کد چگونه اجرا می شود

کامپیوتر متن کد را نمی خواند؛ پس چه چیزی را اجرا می کند؟

فایلی که ذخیره می کنید یک متن ساده است، از نظر دیسک تفاوتی با یک فایل یادداشت ندارد. پردازنده این متن را نمی خواند. چیزی که پردازنده اجرا می کند مجموعه ای از دستورهای عددی بسیار ساده است: این عدد را از حافظه بردار، با آن یکی جمعش کن، نتیجه را آنجا بگذار، و اگر صفر شد به فلان نقطه بپر. به این می گویند زبان ماشین و هیچ کس امروز مستقیم با آن کار نمی کند.

پس بین متن شما و پردازنده همیشه یک مرحله ترجمه هست. سه حلقه دارد و ترتیبش هم عوض نمی شود: متنی که نوشتید، برنامه ای که آن متن را می خواند و بررسی و ترجمه می کند، و شکل ترجمه شده ای که در نهایت اجرا می شود. هیچ زبانی از این زنجیره فرار نمی کند. زبان ها فقط سر دو چیز با هم فرق دارند: ترجمه کی انجام می شود، و نتیجه اش نگه داشته می شود یا نه.

یک نکته که خیلی زود به کارتان می آید: مرحله ترجمه قبل از هر چیز نحو را بررسی می کند، یعنی اینکه متن شما اصلا قواعد آن زبان را رعایت کرده یا نه. اگر نکرده باشد کار همان جا متوقف می شود و هیچ خطی از برنامه اجرا نمی شود، حتی خطی که سالم بود و قبل از اشتباه نوشته شده بود. بخش چهارم همین صفحه این را با دو فایل واقعی نشان می دهد.

کامپایل و تفسیر چه فرقی دارند؟

ساده ترین شکلش این است: در زبان تفسیری متن همان طور که هست به موتور زبان داده می شود و از بالا به پایین اجرا می شود؛ در زبان کامپایلی متن اول به شکل دیگری تبدیل می شود و بعد آن شکل اجرا می شود. توضیح خود موزیلا هم دقیقا همین است، که کد در زبان تفسیری در همان شکل متنی دریافت و از روی همان پردازش می شود، و در زبان کامپایلی قبل از اجرا به شکل دیگری تبدیل می شود.

حالا حقیقت ناخوشایند. این تقسیم بندی امروز خط کشی تمیزی نیست. موزیلا در همان صفحه اضافه می کند که بیشتر مفسرهای مدرن جاوااسکریپت از تکنیکی به نام کامپایل درجا استفاده می کنند و کد را حین اجرا به یک شکل باینری سریع تر تبدیل می کنند؛ و با این حال جاوااسکریپت را همچنان تفسیری می شمارد، چون آن کامپایل در زمان اجرا انجام می شود نه از قبل.

پس سوال «کامپایلی است یا تفسیری» کم کم دارد بی فایده می شود. سوال مفیدتر دو تاست: ترجمه کی انجام می شود، و نتیجه اش نگه داشته می شود یا هر بار از نو ساخته می شود؟ جواب همین دو سوال است که توضیح می دهد چرا یک برنامه سی قبل از اجرا یک مرحله ساخت جدا دارد، و چرا یک اسکریپت پایتون که ماژول وارد می کند بار دوم کمی سریع تر بالا می آید.

پایتون، جاوااسکریپت و پی اچ پی هر کدام کجای زنجیره اند؟

جدول زیر همان دو سوال بخش قبل را روی چهار زبان می گذارد. ستون سوم مهم ترین ستون است، چون تفاوت واقعی زبان ها آنجاست نه در برچسبشان.

سه سطر اول را کنار هم بگذارید و یک الگو پیدا می شود: هر سه ترجمه را در زمان اجرا انجام می دهند و تفاوتشان فقط در این است که نتیجه را کجا می گذارند. پایتون روی دیسک، پی اچ پی در حافظه، جاوااسکریپت هیچ جا. سطر چهارم عمدا اینجاست تا حالت واقعا متفاوت را ببینید: در سی اگر برنامه را کامپایل نکنید، هیچ چیزی برای اجرا وجود ندارد.

یک نتیجه عملی که همین جا به دردتان می خورد: در جاوااسکریپت و پی اچ پی و پایتون، فایل را عوض می کنید و دفعه بعد اثرش را می بینید. در سی باید دوباره بسازید. اگر کسی به شما گفت «فایل را عوض کردم ولی چیزی عوض نشد»، اولین سوال این است که آن زبان در کدام سطر این جدول است، و دومین سوال موضوع بخش پنجم است.

