Programme, Code und wie ein Computer sie ausführt

Hardware und Software

Ein Computer ist eine Maschine, die Anweisungen sehr schnell befolgt. Die physischen Teile, die man anfassen könnte, sind die Hardware; die Anweisungen, die diesen Teilen sagen, was sie tun sollen, sind die Software. Ein Laptop, ein Smartphone, der Server, auf dem die Website Ihrer Bank läuft, und der Chip in einem smarten Thermostat sind allesamt Computer, gebaut aus denselben vier Arten von Teilen.

Die CPU (Central Processing Unit, also der Prozessor) führt Anweisungen aus. Ein moderner Prozessor hat mehrere Kerne, von denen jeder seinen eigenen Strom von Anweisungen abarbeiten kann, und jeder Kern führt Milliarden einfacher Schritte pro Sekunde aus. Der RAM (Random Access Memory, meist einfach Arbeitsspeicher genannt) enthält die Anweisungen und Daten, an denen die CPU gerade arbeitet. Er ist schnell, aber flüchtig: Schaltet man den Strom ab, ist sein Inhalt verschwunden. Der Massenspeicher (ein Solid-State-Laufwerk oder eine sich drehende Festplatte) behält Dateien auch ohne Strom, ist aber viel langsamer erreichbar. Eine Netzwerkkarte (kabelgebunden oder WLAN) sendet Daten an andere Computer und empfängt Daten von ihnen.

Denken Sie an eine Restaurantküche. Der Koch ist die CPU: der Einzige, der tatsächlich kocht. Die Arbeitsfläche ist der RAM: Alles, was der Koch in diesem Moment benutzt, liegt dort griffbereit, wird aber am Ende des Abends abgeräumt. Vorratskammer und Gefriertruhe sind der Massenspeicher: groß, dauerhaft und ein paar Schritte entfernt. Die Durchreiche zum Gastraum ist die Netzwerkkarte, durch die Bestellungen hereinkommen und Gerichte hinausgehen. Die Rezepte sind die Software.

Was ein Programm ist

Ein Programm ist eine Liste präziser Anweisungen, denen ein Computer folgt, um eine Aufgabe zu erledigen: eine Rechnung berechnen, eine Webseite anzeigen, eine Zahlung senden. Das entscheidende Wort ist präzise. Ein menschlicher Koch kommt mit „nach Geschmack salzen“ zurecht; ein Computer nicht. Er tut genau das, was ihm gesagt wird, in genau der angegebenen Reihenfolge, und nichts darüber hinaus. Wenn eine Anweisung verlangt, durch eine Zahl zu teilen, die sich als null herausstellt, zuckt der Computer nicht mit den Schultern und macht weiter: Das Programm bricht mit einem Fehler ab, es sei denn, der Programmierer hat weitere Anweisungen geschrieben, was in diesem Fall zu tun ist.

Auf der untersten Ebene wiederholt die CPU einen einzigen Zyklus, solange sie eingeschaltet ist: die nächste Anweisung aus dem Speicher holen, entschlüsseln, was sie bedeutet, sie ausführen und zur nächsten übergehen. Jede Anweisung ist winzig: zwei Zahlen addieren, zwei Werte vergleichen, einen Wert von einer Stelle im Speicher an eine andere kopieren, zu einer anderen Anweisung springen, wenn ein Vergleich wahr war. Alles, was ein Computer tut, vom Abspielen eines Films bis zum Training eines KI-Modells, besteht aus Milliarden dieser kleinen Schritte.

Software ist der weitere Begriff: Programme zusammen mit den Daten, der Konfiguration und der Dokumentation, die sie brauchen. Eine Anwendung (oder App) ist Software, die für einen Menschen etwas Nützliches tut, etwa eine Banking-App. Systemsoftware, etwa das unten beschriebene Betriebssystem, existiert vor allem, um andere Software auszuführen.

Quellcode und Programmiersprachen

CPUs verstehen nur Maschinencode: als Zahlen codierte Anweisungen, die für eine Prozessorfamilie spezifisch sind. Intel- und AMD-Chips in den meisten Laptops und Servern verwenden eine Familie (x86-64); die Chips in Smartphones, neueren Macs und vielen Cloud-Servern eine andere (Arm). Maschinencode, der auf der einen läuft, läuft nicht auf der anderen. Maschinencode von Hand zu schreiben ist langsam, fehleranfällig und kommt heute fast nie vor.

Stattdessen schreiben Menschen Quellcode in einer Programmiersprache: einer genau definierten Notation, die sich teils wie Englisch und teils wie Mathematik liest. Python, JavaScript, Java, C#, Go, Rust und C sind weit verbreitete Beispiele. Man nennt sie Hochsprachen, weil Programmierer damit „addiere die Preise in diesem Warenkorb“ in ein oder zwei Zeilen statt in Dutzenden Maschinenbefehlen ausdrücken können und weil sie Details der jeweiligen CPU verbergen. Quellcode ist reiner Text, in Dateien gespeichert, und er ist das, was Programmierer lesen, schreiben, prüfen und in der Versionskontrolle ablegen (einem System, das eine Historie jeder Änderung führt; mehr dazu im letzten Abschnitt dieses Kapitels).

