क्या मुझे यह जानने के लिए सी सीखने की आवश्यकता है कि कंप्यूटर कैसे काम करता है?

मैंने अक्सर लोगों को कंप्यूटर के प्रदर्शन को समझने के लिए सी। का अध्ययन करने का सुझाव दिया है। क्या यह एक अच्छा विचार है? क्या आपको यकीन है? मैं तुरंत पूर्ण स्पष्टता के लिए, लेख के निष्कर्ष को तुरंत रेखांकित करूंगा:

• C यह नहीं है कि कंप्यूटर कैसे काम करता है।
• मुझे नहीं लगता कि अधिकांश लोग शाब्दिक रूप से बोलते हैं, इसलिए यह महत्वपूर्ण नहीं है।
• संदर्भ को समझने का अर्थ है कि इस कारण से सी सीखना आपके लक्ष्यों के आधार पर अभी भी समझ में आ सकता है।

मैं निष्कर्ष के अधिक विस्तृत विवरण के साथ दो और लेख लिखने की योजना बना रहा हूं, लेकिन यह पहले से ही पर्याप्त है। लेख सामने आने पर लिंक यहाँ जोड़ें।

मैंने अक्सर लोगों से यह सुना है:

C का अध्ययन करके, आप समझ सकते हैं कि कंप्यूटर कैसे काम करते हैं।

मुझे नहीं लगता कि यह विचार शुरू में गलत था, लेकिन इसमें कुछ आरक्षण हैं। यदि आप उन्हें ध्यान में रखते हैं, तो यह बहुत अच्छी तरह से नई और महत्वपूर्ण चीजें सीखने के लिए एक व्यवहार्य रणनीति हो सकती है। हालांकि, मैं शायद ही कभी लोगों को इन आरक्षणों के बारे में विस्तार से चर्चा करते हुए देखता हूं, इसलिए मैं यह लेख प्रदान करने के लिए लिख रहा हूं, मेरी राय में, एक बहुत ही आवश्यक संदर्भ ... यदि आप सी सीखने के बारे में सोच रहे हैं कि आपका कंप्यूटर कैसे काम करता है, तो यह लेख आपके लिए है। मुझे आशा है कि वह आपको इसका पता लगाने में मदद करेगी।

इससे पहले कि हम वास्तव में आरंभ करें, मैं एक और बात कहना चाहूंगा: यदि आप C सीखना चाहते हैं, तो अध्ययन करें! सीखना बहुत अच्छा है। C सीखना मेरी कंप्यूटिंग और मेरे करियर की समझ के लिए बहुत महत्वपूर्ण हो गया है। एक प्रोग्रामिंग भाषा के इतिहास में इस भाषा और इसके स्थान को सीखना आपको एक बेहतर प्रोग्रामर बना देगा। आपको किसी बहाने की जरूरत नहीं है। सिर्फ सीखने के लिए चीजें सीखें। इस लेख का उद्देश्य सत्य को समझने के लिए एक दिशानिर्देश होना है, यह चर्चा नहीं करता है कि सी का अध्ययन करना है या नहीं।

सबसे पहले, जिनके लिए यह विचार आम तौर पर अनुशंसित है। यदि आप "यह पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं कि कंप्यूटर कैसे काम करते हैं," तो यह बिना कहे चला जाता है कि आप इस समय इसे नहीं समझते हैं। कौन से प्रोग्रामर को समझ नहीं आता कि कंप्यूटर कैसे काम करते हैं? मैंने मूल रूप से देखा कि यह भावना उन लोगों से आती है जो ज्यादातर रूबी, पायथन या जावास्क्रिप्ट जैसी गतिशील "पटकथा" भाषाओं में टाइप करते हैं। वे कथित तौर पर "कंप्यूटर कैसे काम करते हैं, यह नहीं जानते" क्योंकि ये भाषाएं एक वर्चुअल मशीन के अंदर काम करती हैं, जहां केवल वर्चुअल मशीन के शब्दार्थ होते हैं। अंत में, एक आभासी मशीन का पूरा विचार पोर्टेबिलिटी प्रदान करना है। लक्ष्य उन उपकरणों पर निर्भर नहीं है जिन पर VM चल रहा है।

केवल एक समस्या है: C एक वर्चुअल मशीन के अंदर भी काम करता है।

अमूर्त मशीन सी

विनिर्देश C99 से , खंड 5.1.2.3, "कार्यक्रम निष्पादन":

