Programlama Dili: Neden ve Nasıl

Giriş¶

Adı aslında üzerinde; herhangi bir programlama dilini kelimelerin ifade ettiği şekilde anlayacak olursak bu bir dil. Türkçenin nasıl gramer kuralları varsa, programlama dillerinin de gramer kuralları var ve gramerini, kelimelerini doğru kullandığımız ölçüde kendimizi ifade edebiliyoruz, yani program yazıyoruz.

Programlama dilleri dedik çünkü kullanabileceğimiz tek bir programlama dili yok, etrafta yüzlerce programlama dili mevcut. Biz burada sadece Python ile ilgileneceğiz ancak yaklaşımımız ezberlenmiş şekilde değişken tanımları, fonksiyonlar yerine temelden olacak. Bir konuyu öğrenirken arka planında neler olmuş, neden bu şekilde yapıyoruz soruları bana göre öğrenmeyi kolaylaştırıcı sorular.

Yazının sonunda bilgisayar nasıl çalışır, nasıl programlayabiliriz, programlama dilleri neden ve nasıl ortaya çıktı konuları hakkında fikrimiz olacak.

Programlama Dilleri Nasıl Çalışır¶

İşlemci¶

İşlemci dediğimiz nispeten küçük bir elektronik devre parçası ve sadece 1 ve 0, yani ikilik sistemi anlıyor. Burada dünyada 1 işlemci ya da işlemci mimarisi olduğu anlaşılmasın; yine programlama dillerinde olduğu gibi yüzlerce, belki binlerce işlemci ve işlemci mimarisi var. Lakin en çok x86 ve ARM kullanmaktayız. Telefonlarımızda düşük güçte yüksek performans verebildiği için ARM, sunucularda veya kişisel bilgisayarlarımızda ise x86 yaygın olarak kullanılmakta. Son zamanlarda ARM mimarisi sunucu performasına gelmiş olsa da ARM ve x86 karşılaştırması şimdilik konumuz değil.

1 ve 0'lardan oluşan sisteme matematikte ikilik sistem, yani binary denmekte. Bu ikilik sistem ile oluşturduğumuz verilere ise ikiliik veri, ingilizcesi ile binary data deniyor. Peki elimizde sadece 1 ve 0 varsa işlemciye nasıl komutlar göndereceğiz, nasıl toplama, çıkarma gibi matematik hesabı yaptıracağız? Yaptırmayı bırakalım, işlemci sadece 1 ve 0 algılıyorsa, kendi içerisinde bu işlemleri nasıl yapabiliyor?

Korkmayın, bütün bu soruların cevabı aslında çok basit. İşlemci o kadar basit bir şekilde çalışıyor ki yıllar sonra bunu anladığımda gerçekten çok şaşırmıştım.

Gelin beraber fikir yürüterek, elimizde sadece 1 ve 0 varken bir şey'e nasıl komut verebiliriz pratiği yapalım. Henüz nasıl çalıştığını bilmiyoruz, ileride bunun üzerine de düşüneceğiz ancak şimdilik 4 işlemi (toplama, çıkarma, çarpma, bölme) nasıl ifade edebiliriz üzerine düşünelim.

Öncelikle bu kara kutu için toplamda kaç adet 1 ve 0 kullanacağımızı belirlememiz gerekiyor. Bunun için kara kutumuzun bize ne sunduğu önemli. Farz edelim ki sadece 4 işlem için komut gönderebiliyoruz ve onluk tabanda 64'e kadar işlem yapmak istiyoruz. Bunun için toplamda 8 adet 1 ve 0 yeterli gibi görünüyor. Neden yeterli olduğuna birazdan değineceğiz.

Son tahlilde elimizde 8 adet 1 ve 0 ile çalışan, 4 işlem için komut gönderebildiğimiz ve 64'e kadar veri alabilen bir kara kutu var. Verinin aksine ifade edebileceğimiz durumlar bu kadar fazla değil. Sadece aşağıdakiler işimizi görmekte:

Hangi işlemi yapacağız
Bu işlem için hangi veriyi kullanacağız

Burada hangi işlem ve kullanacağımız veri miktarı için ne kadar 1 ve 0 ayıracağımız tamamen bize kalmış durumda. Kara kutunun çalışma biçimi açısından ilk 2 haneyi işlem, sonraki 6 haneyi veri olmak üzere 8 adet 1 ve 0 kullanacağız. Burada kullandığımız 1 ve 0'lara kısaca bit diyoruz. Yani ilk 2 bit işlem, sonraki 6 bit veri olacak bu kara kutuda.