Sprachen unterscheiden sich darin, was sie leicht machen. Python wird für seine Lesbarkeit geschätzt und dominiert in Data Science und KI-Arbeit; JavaScript ist die Sprache, die jeder Webbrowser ausführt; Java und C# sind in großen Geschäftssystemen verbreitet; Go ist für Netzwerkdienste beliebt; C und Rust kommen dort zum Einsatz, wo jede Mikrosekunde und jedes Byte zählt, etwa in Betriebssystemen und Datenbanken. Keine Sprache ist in allem die beste, und die Wahl ist teils eine technische Entscheidung, teils eine Frage, welche Fähigkeiten ein Team mitbringt.

Vom Quellcode zum laufenden Programm: Compiler, Interpreter und virtuelle Maschinen

Quellcode muss in etwas umgewandelt werden, das die CPU ausführen kann. Es gibt drei grundlegende Ansätze, und reale Sprachen kombinieren sie oft.

Ein Compiler ist ein Programm, das den gesamten Quellcode eines Programms vor der Ausführung in eine andere Form übersetzt. Sprachen wie C, C++, Rust und Go werden meist vorab (ahead of time) in Maschinencode für eine bestimmte CPU und ein bestimmtes Betriebssystem kompiliert. Das Ergebnis ist eine ausführbare Datei, die schnell startet und schnell läuft, aber Sie müssen für jede Art von Rechner, die Sie unterstützen wollen, eine eigene Version kompilieren, und der Compiler weist das Programm zurück, wenn er bestimmte Arten von Fehlern findet.

Ein Interpreter ist ein Programm, das Quellcode (oder etwas sehr Ähnliches) liest und dessen Anweisungen gleich beim Lesen ausführt, Schritt für Schritt. Interpretation macht es leicht, Dinge auszuprobieren und dasselbe Programm auf jedem Rechner auszuführen, auf dem der Interpreter vorhanden ist, auf Kosten der Geschwindigkeit.

Viele populäre Sprachen liegen dazwischen. Java-Quellcode wird von einem Werkzeug namens javac in Bytecode kompiliert: kompakte Anweisungen für einen gedachten, idealisierten Computer statt für eine reale CPU. Die Java Virtual Machine (JVM) führt diesen Bytecode dann auf dem realen Rechner aus, auf dem sie installiert ist; so läuft ein Java-Programm unverändert unter Windows, macOS und Linux. Die JVM beobachtet, welche Teile des Programms am häufigsten laufen, und kompiliert diese Teile während der Laufzeit in Maschinencode, eine Technik namens Just-in-time-Kompilierung (JIT). C# auf .NET funktioniert ähnlich. Auch die Standardimplementierung von Python, CPython, kompiliert Ihre .py-Dateien zu Bytecode (wobei der Bytecode importierter Module in .pyc-Dateien zwischengespeichert wird) und führt diesen Bytecode dann in ihrer eigenen Interpreterschleife aus.

Die Aufgabe des Betriebssystems

Wenn Sie einen Computer einschalten, ist das erste größere Programm, das startet, das Betriebssystem (Operating System, OS): Windows, macOS, Linux, Android oder iOS. Die meisten Server im Internet laufen unter Linux. Das Betriebssystem hat vier Hauptaufgaben.

Erstens teilt es die CPU auf. Auf einem Laptop laufen vielleicht ein paar Dutzend Programme, aber es gibt nur eine Handvoll Kerne, also schaltet das OS jeden Kern viele Male pro Sekunde zwischen Programmen um, so schnell, dass sie alle gleichzeitig zu laufen scheinen. Zweitens verwaltet es den Arbeitsspeicher: Es gibt jedem Programm einen eigenen Bereich und hindert ein Programm daran, den Bereich eines anderen zu lesen oder zu überschreiben. Drittens stellt es Dateien und Geräte bereit: Programme bitten das OS, eine Datei zu öffnen, etwas auf dem Bildschirm darzustellen oder Daten über das Netzwerk zu senden, und das OS kümmert sich über kleine Programme namens Treiber um die jeweilige Hardware. Viertens setzt es die Sicherheit durch: Benutzer, Berechtigungen und die Regel, dass eine App Ihre Fotos nicht lesen darf, solange Sie es nicht erlauben.

Programme stellen diese Anfragen über Systemaufrufe, eine feste Menge von Diensten, die das OS anbietet. Das ist das erste Beispiel in diesem Kurs für eine wichtige Architekturidee: eine Schicht, die unübersichtliche Details hinter einer stabilen Menge von Anfragen verbirgt. Wer eine Essensliefer-App schreibt, muss nicht wissen, welche Marke von Netzwerkchip das Smartphone hat.