इस अंतर्राष्ट्रीय मानक में शब्दार्थ विवरण एक अमूर्त मशीन के व्यवहार का वर्णन करते हैं जिसमें अनुकूलन मुद्दे प्रासंगिक नहीं हैं।

मेरी राय में, यह सबसे महत्वपूर्ण बात है जब सी सीखते हैं। भाषा यह नहीं बताती है कि "कंप्यूटर कैसे काम करता है", लेकिन यह वर्णन करता है कि "अमूर्त सी मशीन" कैसे काम करती है। इस अवधारणा से इतर सब कुछ महत्वपूर्ण है।

एक और ध्यान दें: यहाँ मैंने C99 को चुना, जो कि नवीनतम C मानक नहीं है। क्यों? खैर, MSVC है ... दिलचस्प सी भाषा का समर्थन है , और मैं इन दिनों एक विंडोज उपयोगकर्ता हूं। हां, आप विंडोज़ पर clang और gcc चला सकते हैं। C89, C99 और C11 के बीच इतना बड़ा अंतर नहीं है जितना कि हम बात कर रहे हैं। कुछ बिंदु पर, आपको चुनना होगा। मैंने यहां जिस संस्करण का उल्लेख किया है, उसमें मूल विनिर्देश में कुछ बदलाव शामिल हैं।

आपने अपनी C बात में एक और मुहावरा सुना होगा: "C पोर्टेबल असेम्बलर है।" यदि आप इस वाक्यांश के बारे में सोचते हैं, तो आप समझेंगे कि यदि यह सच है, तो C किसी कंप्यूटर के संचालन के अनुरूप नहीं हो सकता है: विभिन्न आर्किटेक्चर वाले कई अलग-अलग कंप्यूटर हैं। यदि C एक असेम्बलर की तरह है जो अलग-अलग आर्किटेक्चर के साथ अलग-अलग कंप्यूटरों पर चलता है, तो यह इन कंप्यूटरों में से प्रत्येक की तरह एक साथ कार्य नहीं कर सकता है। उसे विवरण छिपाना होगा , अन्यथा वह पोर्टेबल नहीं होगा!

फिर भी, मुझे लगता है कि यह तथ्य कोई मायने नहीं रखता है, क्योंकि लोग शायद ही "सी का उल्लेख है कि कंप्यूटर कैसे काम करता है।" इस पर लौटने से पहले, आइए सार सी मशीन के बारे में बात करते हैं, और कई सी के इस पहलू को क्यों नहीं समझते हैं।

पाचन: लोग गलत क्यों हैं?

मैं केवल अपने अनुभव के बारे में बात कर सकता हूं, हालांकि यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह अद्वितीय नहीं है।

मैंने GW-BASIC, फिर C, फिर C ++, फिर जावा सीखा। मैंने जावा के बारे में सुना इससे पहले कि मैंने इसे 1999 में लिखना शुरू किया, इसके छपने के चार साल बाद। मार्केटिंग ने उस समय सक्रिय रूप से जावा और सी ++ के विपरीत किया, यह एक मंच के रूप में जेवीएम पर केंद्रित था, और इस तथ्य पर कि मशीन मॉडल इसे सी ++ से अलग करता है, और इसलिए सी। सन माइक्रोसिस्टम्स अब मौजूद नहीं है, लेकिन प्रेस रिलीज दर्पण हमें याद दिलाता है:

जावा एप्लिकेशन प्लेटफ़ॉर्म स्वतंत्र हैं; आपको बस प्रत्येक प्लेटफॉर्म पर जावा वर्चुअल मशीन को पोर्ट करना होगा। यह उपयोगकर्ता के कंप्यूटर और जावा एप्लिकेशन के बीच एक दुभाषिया के रूप में कार्य करता है। जावा वातावरण में लिखा गया एक एप्लिकेशन कहीं भी काम कर सकता है, जिससे कई प्लेटफार्मों पर एप्लिकेशन पोर्ट करने की आवश्यकता समाप्त हो सकती है।

मुख्य आदर्श वाक्य था "एक बार लिखो, हर जगह दौड़ो।" ये दो वाक्य बन गए कि कैसे मैं (और कई अन्य) जावा समझ में आया, और यह C ++ से कैसे भिन्न है। जावा में एक दुभाषिया है, एक जावा वर्चुअल मशीन है। C ++ में कोई वर्चुअल मशीन नहीं है।