Bit ve Byte

Bu yazıda çok kullanmayacağız ancak burada görülmesinde fayda olduğunu düşünüyorum. 8 adet bit yan yana geldiğinde buna byte denmekte. Kara kutumuz ile ilgili konuşurken her daim bit hesabı yapacağız ancak daha büyük verileri nitelendirmek istediğimizde byte kullanılmakta. Kilobyte, Megabyte gibi standard ünite değerlerine burada dokunabilirdik ancak ana konumuz bu olmadığı için merak edenlere wikipedia makalesini tavsiye ederim.

İkilik sistemi düşünürsek hangi işlemi yapacağımızı ifade ettiğimiz 2 bit ile toplamda 4 adet işlem ifade edebiliyoruz:

00  toplama
01  çıkarma
10  çarpma
11  bölme

Veri için elimizde 6 tane bit olduğu için, 2 üzeri 6 (2^6=64) adet durum ifade edebiliyoruz. Bu da demek oluyor ki onluk tabanda en fazla 64 sayısına kadar toplayabiliriz çünkü fazlasını ifade edemiyoruz.

000000 -> onluk sistemde 0
000001
000010 -> onluk sistemde 3
000011
...
111111 -> onluk sistemde 64

Bunların hepsini bir araya getirdiğimizde şu şekilde bir tablo ortaya çıkıyor:

00 000000
|  ------> İşleme ait veri
|--------> İşlem (opcode)

Burada işlemimizi ilk 2 bit ile ifade ettik ve bu işlemin alacağı herhangi bir değere 6 bit atadık. Dikkat ederseniz bunların tamamı hayal ürünü ve bizim ona anlam ifade ettiğimiz kadar anlamlı. Şu an herhangi bir şey ifade etmiyor, anlam yüklemeye başlayabiliriz.

Toplama işlemi ile başlayalım demiştik. Kara kutumuza komut gönderirken 00 ile ifade ettiğimiz değer toplama işlemi olsun ve sonrasında 6 bit ile ifade ettiklerimiz üzerine ekleyeceğimiz sayıyı ifade etsin. Yani aşağıdaki komut 7 sayısını toplamayı ifade edecek:

00 000111
|  |-----> onluk tabanda 7 sayısı
|--------> toplama işlemi

Aynı şekilde aşağıdaki kod ise 7 ile çarpma işlemini ifade edecek:

10 000111
|  |-----> onluk tabanda 7 sayısı
|--------> çarpma işlemi

Burada dikkat etmemiz gereken nokta hala hayal ürünü bir kara kutu ile çalışıyoruz. Nasıl toplayacağız, neyi toplayacağız, ne nerede duruyor, sonucu nasıl alacağız gibi sorularla şimdilik ilgilenmiyoruz. Sadece tek ilgilendiğimiz nokta bu kara kutuyu nasıl yöneteceğimiz ve bize hayali olarak ne sunduğu.

Kara kutumuza bu komutu gönderdiğimizde bizim için toplama işlemi yapacak. Tebrikler, ilk işlemci mimarinizi ve programlama dilinizi oluşturdunuz. Sadece 1 adet komut (opcode) kabul ediyor ve gramer olarak ilk 2 bit işlem, sonrasında gelen 6 bit işlem için gereken veri kısmını anlıyor.

Böyle Programlama Olmaz Olsun¶

Evet, böyle programlama çok zor ve hataya açık ancak ilk bilgisayarlar ortaya çıkmışken programcılar bu şekilde ikilik halde bilgisayarı programlıyorlardı. Onlar da bunun farkındaydı ve daha kolay nasıl programlanabilir sorusunun cevabını arıyorlardı. Bu cevap Grace Hopper'ın ilk derleyiciyi (compiler) 1951 yılında yazması ile geldi ve bu acı son buldu. Gerçi hala JavaScript acısı çekiyoruz ama bu Hopper'ın emeklerini boşa çıkarmıyor :)

Derleyici¶

Bir programı alıp başka programa dönüştüren program olarak kısaltabiliriz. Bu tamamen yukarıda bahsettiğimiz zorluk ve hataya açık olma sebebiyle ortaya çıkmış bir kolaylık. Hopper bu durumun farkında olarak bunun üzerine düşünmüş ve ilk derleyiciyi yazmış. Kendimiz derleyici yapıyor olsak ve kendi problemimizi çözüyor olsaydık, artık hayal ürünü kara kutumuz ile direkt olarak iletişimden ziyade, araya bir katman koyardık. Bu katman daha üst düzeyde yazdığımız komutları daha alt düzeydeki komutlara birebir çevirir ve istediğimiz işi yapardı.