Prozesse, Threads, Arbeitsspeicher und Festplatte

Eine Programmdatei auf der Festplatte ist nur eine Sammlung gespeicherter Anweisungen. Wenn Sie sie starten, erzeugt das OS einen Prozess: eine laufende Instanz des Programms mit eigenem privatem Speicher, eigener Identität und eigenem Anteil an CPU-Zeit. Öffnen Sie zwei Browserfenster, haben Sie möglicherweise mehrere Prozesse; starten Sie einen Webserver, läuft er vielleicht als ein Prozess oder als viele.

Innerhalb eines Prozesses kann es mehrere Threads geben. Ein Thread ist eine Abfolge von Anweisungen, die gerade ausgeführt wird. Ein Prozess mit mehreren Threads kann mehrere Dinge gleichzeitig tun, etwa die Anfragen zweier Kunden zur selben Zeit bearbeiten, und alle seine Threads teilen sich den Speicher des Prozesses. Diese gemeinsame Nutzung ist bequem, aber riskant: Wenn zwei Threads dasselbe Datenelement im selben Moment ohne Abstimmung ändern, kann das Ergebnis auf eine Weise falsch sein, die nur gelegentlich auftritt. Solche Nebenläufigkeitsfehler gehören zu den am schwersten zu findenden, und das ist ein Grund, warum viele Systeme getrennte Prozesse bevorzugen oder Entwürfe, in denen jede Anfrage unabhängig bearbeitet wird.

Der Unterschied zwischen Arbeitsspeicher und Festplatte erklärt einen großen Teil des Softwaredesigns. Daten im RAM sind schnell erreichbar, in etwa einer Zehntelmikrosekunde, verschwinden aber, wenn der Prozess endet oder abstürzt oder der Rechner neu startet. Daten auf der Festplatte bleiben erhalten, aber der Zugriff dauert viel länger: Dutzende Mikrosekunden oder mehr auf einem Solid-State-Laufwerk und mehrere Millisekunden auf einer sich drehenden Festplatte. Deshalb muss jede Information, die nicht verloren gehen darf, etwa eine Bestellung oder eine Zahlung, in einen dauerhaften Speicher geschrieben werden, meist über eine Datenbank, bevor das System dem Kunden „erledigt“ meldet.

PRICE_PER_ITEM = 12.50   # pounds
VAT_RATE = 0.20          # 20 per cent

def total_with_vat(quantity):
    subtotal = quantity * PRICE_PER_ITEM
    return subtotal * (1 + VAT_RATE)

quantity = int(input("How many items? "))
print("Total to pay:", round(total_with_vat(quantity), 2))

Bugs: wenn die Anweisungen falsch sind

Ein Bug ist ein Fehler in Software, der dazu führt, dass sie sich anders verhält als beabsichtigt. Weil Computer Anweisungen exakt befolgen, ist fast jeder Bug eine Lücke zwischen dem, was der Programmierer gemeint, und dem, was er tatsächlich geschrieben hat, oder eine Situation, an die niemand gedacht hat.

Es hilft, drei Arten zu unterscheiden. Ein Syntaxfehler verletzt die Grammatik der Sprache (eine fehlende Klammer), sodass der Compiler oder Interpreter das Programm gar nicht erst ausführt; solche Fehler fallen sofort auf. Ein Laufzeitfehler tritt auf, während das Programm läuft, etwa bei einer Division durch null oder beim Versuch, eine nicht vorhandene Datei zu lesen; das Programm bricht dann meist mit einer Fehlermeldung ab. Ein Logikfehler ist der gefährlichste: Das Programm läuft fröhlich weiter und liefert die falsche Antwort, berechnet zum Beispiel die Mehrwertsteuer doppelt. Nichts stürzt ab, daher decken ihn nur Tests, sorgfältige Reviews oder ein unzufriedener Kunde auf.

Professionelle Teams rechnen mit Bugs und bauen Schutzmechanismen ein: automatisierte Tests, Code-Reviews, schrittweise Releases und ein Monitoring, das bemerkt, wenn die Fehlerraten steigen. Viele dieser Schutzmechanismen sind architektonischer Natur, und sie tauchen im gesamten Kurs auf.

Warum das für die Architektur wichtig ist

Bei Architektur geht es um die großen Entscheidungen, die teuer zu ändern sind, und mehrere davon beruhen auf den Ideen dieses Abschnitts. Die Wahl von Sprache und Laufzeitumgebung beeinflusst Startzeit, Speicherverbrauch, welche Bibliotheken Sie nutzen können und wen Sie einstellen können. Die Trennung zwischen Arbeitsspeicher und Festplatte entscheidet, was dauerhaft gespeichert werden muss und wie sich ein System nach einem Absturz erholt. Prozesse und Threads sind die Einheiten, die laufen, ausfallen und skalieren: Ein späteres Kapitel fragt, ob ein System ein einziger Prozess oder viele zusammenarbeitende sein sollte. Und der geschichtete Aufbau des Betriebssystems, der die Hardware hinter einer stabilen Menge von Anfragen verbirgt, ist das erste Beispiel für ein Prinzip, dem Sie als Information Hiding wiederbegegnen werden.

Der nächste Abschnitt betrachtet, womit Programme eigentlich arbeiten: Daten und die Strukturen und Algorithmen, die die Arbeit damit schnell oder langsam machen.