Як комп'ютер виконує програму

Що таке програма

Програма — це послідовність інструкцій, які комп'ютер виконує по черзі. Комп'ютер не додумує і не вгадує: він робить рівно те, що написано, і в тому порядку, в якому написано.

Типова програма виконує три дії: отримує дані, обробляє їх і видає результат. Калькулятор отримує числа, додає їх і показує суму. Ігровий застосунок отримує натискання клавіш, змінює стан гри й малює новий кадр.

Python — одна з мов, якими такі інструкції записують. У цій лекції розглянуто, що відбувається з рядком Python-коду від натискання «Run» до результату на екрані.

Пригадаємо, що ви вже знаєте

Це перший урок, тому питання перевіряють наявні уявлення. Дайте відповідь на кожне до читання пояснень і запам'ятайте її: наприкінці лекції ці самі питання розглядаються ще раз.

Процесор, пам'ять і диск

У виконанні програми беруть участь три компоненти.

Процесор (CPU, Central Processing Unit) виконує інструкції. Він бере одну інструкцію, виконує її, переходить до наступної. Інструкції прості: додати два числа, порівняти два числа, скопіювати значення. Сила процесора в швидкості: він виконує мільярди таких кроків за секунду.

Оперативна пам'ять (RAM, Random Access Memory) — робоче сховище. У ній лежить усе, з чим програма працює зараз: код, числа, проміжні результати. Пам'ять швидка, але після вимкнення комп'ютера її вміст зникає.

Диск (SSD або HDD) зберігає файли постійно. Читання з диска значно повільніше, ніж з RAM, тому процесор напряму з диском не працює.

Звідси висновок: програму спершу завантажують з диска в оперативну пам'ять, і лише потім процесор бере звідти інструкції.

Усе в пам'яті — числа

Оперативна пам'ять — це ряд однакових комірок, і кожна комірка має адресу. Одна комірка вміщує один байт (byte). Байт складається з 8 бітів (bit), кожен біт дорівнює 0 або 1, тому байт вміщує 256 значень: числа від 0 до 255. Усе, що зберігається в пам'яті, записане такими числами.

Приклад: слово Hello. Кожній літері відповідає номер за таблицею символів. Літера H має номер 72, e — 101, l — 108, o — 111. Слово займає п'ять сусідніх комірок.

Python має функції для перевірки: ord() повертає номер літери, chr() виконує зворотну дію.

print(ord("H"))
print(chr(101))

Так само зберігаються й інші дані. Колір пікселя — це три числа (червоний, зелений, синій). Звук — послідовність чисел. Команди процесора теж числа. Тому байт сам по собі не має змісту: число 72 може бути літерою H, яскравістю пікселя або частиною команди. Зміст залежить від того, як програма його читає. На цьому ґрунтується поняття типу даних.

Мови високого рівня і машинний код

Процесор виконує машинний код (machine code): числові команди, специфічні для архітектури процесора. Чипи Intel і AMD мають одні команди, чипи Apple та більшість смартфонів — інші. Вручну такі команди писати довго й складно: щоб додати два числа й вивести результат, потрібні десятки команд, а помилку в ряді чисел важко помітити.

Тому існують мови програмування високого рівня (high-level languages): C, Java, JavaScript, Python. Їхній синтаксис ближчий до людської мови:

print("Hello")

Один такий рядок замінює багато команд машинного коду. Але процесор його не розуміє. Між текстом програми й процесором потрібен перекладач.

Компілятор і інтерпретатор

Є два способи перекладу.

Компілятор (compiler) перекладає всю програму в машинний код один раз, до запуску. Результат — виконуваний файл (на Windows це .exe). Далі запускають саме його, вихідний код уже не потрібен. Так працюють C, C++, Go, Rust. Аналогія: книгу перекладають повністю й видають готовий переклад.

Інтерпретатор (interpreter) — програма, яка читає код і виконує його під час запуску, без окремого виконуваного файлу. Аналогія: перекладач перекладає кожне речення в момент розмови.

Що насправді робить Python

Поширена відповідь — «Python інтерпретована мова». Вона неповна.