इस तरह के शक्तिशाली विपणन के साथ, कई लोगों के दिमाग में "आभासी मशीन" एक बड़े क्रम और / दुभाषिए का पर्याय बन गया है। " इस सुविधा के बिना भाषाएँ भी एक विशिष्ट कंप्यूटर से जुड़ी होती हैं और उन्हें पोर्टिंग की आवश्यकता होती है क्योंकि वे वास्तव में प्लेटफ़ॉर्म स्वतंत्र नहीं थे। जावा के अस्तित्व में आने का मुख्य कारण इस C ++ दोष में बदलाव था।

"रनटाइम पर्यावरण", "वर्चुअल मशीन" और "अमूर्त मशीन" एक ही मौलिक अवधारणा के लिए अलग-अलग शब्द हैं। लेकिन तब से इन विचारों के कार्यान्वयन में मामूली बदलाव के कारण उन्हें अलग-अलग अर्थ प्राप्त हुआ है।

मैं व्यक्तिगत रूप से मानता हूं कि यह 1995 का विपणन यही कारण है कि प्रोग्रामर अभी भी सी की प्रकृति को गलत समझते हैं।

तो क्या यह कथन झूठा है? सन माइक्रोसिस्टम्स झूठ को बढ़ावा देने के लिए लाखों और करोड़ों डॉलर खर्च क्यों करेगा? यदि सी भी एक अमूर्त मशीन पर आधारित है जो क्रॉस-प्लेटफॉर्म पोर्टेबिलिटी प्रदान करता है, तो हमें जावा की आवश्यकता क्यों है? मुझे लगता है कि यह समझने की कुंजी है कि लोग वास्तव में क्या मतलब रखते हैं जब वे कहते हैं कि "कंप्यूटर कैसे काम करता है।"

लोगों को वास्तव में क्या मतलब है?

हालाँकि C एक वर्चुअल मशीन के संदर्भ में काम करता है, फिर भी यह जावा जैसी भाषाओं से काफी अलग है। सूरज झूठ नहीं बोलता था। समझने के लिए, आपको सी की कहानी जानने की जरूरत है।

1969 में, बेल लैब्स ने असेंबली लैंग्वेज में कंप्यूटर ऑपरेटिंग सिस्टम लिखा। 1970 में इसे UNIX करार दिया गया था। समय के साथ, बेल लैब्स ने पीडीपी -11 सहित अधिक से अधिक नए कंप्यूटर खरीदे।

जब यूनिक्स को पीडीपी -11 में पोर्ट करने का समय आया, तो उन्होंने उच्च स्तर की भाषा का उपयोग करने का फैसला किया, जो उस समय एक बहुत ही कट्टरपंथी विचार था। कल्पना कीजिए कि आज मैं आपको बताऊंगा: "मैं जावा में एक ओएस लिखने जा रहा हूं" - आप शायद हंसेंगे, हालांकि विचार साकार है । स्थिति (मेरी समझ में, मैं तब जीवित नहीं था) लगभग एक ही था। हमने बी नामक एक भाषा पर विचार किया, लेकिन इसने पीडीपी -11 के कुछ कार्यों का समर्थन नहीं किया और इसलिए उन्होंने इसे "सी" कहकर उत्तराधिकारी बनाया क्योंकि यह वर्णमाला का अगला अक्षर था।

कोई भाषा "ए" नहीं थी; B BCPL (बेसिक कंबाइंड प्रोग्रामिंग लैंग्वेज) में सफल हुआ।

1972 में, पहला C कंपाइलर PDP-11 पर लिखा गया था और साथ ही साथ UNIX को C. में लिखा था। शुरू में, उन्होंने पोर्टेबिलिटी के बारे में नहीं सोचा था, लेकिन C ने प्रसिद्धि प्राप्त की, इसलिए C कंपाइलर्स ने अन्य सिस्टम में पोर्ट किया।

1978 में, "प्रोग्रामिंग लैंग्वेज सी" पुस्तक का पहला संस्करण प्रकाशित हुआ था। अपने लेखकों के नामों के अनुसार, "के एंड आर" को कहा जाता है, पुस्तक बिल्कुल विनिर्देशन से मिलती-जुलती नहीं थी, लेकिन साथ ही साथ भाषा को पर्याप्त विवरण में वर्णित किया, जिसके परिणामस्वरूप अन्य लोगों ने भी कंपाइलर सी लिखने की कोशिश की। बाद में इस संस्करण को "के एंड आर सी" कहा जाएगा।

