Hiểu về Mã máy so với Mã byte

Nền tảng của việc thực hiện phần mềm

Trong thế giới kỹ thuật phần mềm, mã có thể có nhiều dạng từ khi được lập trình viên viết ra cho đến khi được máy tính thực thi. Những gì bắt đầu là mã nguồn cấp cao, được con người viết bằng các ngôn ngữ như Python hoặc Java, mã này cuối cùng được chuyển đổi thành mã máy – một chuỗi các số 1 và 0 – biểu diễn ngôn ngữ cấp thấp nhất mà máy tính có thể đọc và thực thi. Thông thường, một định dạng trung gian được gọi là mã byte sẽ thu hẹp khoảng cách giữa mã nguồn cấp cao và mã máy.

Mã máy là gì?

Mã máy là cấp độ cơ bản và nền tảng nhất của mã, được thiết kế để phần cứng máy tính có thể đọc và thực thi trực tiếp. Mã máy ở cấp độ thấp đến mức con người không thể đọc được cũng như không thể truy cập được đối với các hệ thống cấp cao hơn. Mã máy hoàn toàn bao gồm các chuỗi nhị phân – 1 và 0 – tương ứng với các lệnh hoặc thao tác cụ thể, hướng dẫn các thành phần của máy tính (ví dụ: bộ nhớ, CPU) chính xác những gì cần thực thi.

Ghi chú của biên tập viên:Bài viết trên blog của khách này được viết bởi đội ngũ nhân viên tại Pure Storage , một công ty công nghệ giao dịch công khai có trụ sở tại Hoa Kỳ chuyên cung cấp các giải pháp lưu trữ dữ liệu flash cho doanh nghiệp. Pure Storage duy trì một blog rất năng động, đây là một trong những bài đăng "Hoàn toàn mang tính giáo dục" của họ mà chúng tôi đang đăng lại ở đây với sự cho phép của họ.

Ngôn ngữ lập trình cấp cao thường được dịch thành mã máy thông qua một quá trình gọi là biên dịch hoặc lắp ráp.

Vai trò chính của mã máy là đóng vai trò là giao diện giữa phần mềm và phần cứng. Nó chuyển đổi các ngôn ngữ lập trình cấp cao (mã bạn viết bằng Java, C#, Python, v.v.) thành các lệnh mà máy tính có thể hiểu và thực thi. Ngoài ra, mã máy tạo thành nền tảng cho các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn, cũng như trình biên dịch và trình thông dịch được sử dụng để tạo các định dạng trung gian như bytecode, sẽ được thảo luận tiếp theo.

Mã nguồn Python đơn giản in 'Hello, World!' vào bảng điều khiển – bước đầu tiên kinh điển trong việc học lập trình

Sau đây là mã nhị phân tương đương của mã máy cho ví dụ "Hello, World!" (điều này yêu cầu biên dịch thành mã máy theo kiến ​​trúc của bộ xử lý cụ thể, trong trường hợp này là x86-64):

Khi phần mềm được viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, mã máy đảm bảo rằng các lệnh cấp cao, dễ đọc đối với con người được chuyển đổi thành các lệnh dễ đọc đối với máy. Hơn nữa, mã máy được tối ưu hóa cho phần cứng cụ thể mà nó chạy trên đó, tối đa hóa hiệu quả và hiệu suất.

Sự thật nhanh về mã máy

• Mã máy có thể tương tác trực tiếp với các thành phần phần cứng.

• Mã máy là mã dành riêng cho phần cứng, do đó nó được thiết kế riêng cho kiến ​​trúc phần cứng cụ thể của máy tính, nghĩa là mã máy được viết cho một loại bộ xử lý có thể không hoạt động trên loại bộ xử lý khác.

• Mã máy không thể đọc được bởi con người và có thể rất phức tạp. Đó là lý do tại sao cần có ngôn ngữ lập trình cấp cao, trừu tượng hóa nhiều bước.

• Các lệnh mã máy được CPU thực hiện trực tiếp mà không cần phải diễn giải hay biên dịch thêm, khiến cho nó cực kỳ nhanh và hiệu quả.

