Какие принципиальные отличия языка Ассемблера от высокоуровневых языков программирования? Что такое байткод? В чём разница между языком Ассемблера и байткодом?

Язык ассемблера — язык программирования "низкого уровня". В отличие от языка машинных кодов позволяет использовать более удобные для человека мнемонические (символьные) обозначения команд. При этом для перевода с языка ассемблера в понимаемый процессором машинный код требуется специальная программа, также называемая ассемблером.

Ассемблер — родной язык компьютера. Можно сказать, что компьютер «думает» на ассемблере. Поэтому программы, написанные на других языках, таких как Си, нужно сначала перевести на ассемблер, чтобы компьютер их понял и смог исполнить.

Когда мы говорим о компьютере, выполняющем программы, то прежде всего имеем в виду его сердце — процессор — специальную микросхему, которая исполняет команды, часто называемые инструкциями, и хранит результаты их работы в специальных регистрах. Так, например, выполнение инструкций процессора

mov eax, 2

add eax, 3

приводит к тому, что в регистре еах оказывается число 5. Первая инструкция mov eax, 2 посылает в регистр еах число 2. Вторая инструкция add eax, 3, выполняемая вслед за первой, прибавляет к содержимому регистра еах число 3.

Байт-код или байтко́д (англ. byte-code), иногда также используется термин псевдоко́д — машинно-независимый код низкого уровня, генерируемый транслятором и исполняемый интерпретатором. Большинство инструкций байт-кода эквивалентны одной или нескольким командам ассемблера. Трансляция в байт-код занимает промежуточное положение между компиляцией в машинный код и интерпретацией.

Байт-код называется так, потому что длина каждого кода операции — один байт, но длина кода команды различна. Каждая инструкция представляет собой однобайтовый код операции от 0 до 255, за которым следуют такие параметры, как регистры или адреса памяти. Это в типичном случае, но спецификация байт-кода значительно различается в разных языках.
Программа на байт-коде обычно выполняется интерпретатором байт-кода (обычно он называется виртуальной машиной, поскольку подобен компьютеру). Преимущество — в портируемости, т. е. один и тот же байт-код может исполняться на разных платформах и архитектурах. То же самое преимущество дают интерпретируемые языки. Однако, поскольку байт-код обычно менее абстрактный, более компактный и более «компьютерный», чем исходный код, эффективность байт-кода обычно выше, чем чистая интерпретация исходного кода, предназначенного для правки человеком. По этой причине многие современные интерпретируемые языки на самом деле транслируют в байт-код и запускают интерпретатор байт-кода. К таким языкам относятся Perl, PHP, Ruby (начиная с версии 1.9) и Python. Программы на Java обычно передаются на целевую машину в виде байт-кода, который перед исполнением транслируется в машинный код «на лету» — с помощью JIT-компиляции. В стандарте открытых загрузчиков Open Firmware фирмы Sun Microsystems байт-код представляет операторы языка Forth.

В то же время возможно создание процессоров, для которых данный байт-код является непосредственно машинным кодом (такие процессоры существуют, например, для Java и Forth).

4. Приведите примеры форматов исполняемых файлов и кратко охарактеризуйте их. Подробно формат ELF.

форматы исполняемых файлов:

·. COM.
Расширение файла.COM (англ. command) использовалось в некоторых компьютерных операционных системах в различных целях.В системах DOS и в 8-битной CP/M, файл COM — простой тип исполняемого файла, размер которого не может превышать 64 Кбайт-256 байт (65280 = 216 − 28 байт).

· .EXE
.EXE (сокр. англ. executable — программа) — расширение исполнимого файла, применяемое в системах DOS, Microsoft Windows, Symbian, OS/2, и в некоторых других. Кроме объектного кода, может содержать различные метаданные (значок, цифровую подпись).

· A.out
a.out (от англ. assembler output) — формат запускаемых файлов в некоторых (старых) версиях UNIX. Формат исполняемого файла a.out преимущественно используется в Linux. Раcширенная версия этого формата a.outb используется группой BSD-совместимых операционных систем (NetBSD, FreeBSD и OpenBSD). Компилятор NASM может генерировать файлы обоих форматов, если указать ключ -f aout для Linux или -f aoutb для BSD. Компилятор GCC по умолчанию выдаёт файл a.out, если не используется опция -o.