Araya katman koyduğumuz için de çok çeşitli optimizasyonlar, daha kara kutuya gitmeden yaptığımız yanlışları görme fırsatı bulabilirdik. Bunun üzerine düşündüğümüzde aslında yapmamız gereken şeyin çok basit olduğunu görebiliriz. Kara kutumuz için nasıl tanımlar yaptıysak, bunun için de birtakım tanımlar yapıp onlar üzerinden ilerleyeceğiz. İşte bu tanımlara dilin grameri diyoruz. Aslında kendi programlama dilimizi tanımlamaktayız şu anda:

topla 7

yazdığımızda ve bunu başka bir programa verdiğimizde, çıktı olarak kara kutumuzun yukarıdaki çıktısını verdiğinde programlama dilimizi tamamlamış oluyoruz:

00 000111

Bunu nasıl yaptığı 1 yıllık bir ders konusu, burada işlemeye vaktimiz olmayacak ama beyin jimnastiği olması açısından ilk derleyicinin nasıl yazıldığı üzerine düşünmenizi isterim.

Assembly Dili¶

Yukarıda yazdığımız topla 7 komutu bir assembly dili ve her işlemci için farklılık gösterecek. Biz burada hayali kara kutumuza, yani işlemcimize bir assembly dili tanımladık. Bununla beraber x86 ve ARM için assembly dillerinin farklı olduğunu hatırlatmam gerekir.

Ancak yine de assembly dili kullanması zor bir dil. Bunun üzerine başka, daha kolay kullanılabilir programlama dilleri de tanımlanabilir. Bahsettiğim gibi programlama dilleri başlı başına bir ders konusu, dolayısıyla assembly ile programlamanın da zor olduğunu düşünürsek elimizde daha kolay bir programlama dili olması tercih edilecektir. Örnek olarak ekrana Hello, World yazan assembly programını ekliyorum. Ne kadar zor ve hataya açık olabileceğini tahmin edebiliriz:

          global    _start

          section   .text
_start:   mov       rax, 1                  ; system call for write
          mov       rdi, 1                  ; file handle 1 is stdout
          mov       rsi, message            ; address of string to output
          mov       rdx, 13                 ; number of bytes
          syscall                           ; invoke operating system
          mov       rax, 60                 ; system call for exit
          xor       rdi, rdi                ; exit code 0
          syscall                           ; invoke operating system to exit

          section   .data
message:  db        "Hello, World", 10      ; note the newline at the end

Sonuç¶

Kara kutu örneğinden giderek işlemciye nasıl komutlar gönderilebileceğini, ikilik sistemi, kendimize ait nasıl işlemci mimarisi yapabileceğimizi ve programlama dilinin ne olduğunu gördük. Esasında programlama dili dediğimiz 1 ve 0 ile işlemci komutlarının üzerindeki assembly dilinin üzerine yerleştirilmiş katmanlardan oluşuyor. Geldiğimiz yer yine işlemcinin anlayacağı 1 ve 0'lardan ibaret.

Programlama dilinin ne olduğuna değindiğimize göre bir sonraki bölümde Python'a geçeceğiz. Python'u yine assembly üzerinde bir katman olarak düşünebiliriz. Her ne kadar çok basit bir benzetme ve Python'un da kendi içerisinde incelikleri olsa da bu örneğin giriş seviyesinde doğru olduğunu düşünüyorum.

Hatırlamakta fayda var; programlama dili, bir programı çalıştıran başka bir program tarafından yorumlanıyor / derleniyor. Yani programlama dilinin olabilmesi için onu yorumlayan başka bir programın var olması gerekmekte. Programlama dilleri de binary veya assembly ile zor olanı yapmak yerine, daha kolay programlama yapmamız için bir araç konumuna geliyor.