Bytecode là gì?

Bytecode là phiên bản nhỏ gọn, độc lập với nền tảng và có thể di chuyển của mã cấp cao. Nó giống như một nền tảng trung gian giữa mã nguồn và mã máy: Nó không thể đọc được bởi một lập trình viên con người như mã nguồn, nhưng nó cũng không thể đọc được bởi phần cứng, như mã máy. Thay vào đó, một trình biên dịch trong môi trường lập trình sẽ dịch mã nguồn thành bytecode, sau đó được thực thi bởi một máy ảo hoặc trình thông dịch hoặc được biên dịch thêm.

Mã bytecode bên dưới tương đương với mã Python 'Hello, World!' được hiển thị trong ví dụ đầu tiên ở trên. Mã nguồn Python (tệp .py) được biên dịch thành mã bytecode (tệp .pyc). Trình thông dịch Python hoặc máy ảo xử lý mã bytecode này để thực thi.

Sự khác biệt này rất quan trọng vì phần mềm hiện đại thường cần chạy trên nhiều thiết bị, hệ điều hành và nền tảng khác nhau. Bytecode cho phép thực hiện điều này bằng cách cung cấp một biểu diễn chuẩn hóa, đơn giản hóa của mã nguồn dưới dạng số.

Định dạng này làm cho bytecode nhẹ và di động, không giống như mã máy, thường dành riêng cho một kiến ​​trúc phần cứng cụ thể (ví dụ: một CPU cụ thể). Miễn là hệ thống có máy ảo phù hợp, nó có thể thực thi bytecode.

Nói một cách đơn giản, bytecode là phiên bản hợp lý, nhỏ gọn của một chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao, chẳng hạn như Java hoặc Python. Tuy nhiên, nó không thể được thực thi mà không có máy ảo hoặc trình thông dịch. Bytecode đôi khi cũng được gọi là "p-code" (viết tắt của portable code).

Sự thật nhanh về bytecode

• Bytecode cho phép chạy mã trên nhiều nền tảng và dễ diễn giải hơn. Miễn là hệ thống có máy ảo phù hợp (ví dụ: Java Virtual Machine), thì bytecode có thể được thực thi mà không cần sửa đổi.

• Bytecode có thể giảm sự phụ thuộc vào phần cứng và hệ điều hành.

• Mã bytecode không phải là thứ con người có thể hiểu hoặc viết ra; nó là dạng số biểu diễn của mã nguồn gốc.

• Trong phát triển phần mềm, sẽ luôn có sự đánh đổi giữa hiệu quả của nhà phát triển và hiệu quả của chương trình. Sự trừu tượng hóa, trong khi cho phép tính linh hoạt và khả năng di động cao hơn, có thể làm tăng thêm chi phí cho chương trình, nhưng trình biên dịch just-in-time có thể cải thiện hiệu suất với bản dịch động hơn khi đang chạy.

• Bytecode không thể chạy trực tiếp trên phần cứng. Trước tiên, nó phải được máy ảo (ví dụ: JVM cho Java) diễn giải hoặc dịch thành mã máy.

• Có thể phức tạp và tốn thời gian hơn khi chạy thử nghiệm, gỡ lỗi và chẩn đoán trên bytecode. Thiếu khả năng kiểm soát hoặc tối ưu hóa phần cứng.

Tại sao mã máy thường nhanh hơn mã byte?

Mã máy thường nhanh hơn mã byte vì máy tính xử lý dễ dàng và nhanh hơn. Điều này chủ yếu là do không có lớp trừu tượng, lớp này có trong mã byte để đơn giản hóa lập trình và biên dịch. Mặc dù lớp trừu tượng này giúp lập trình viên phát triển mã hiệu quả hơn, nhưng nó thường dẫn đến sự đánh đổi về hiệu suất. Sự trừu tượng làm giảm độ chi tiết của mã và hạn chế khả năng kiểm soát trực tiếp các hoạt động của máy.