Python не виконує текст програми рядок за рядком. Спочатку він компілює код у проміжну мову — байт-код (bytecode). Це набір простих команд, які не залежать від процесора. Потім віртуальна машина Python (PVM, Python Virtual Machine) виконує ці команди по черзі. Вона і є інтерпретатором у класичному розумінні.

Перед створенням байт-коду текст розбивається на частини (токени) і з них будується дерево програми. Докладно ці етапи показано у відео. Python виконує обидві дії: компілює текст у байт-код, потім інтерпретує байт-код. Наслідки:

• синтаксичні помилки знаходяться до виконання першого рядка;
• байт-код не залежить від процесора, тому програма працює скрізь, де встановлено Python.

Байт-код можна переглянути модулем dis:

import dis

dis.dis('print("Hello")')

  0           RESUME                   0

  1           LOAD_NAME                0 (print)
              PUSH_NULL
              LOAD_CONST               0 ('Hello')
              CALL                     1
              RETURN_VALUE

LOAD_NAME знаходить об'єкт print, LOAD_CONST кладе текст 'Hello', CALL 1 викликає функцію з одним аргументом. RESUME і PUSH_NULL — службові команди віртуальної машини, зараз вони не потрібні.

Встановлення Python і перший запуск

Курс використовує Python 3.15. Класичний спосіб встановлення — офіційний інсталятор з сайту python.org. Інсталятор встановлює інтерпретатор, стандартну бібліотеку та засоби запуску.

python --version

python3 --version

python3 --version

Очікуваний вивід (останнє число може відрізнятися):

Python 3.15.0

Інші способи встановлення

Усі ці способи дають той самий Python. Різниця в зручності оновлення та в тому, звідки береться пакет.

brew install python@3.15
python3.15 --version

# Debian, Ubuntu
sudo apt update
sudo apt install python3

# Fedora
sudo dnf install python3

winget install Python.Python.3.15
python --version

REPL і скрипт

Код запускають у двох режимах.

REPL (Read-Eval-Print Loop) — інтерактивний режим: ви вводите рядок, Python виконує його, показує результат і чекає наступного. Підходить для експериментів. Запуск:

python

З'явиться запрошення >>>. Введіть вираз і натисніть Enter:

Вихід з REPL — exit(). Кожен рядок у REPL проходить той самий шлях: компіляція в байт-код, виконання.

Скрипт (script) — файл .py з усією програмою. Створіть hello.py з рядком print("Hello") і запустіть:

python hello.py

Скрипт зберігається на диску, його можна запускати повторно й передавати іншим. Реальні програми пишуть саме у файлах.

Звідки береться __pycache__

У папці проєкту може з'явитися каталог __pycache__ з файлами .pyc — це збережений байт-код. Коли програма імпортує інший файл, Python компілює його й кладе байт-код у __pycache__, щоб не компілювати повторно, якщо вихідний файл не змінився. Назва містить версію Python, наприклад hello.cpython-315.pyc.

Передбачте, перш ніж запускати

Для кожного фрагмента запишіть відповідь, потім запустіть код у REPL і порівняйте. Розбіжність між передбаченням і результатом показує, яке уявлення потрібно уточнити.

print(ord("a"))
print(chr(100))

97
d

print("Перший рядок")
x = 2 +
print("Третій рядок")

Підсумок

1. Процесор виконує, RAM тримає код і дані, диск зберігає постійно.
2. Усе в пам'яті — числа; зміст числа залежить від того, як програма його читає.
3. Процесор розуміє лише машинний код, тому код потрібно перекласти.
4. Python спершу компілює код у байт-код, потім віртуальна машина виконує його.
5. Код запускають у REPL або як скрипт; __pycache__ зберігає байт-код імпортованих файлів.

Повернімося до питань на початку

Порівняйте свої відповіді з блоку «Пригадаємо, що ви вже знаєте» з викладеним. Найчастіше змінюється відповідь про Python: це мова, код якої компілюється в байт-код і виконується на віртуальній машині, а не лише інтерпретується.

Типові хибні уявлення

Практичні завдання

print(chr(80))
print(chr(121))
print(chr(116))
print(chr(104))
print(chr(111))
print(chr(110))