چرا گاهی هیچ خطی اجرا نمی شود و گاهی نصف برنامه؟

دو فایل کوچک بسازید و هر کدام را جدا اجرا کنید. اولی bad.py، با یک پرانتز بسته نشده در خط دوم:

print("first line")
print("second line"

خروجی واقعی این است:

  File "bad.py", line 2
    print("second line"
         ^
SyntaxError: '(' was never closed

دومی boom.py، که نحوش درست است ولی کاری می خواهد که شدنی نیست:

print("first line")
print(1/0)

و خروجی اش:

first line
Traceback (most recent call last):
  File "boom.py", line 2, in <module>
    print(1/0)
          ~^~
ZeroDivisionError: division by zero

تفاوت را ببینید و همین یک چیز نصف دیباگ کردن شماست. در فایل اول جمله first line هرگز چاپ نشد، با اینکه خط اول کاملا درست بود و قبل از اشتباه نوشته شده بود. در فایل دوم چاپ شد و بعد برنامه وسط کار افتاد. دلیلش همان زنجیره بخش اول است: بررسی نحو روی کل فایل و پیش از هر اجرایی انجام می شود، پس یک پرانتز بسته نشده در خط دوم خط اول را هم از اجرا می اندازد. اما تقسیم بر صفر تا لحظه ای که واقعا به آن نرسیم کشف نمی شود، چون تا آن لحظه هیچ کس نمی داند مخرج صفر است.

این دو حالت اسم دارند: خطای نحوی و خطای زمان اجرا. و فایده عملی شان این است که از روی خروجی می شود تشخیصشان داد، حتی اگر زبان را بلد نباشید. اگر قبل از پیام خطا چیزی چاپ شده، برنامه شروع به اجرا کرده بود و شما با خطای زمان اجرا طرفید؛ اگر هیچ چیز چاپ نشده، به احتمال زیاد اصلا اجرا نشده است.

فایلی که ذخیره کردید همانی نیست که اجرا می شود

حالا جای جالب زنجیره. نتیجه ترجمه فقط در حافظه نمی ماند؛ خیلی وقت ها نگه داشته می شود تا دفعه بعد لازم نباشد دوباره ساخته شود. پایتون این کار را جلوی چشم شما انجام می دهد. دو فایل بسازید، یکی tools.py و یکی main.py که اولی را وارد می کند، و بعد:

python3 main.py
ls __pycache__/

یک پوشه به اسم __pycache__ پیدا می شود و داخلش دقیقا یک فایل: tools.cpython-312.pyc. برای main.py هیچ فایلی ساخته نشده. مستند خود پایتون هر دو نکته را توضیح می دهد: پایتون نسخه کامپایل شده هر ماژول را در پوشه __pycache__ ذخیره می کند، و برای ماژولی که مستقیم از خط فرمان اجرا می شود همیشه دوباره کامپایل می کند و نتیجه را نگه نمی دارد.

پی اچ پی همین کار را می کند با یک تفاوت: نتیجه را روی دیسک نمی گذارد، در حافظه سرور نگه می دارد. اسم این لایه opcache است و رفتارش یک تنظیم دارد که تازه کارها را دیوانه می کند: هر چند وقت یک بار بررسی کند که آیا فایل روی دیسک عوض شده است. مستند خود پی اچ پی این تنظیم را با همین عبارت توضیح می دهد، هر چند وقت یک بار زمان تغییر فایل ها بررسی شود، برحسب ثانیه. یعنی بین ذخیره کردن فایل و اثر کردنش یک فاصله وجود دارد و آن فاصله عمدی است.

پس آن جمله همیشگی که «فایل را عوض کردم، هیچ اتفاقی نیفتاد» سه جواب رایج دارد و هر سه در همین زنجیره اند: یا فایلی که عوض کردید اصلا فایلی نیست که اجرا می شود، یا نسخه ترجمه شده قدیمی هنوز در حافظه است، یا خروجی از یک لایه کش جلوتر می آید و اصلا به برنامه شما نرسیده. بند «از تجربه خود ما» در پایین همین صفحه عدد این تنظیم را روی سرور خودمان می آورد.

وقتی برنامه کار نکرد، اول کجا را نگاه کنید؟

پیام خطا را از پایین بخوانید نه از بالا. آخرین خط نوع خطا را می گوید و همان مهم ترین کلمه صفحه است؛ خط بالای آن معمولا می گوید کجا. در نمونه بخش چهارم آخرین خط ZeroDivisionError: division by zero بود و خط بالایش دقیقا همان عبارتی را نشان می داد که ترکید. تازه کارها معمولا از بالا شروع می کنند، جایی که فقط مسیر فایل ها نوشته شده، و بعد می گویند خطا نامفهوم است.

بعد از خواندن، اسم لایه را بگویید. چهار تا بیشتر نیست. نحو: هیچ چیز اجرا نشد، پیام قبل از هر خروجی آمد. زمان اجرا: چیزی چاپ شد و بعد افتاد. محیط: برنامه سالم است ولی چیزی که لازم دارد نصب نیست، نسخه اش فرق دارد، یا مسیرش پیدا نمی شود. منطق: هیچ خطایی نیست، برنامه تا آخر اجرا می شود و جواب اشتباه می دهد.

موضع ما اینجاست و ساده هم هست: قبل از اینکه یک کاراکتر عوض کنید، اسم لایه را بلند بگویید. بیشتر ساعت هایی که تازه کارها هدر می دهند صرف تغییر دادن کد در لایه ای می شود که مشکل اصلا آنجا نیست، مثل بازنویسی یک تابع سالم وقتی کتابخانه اش نصب نبوده. لایه چهارم از همه بدتر است، چون هیچ خطایی نمی دهد؛ تنها راه گرفتنش این است که قبل از اجرا حدس بزنید خروجی چه باید باشد و بعد با چیزی که آمد مقایسه کنید.