Mã máy được liên kết chặt chẽ với bộ nhớ đệm, bộ nhớ và các thành phần khác của phần cứng, cho phép phần mềm được tối ưu hóa cao cho phần cứng cụ thể. Được viết bằng ngôn ngữ gốc của máy tính, mã máy loại bỏ nhu cầu diễn giải bổ sung. Điều này có nghĩa là bạn đang cung cấp cho máy các hướng dẫn chính xác bằng ngôn ngữ được thiết kế riêng cho nó, dẫn đến chi phí tối thiểu và thực hiện nhanh hơn.

Mặt khác, mã bytecode đòi hỏi một lớp diễn giải bổ sung, có thể gây ra sự chậm trễ và phức tạp. Các kỹ thuật như biên dịch just-in-time (JIT) có thể cải thiện hiệu suất mã bytecode bằng cách chuyển đổi nó thành mã máy trong thời gian chạy. Tuy nhiên, mã máy vẫn được hưởng lợi từ khả năng tối ưu hóa cấp phần cứng vượt trội.

Trình biên dịch tạo ra mã máy dành riêng cho phần cứng có thể tận dụng đầy đủ các tính năng độc đáo của phần cứng, trong khi mã byte thường không thể tận dụng hiệu quả các tính năng này.

Câu hỏi thường gặp về mã byte so với mã máy

Mã nhị phân có giống với mã byte không?

Không, mã nhị phân không giống với mã byte. Mặc dù cả hai đều được viết theo định dạng nhị phân (chuỗi 1 và 0), nhưng chúng phục vụ các mục đích khác nhau:

• Mã nhị phân là mã cấp thấp và có thể thực thi trực tiếp bằng phần cứng của máy tính. Mã này biểu diễn dữ liệu và hướng dẫn bằng ngôn ngữ mà máy có thể hiểu và thực hiện. Mã này dành riêng cho phần cứng mà nó chạy. Mã máy hầu như không có sự trừu tượng hóa – nó được thiết kế để tương tác trực tiếp với phần cứng.

• Bytecode là mã trung gian. Không giống như mã nhị phân, nó không được thực thi trực tiếp bởi phần cứng mà được xử lý bởi trình thông dịch hoặc máy ảo. Bytecode được tạo ra bởi trình biên dịch từ ngôn ngữ lập trình cấp cao (ví dụ: Java) và được tối ưu hóa cho tính di động và dễ diễn giải.

  
  

  Bytecode có mức trừu tượng trung bình, gần với mã nguồn hơn là mã máy. Mức trừu tượng này giúp bytecode dễ diễn giải hơn trên nhiều nền tảng, nhưng không thể tương tác trực tiếp với phần cứng nếu không có trình thông dịch.

CIL của .NET có giống với bytecode không?

Đúng vậy, Ngôn ngữ trung gian chung (CIL) trong khuôn khổ .NET của Microsoft là một dạng mã byte. Giống như Java, .NET hoạt động theo nguyên tắc "viết một lần, chạy ở mọi nơi". Trình biên dịch dịch mã nguồn được viết bằng ngôn ngữ .NET thành các lệnh CIL. Sau đó, các lệnh này có thể được thực thi trên bất kỳ hệ thống nào có Common Language Runtime (CLR) tương thích.

Bytecode trong Java là gì?

Java là một trong những ngôn ngữ lập trình hiện đại di động nhất và bytecode là nền tảng của đặc điểm này. Khi biên dịch ứng dụng Java, trình biên dịch sẽ tạo ra bytecode thay vì mã máy.

Khi một ứng dụng Java được viết, nó sẽ được biên dịch và tạo ra bytecode, cung cấp hướng dẫn cho JVM, hoạt động như một trình thông dịch cho từng phương thức trong chương trình Java. Mã máy mà nó tạo ra có thể được CPU thực thi hiệu quả.

Trình biên dịch just-in-time làm cho bytecode hiệu quả hơn như thế nào?

Trình biên dịch just-in-time có thể giúp các nhà phát triển tận dụng tối đa cả hai lợi thế: khả năng di động của lập trình cấp cao được biên dịch thành mã bytecode với hiệu quả của mã máy và tối ưu hóa tốt hơn các tính năng dành riêng cho máy.

Theo TÉCHSPOT