как на нём выглядит вывод надписи «Hello, World!»:

Всё равно достаточно сложно, да? В результате человечество создало более понятные языки программирования, на которых гораздо быстрее писать программы. А чтобы они потом запускались, код переводится в машинный или какой-нибудь промежуточный язык — этот процесс называется компиляцией.

Если язык похож на машинный код, то его называют низкоуровневым. Если же он больше понятен человеку, то — высокоуровневым. C++ сочетает в себе свойства и того, и другого.

Как работают программы

Любая программа работает с данными: она их получает, обрабатывает, а потом возвращает результат обработки. Данные могут быть переданы пользователем, считаны из файла или записаны в самом коде.

Например, браузер получает текст из адресной строки, который ввёл пользователь, отправляет адрес на сервер, а потом выводит ответ в виде страницы.

Также программа может состоять из других подпрограмм — наборов инструкций. Обработка запроса пользователя, отправка данных на сервер, получение ответа, вывод страницы — всё это подпрограммы.

Вот пример логики такой подпрограммы:

Можно вернуть данные пользователю, записать их в файл или передать другой подпрограмме. Вот ещё один пример использования программы:

Эта команда запускает программу в ОС Linux, которая конвертирует изображение img.jpg в другой формат, а потом сохраняет в файл img.png.

Сейчас слово «подпрограмма» встречается редко — вместо него используют слова «функция», «процедура» или «метод».

Пишем первую программу на C++

По традиции программистов первая программа, написанная на изучаемом языке, должна выводить на экран надпись «Hello, World!».

В C++ такой код будет выглядеть так:

Попробуем его запустить, а потом разберём, как он работает.

Запускаем код в интернете

Самый простой вариант — зайти на сайт repl.it. На главной странице нажмите Start Coding, выберите C++ и нажмите Create Repl.

У вас откроется следующая страница:

Слева — менеджер файлов, в центре — текстовый редактор, где уже введён нужный нам код, а справа — консоль, в которой выводится результат. Чтобы запустить программу, нажмите Run.

Запускаем код на компьютере

Если же вы хотите компилировать код на своём компьютере, то установите компилятор. Я пользуюсь G++, его и вам рекомендую.

После установки компилятора создайте отдельную папку для кода, а в ней — файл hello.cpp (это расширение для файлов с командами на C++). Желательно, чтобы путь к папке состоял из латинских символов и был написан без пробелов.

Откройте hello.cpp с помощью любого блокнота или редактора кода (например, Sublime text или VS Code) и вставьте в него код, указанный выше. Теперь откройте терминал с помощью инструкции ниже.

Затем введите следующую команду:

Эта команда скажет компьютеру, что нужно скомпилировать код из файла hello.cpp и сохранить результат в файл hello (или hello.exe в Windows).

После этого запустите скомпилированную программу, и вы увидите, что всё работает:

Теперь, когда мы смогли запустить программу, разберёмся в ней.

Из чего состоит программа на C++

Начнём с самой первой строчки:

С помощью языка программирования можно:

Но чтобы получить больше возможностей, программе нужно как-то взаимодействовать с операционной системой. Писать код, который будет отправлять команды ОС, достаточно сложно, но нам и не придётся — всё уже написано другими разработчиками и помещено в специальную библиотеку.

Одна из таких библиотек, iostream, позволяет запрашивать пользовательский ввод или выводить что-то в консоли.

Есть и другие библиотеки, которые помогают работать с графикой, отправлять запросы через интернет, воспроизводить звук и так далее. В будущем вы научитесь самостоятельно писать свои собственные библиотеки.

Источник