Компьютерный процессор состоит из миллиардов транзисторов, находящихся в двух состояниях: проводящем ток («да», 1) и непроводящем («нет», 0). Это бит – минимальная единица информации. Расположение транзисторов и подаваемые сигналы определяют выполняемые процессором операции, основанные на принципах булевой алгебры. Для управления процессором используется последовательность нулей и единиц – бинарный код, машинный язык. Изначально взаимодействие с компьютером осуществлялось только таким способом.
От машинного кода к ассемблеру
Усложнение процессоров и увеличение числа транзисторов сделали программирование на машинном языке слишком сложным. Это привело к появлению ассемблера – абстракции над машинным кодом. В ассемблере комбинации нулей и единиц заменяются на буквы и короткие слова (например, add, sub, mov), упрощая программирование. Специальная программа переводит эти слова в машинный код, понятный компьютеру. Недостаток ассемблера – зависимость от архитектуры процессора: для каждой архитектуры требуется отдельный код.
Высокоуровневые языки и методы их обработки
Развитие привело к созданию высокоуровневых языков программирования (Fortran, Algol, LISP, Basic, Pascal, C, Python, Java, JavaScript), более близких к человеческой речи. Перевод кода на этих языках в машинный осуществляется двумя основными способами: компиляцией и интерпретацией.
Компиляция
Компиляция – это процесс, в котором компилятор переводит весь исходный код в машинный код за один этап. Компилятор анализирует код, проверяет синтаксис, подключает необходимые файлы и генерирует исполняемый файл. Программа запускается, выполняя инструкции из этого файла.
Компилятор выявляет синтаксические ошибки (пропущенная точка с запятой, незакрытая скобка, неверные аргументы функции), препятствующие запуску, но не проверяет логику кода. Компиляция производится под конкретную архитектуру, поэтому для переноса программы на другую систему требуется перекомпиляция. Существуют кросс-компиляторы, поддерживающие несколько архитектур и языков (например, GCC). Языки, использующие компиляцию: C, C++, Go, Rust, Swift. Компиляторы создаются на других языках программирования.
Интерпретация
Интерпретация – это процесс построчного перевода и выполнения исходного кода интерпретатором. Машинный код не генерируется заранее. Интерпретируемые языки быстрее запускаются, но их производительность ниже из-за анализа и выполнения кода «на лету». Ошибки обнаруживаются во время выполнения. Преимущество интерпретации – независимость от системы: код легко запускается на разных операционных системах при наличии интерпретатора. Языки, использующие интерпретацию: PHP, Python, JavaScript, Ruby.
Пример: Приготовление пиццы по рецепту на итальянском языке. Компиляция – полный перевод рецепта перед началом готовки, интерпретация – пошаговый перевод и готовка одновременно.
Java и байт-код
Java компилируется не в машинный код, а в байт-код – промежуточные инструкции для Java Virtual Machine (JVM). JVM исполняет байт-код на разных платформах, обеспечивая переносимость Java-приложений.
Just-In-Time (JIT) компиляция
JIT-компиляция – это подход, где байт-код или промежуточный код компилируется в машинный код во время выполнения программы. Это повышает производительность, например, в JavaScript-движках.
Хотя языки программирования часто классифицируют как компилируемые или интерпретируемые, любой язык может быть реализован обоими способами. Выбор метода зависит от целей разработки. Компиляция подходит, когда важна скорость и оптимизация, интерпретация – для быстрого прототипирования и простоты обновления. Ассемблер, несмотря на свою «историчность», применяется в специализированных областях.