UNIX और C के फैलते ही, वे दोनों कई कंप्यूटरों में पोर्ट हो गए। 70 और 80 के दशक में, उनका हार्डवेयर बेस लगातार बढ़ रहा था। उसी तरह से सी बनाया गया था क्योंकि बी ने पीडीपी -11 के सभी कार्यों का समर्थन नहीं किया था, कई संकलक भाषा एक्सटेंशन का उपयोग करते थे। चूँकि केवल K & R था और विनिर्देशन नहीं था, यह तब तक स्वीकार्य माना जाता था जब तक कि एक्सटेंशन काफी करीब थे। 1983 तक, किसी भी मानकीकरण की कमी से समस्याएं पैदा हो रही थीं, इसलिए एएनएसआई ने विनिर्देश तैयार करने के लिए एक टीम गठित की। 1989 में, C89 मानक सामने आया, जिसे कभी-कभी "ANSI C" कहा जाता था।

विशिष्टता सी ने विभिन्न हार्डवेयर पर इन विविध कार्यान्वयनों को एकजुट करने का प्रयास किया। इस प्रकार, अमूर्त C मशीन एक प्रकार का सबसे छोटा संभव विनिर्देश है जो सभी प्लेटफार्मों पर समान कोड को समान कार्य करने की अनुमति देगा। सी कार्यान्वयन को संकलित किया गया था, व्याख्या नहीं की गई थी, इसलिए कोई व्याख्याकार नहीं था, इसलिए 1995 के अर्थ में कोई "वीएम" नहीं था। हालाँकि, इस अमूर्त गैर-मौजूद कंप्यूटर पर C प्रोग्राम लिखे जाते हैं, और फिर कोड को कोडांतरक के लिए विशिष्ट कंप्यूटर में परिवर्तित किया जाता है, जिस पर प्रोग्राम चल रहा है। पोर्टेबल सी कोड लिखने के लिए आप कुछ विशिष्ट विवरणों पर भरोसा नहीं कर सकते हैं। यह पोर्टेबल सी लिखना बहुत मुश्किल बना देता है क्योंकि आपने अपने कोड के प्रारंभिक संस्करण को लिखते समय एक मंच-विशिष्ट धारणा बनाई होगी।

यह एक उदाहरण द्वारा सर्वोत्तम रूप से चित्रित किया गया है। सी में मुख्य डेटा प्रकारों में से एक "वर्ण" शब्द से char । हालांकि, अमूर्त C मशीन यह निर्धारित नहीं करती है कि कितने बिट्स char में होने चाहिए। ठीक है, निर्धारित करता है, लेकिन संख्या से नहीं; यह CHAR_BIT के आकार को निर्धारित करता है, जो एक स्थिर है। विनिर्देशन की धारा 5.2.4.2.1:

नीचे दिए गए मानों को स्थिर अभिव्यक्तियों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए उपयुक्त या पूर्वप्रक्रिया निर्देश #if में उपयोग किया जाता है। ... विशिष्ट कार्यान्वयन में मान एक ही संकेत के साथ यहां दिए गए लोगों के परिमाण (पूर्ण मान) के बराबर या उससे अधिक होना चाहिए।

CHAR_BIT: 8

दूसरे शब्दों में, आप जानते हैं कि char कम से कम 8 बिट्स हैं, लेकिन कार्यान्वयन बड़े हो सकते हैं। "सार सी मशीन" को ठीक से एनकोड करने के लिए, CHAR_BIT का उपयोग 8 बजाय आकार के रूप में किया जाना चाहिए, जब CHAR_BIT प्रसंस्करण होता है। लेकिन यह किसी प्रकार का दुभाषिया कार्य नहीं है, जैसा कि हम आभासी मशीनों के बारे में सोचते हैं; यह कंपाइलर सोर्स कोड को मशीन कोड में कैसे ट्रांसलेट करता है इसकी एक संपत्ति है।