· Executable and Linkable Format
ELF (англ. Executable and Linkable Format — формат исполняемых и компонуемых файлов) — формат файлов, используемый во многих UNIX-подобных операционных системах, например, в GNU/Linux и Solaris, а также, после некоторой модификации ПО, — в некоторых мобильных телефонах компаний Siemens, Sony Ericsson, Motorola (платформа P2K) и во многих цифровых фотовидеокамерах (Olympus, Rekam и проч.). Каждый файл формата ELF имеет специальный заголовок, в котором, в частности, указан адрес точки входа (стартовый адрес) программы. Поля этого заголовка использует загрузчик (ELF interpreter) для загрузки программы в оперативную память перед исполнением. Каждый ELF файл состоит из одного заголовка ELF, за которым следуют данные. Файлы могут включать в себя

o Таблицу Program Header, описывающую ноль или более сегментов

o Таблицу Section Header, описывающую ноль или более секций

o Данные, упомянутые в записях названных таблиц

Сегменты содержат данные, необходимые для исполнения файла, а секции содержат информацию для линковки и обработку relocation. Каждый байт в файле может относится не более чем к одной секции.

· MZ (формат)
MZ — стандартный формат 16-битных исполняемых файлов с расширением.EXE для DOS. Файлы.EXE и.DLL для Windows начинаются с заглушки в формате MZ, которая при попытке запустить файл в DOS выводит сообщение This program cannot be run in DOS mode. («Эту программу невозможно запустить в режиме DOS»).

· Portable Executable
Portable Executable — (PE) — формат исполняемых файлов, объектного кода и динамических библиотек, используемый в 32- и 64-битных версиях операционной системы Microsoft Windows. Формат PE представляет собой структуру данных, содержащую всю информацию, необходимую PE загрузчику для проецирования файла в память.

 

5. Из каких этапов состоит создание исполняемой программы из исходного кода? Опишите их суть. Для языков C++, Java и Python перечислите этапы создания программы, которые имеют место в реальности и укажите, в какое время они происходят. Для каких сред исполнения может создаваться программа?

Первый этап — который модифицирует исходный код программы перед компиляцией в соответствии с командами препроцессора, содержащимися в программе. В соответствии с этими командами выполняются простые подстановки текста. Второй — собственно компилятор, который обрабатывает исходный код и преобразует его в код на языке ассемблера. Третий этап — ассемблер, который генерирует объектный код. И, наконец, четвертый этап — компоновщик, который собирает исполняемый файл из файлов объектного кода.

Исходная программа, подготовленная на СИ в виде текстового файла, проходит 3 этапа обработки:

1) препроцессорное преобразование текста;

2) компиляция;

3) компоновка (редактирование связей или сборка).

Программы на Java транслируются в байт-код, выполняемый виртуальной машиной Java (JVM) — программой, обрабатывающей байтовый код и передающей инструкции оборудованию как интерпретатор. Трансляция в байтовый код увеличивает скорость выполнения и уменьшает размер Java программ.

Достоинство подобного способа выполнения программ — в полной независимости байт-кода от операционной системы и оборудования, что позволяет выполнять Java-приложения на любом устройстве, для которого существует соответствующая виртуальная машина. Другой важной особенностью технологии Java является гибкая система безопасности благодаря тому, что исполнение программы полностью контролируется виртуальной машиной. Любые операции, которые превышают установленные полномочия программы (например, попытка несанкционированного доступа к данным или соединения с другим компьютером) вызывают немедленное прерывание.

Часто к недостаткам концепции виртуальной машины относят то, что исполнение байт-кода виртуальной машиной может снижать производительность программ и алгоритмов, реализованных на языке Java. Данное утверждение было справедливо для первых версий виртуальной машины Java, однако в последнее время оно практически потеряло актуальность. Этому способствовал ряд усовершенствований:

§ применение технологии трансляции байт-кода в машинный код непосредственно во время работы программы (JIT-технология) с возможностью сохранения версий класса в машинном коде,

§ широкое использование платформенно-ориентированного кода (native-код) в стандартных библиотеках,

§ аппаратные средства, обеспечивающие ускоренную обработку байт-кода (например, технология Jazelle, поддерживаемая некоторыми процессорами фирмы ARM).