हां, ऐसे सिस्टम हैं जहां CHAR_BIT 8 नहीं है।

इस प्रकार, यह "अमूर्त मशीन", हालांकि तकनीकी रूप से जावा वर्चुअल मशीन के समान विचार है, कुछ प्रकार के रनटाइम चेक या संपत्ति के बजाय कोडांतरक कोड बनाते समय संकलक के प्रबंधन के लिए एक संकलन निर्माण की संभावना है। जावा में समतुल्य प्रकार एक byte , जो हमेशा 8 बिट्स होता है, और जेवीएम कार्यान्वयन को अधिक बाइट्स वाले प्लेटफार्मों पर क्या करना है, इसके साथ काम सौंपा जाता है। (निश्चित नहीं है कि JVM इनमें से किसी भी प्लेटफ़ॉर्म पर काम करता है, लेकिन इसे कैसे काम करना चाहिए।) अमूर्त सी मशीन को विभिन्न "हार्डवेयर" के लिए एक न्यूनतम आवरण के रूप में बनाया गया था, न कि आपके कोड के लिए सॉफ्टवेयर में लिखे गए ठोस कपड़े से बने किसी प्रकार के मंच के रूप में।

इसलिए, हालांकि सूर्य तकनीकी रूप से गलत था, व्यवहार में उनका थोड़ा सा मतलब होता है जो वे सचमुच कहते हैं, और जो उनका मतलब है वह सच है। वाक्यांश के साथ एक ही बात "कैसे काम कंप्यूटर को समझने के लिए सी जानें"।

कंप्यूटर कैसे काम करते हैं, समझें

लोगों को वास्तव में क्या मतलब है? कंप्यूटर को कैसे काम करना है, यह समझने के लिए "एक घिसना चाहिए C के संदर्भ में" - यह "लोहे के स्तर तक" जाने के लिए एक सलाह है। यही है, न केवल यह समझने के लिए कि आपका अपना प्रोग्राम वर्चुअल मशीन के अंदर कैसे काम करता है, बल्कि यह भी कि प्रोग्राम और वीएम का संयोजन मशीन के संदर्भ में कैसे काम करता है।

लर्निंग सी आपको इन विवरणों के साथ प्रदान करेगा क्योंकि अमूर्त मशीन हार्डवेयर के साथ-साथ ऑपरेटिंग सिस्टम के अमूर्त के बहुत करीब है। सी भाषा उच्च-स्तरीय भाषाओं से बहुत अलग है, इसलिए इसे सीखना बहुत कुछ सिखा सकता है।

लेकिन यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि सी अनिवार्य रूप से एक हार्डवेयर अमूर्त है , और अमूर्त अपूर्ण हैं। सावधान रहें कि C क्या करता है या मशीन के साथ कैसे काम करता है। यदि आप बहुत गहराई में जाते हैं, तो आप निश्चित रूप से इन मतभेदों का सामना करेंगे, जिससे समस्याएं हो सकती हैं। सी के लिए अधिकांश प्रशिक्षण संसाधन, विशेष रूप से आज, जब उपकरण अधिक सजातीय बन रहे हैं, इस विचार को बढ़ावा देंगे कि यह एक कंप्यूटर कैसे काम करता है। इसलिए, एक छात्र के लिए यह समझना मुश्किल हो सकता है कि हुड के तहत क्या हो रहा है और सी द्वारा प्रदान की गई अमूर्तता क्या है।

इस चर्चा में, हमने अन्य मुद्दों पर भी बात नहीं की। उदाहरण के लिए, C की अत्यधिक लोकप्रियता के कारण, हार्डवेयर अधिक समान हो गया है क्योंकि यह अमूर्त C मशीन के शब्दार्थ की ओर बढ़ने लगता है। यदि आपका आर्किटेक्चर C शब्दार्थ से बहुत भिन्न है, तो C प्रोग्राम दूसरों के लिए बहुत धीमा चला सकते हैं। और हार्डवेयर गति को अक्सर सी में परीक्षणों द्वारा मापा जाता है। यह लेख पहले से ही काफी लंबा है ...

इस कारण से, मुझे लगता है कि इस कथन का एक और अधिक सटीक संस्करण होगा "सी सीखने से, आप कंप्यूटर कैसे काम करते हैं इसके बारे में अधिक जानेंगे।" मुझे वास्तव में लगता है कि सी के साथ एक अनुमानित परिचित कई प्रोग्रामर के लिए उपयोगी है, भले ही वे खुद सी नहीं लिखते हैं। सी का परिचय भी आपको हमारे उद्योग के इतिहास का एक विचार देगा।

इस विषय का पता लगाने के अन्य तरीके हैं; सी स्वाभाविक रूप से एक कंप्यूटर के बारे में जानने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है, लेकिन यह एक अच्छा विकल्प है।

प्रोग्रामिंग में सीखने के लिए बहुत कुछ है। मैं आपको इस यात्रा पर सफलता की कामना करता हूं।