التنفيذ (الحوسبة)

غالباً ما تعتمد البرامج على خدمات خارجية مثل بيئة التشغيل ومكتبة وقت التشغيل المصممة خصيصاً لبيئة المضيف لتوفير خدمات يمكنها فصل الملف التنفيذي عن التلاعب المباشر بالكمبيوتر وملحقاته، وبالتالي توفير حل أكثر استقلالية عن النظام الأساسي.

يُكتشف خطأ وقت التشغيل بعد أو أثناء تنفيذ البرنامج، بينما يُكتشف خطأ وقت الترجمة بواسطة المُترجم قبل تنفيذ البرنامج. عادةً ما يتم التحقق من أنواع البيانات ، وتخصيص السجلات ، وتوليد التعليمات البرمجية ، وتحسينها في وقت الترجمة، ولكن قد يتم ذلك في وقت التشغيل اعتمادًا على لغة البرمجة والمُترجم المُستخدمين. توجد العديد من أخطاء وقت التشغيل الأخرى، وتختلف طريقة معالجتها باختلاف لغات البرمجة ، مثل أخطاء القسمة على صفر ، وأخطاء النطاق، وأخطاء تجاوز حدود المصفوفة ، وأخطاء التجاوز الحسابي ، وأنواع مختلفة من أخطاء التجاوز والنقص ، والعديد من أخطاء وقت التشغيل الأخرى التي تُعتبر عمومًا أخطاء برمجية، والتي قد يتم اكتشافها ومعالجتها أو لا بواسطة أي لغة برمجة.

تدعم معالجة الاستثناءات التعامل مع أخطاء وقت التشغيل، موفرةً طريقةً منظمةً لاكتشاف الحالات غير المتوقعة، بالإضافة إلى الأخطاء المتوقعة أو النتائج غير المعتادة، دون الحاجة إلى التحقق من الأخطاء المضمنة المطلوبة في اللغات التي لا تدعم هذه الميزة. وتتيح التطورات الحديثة في محركات وقت التشغيل معالجةً آليةً للاستثناءات ، توفر معلومات تصحيح الأخطاء حول السبب الجذري لكل استثناء ذي أهمية، ويتم تنفيذها بشكل مستقل عن شفرة المصدر، من خلال ربط برنامج خاص بمحرك وقت التشغيل.

بعض عمليات تصحيح الأخطاء لا يمكن إجراؤها إلا أثناء التشغيل (أو تكون أكثر كفاءة ودقة عند إجرائها). ومن الأمثلة على ذلك أخطاء المنطق وفحص حدود المصفوفات . لهذا السبب، لا تُكتشف بعض أخطاء البرمجة إلا عند اختبار البرنامج في بيئة إنتاجية باستخدام بيانات حقيقية، على الرغم من وجود عمليات فحص متطورة أثناء الترجمة واختبارات ما قبل الإصدار. في هذه الحالة، قد يواجه المستخدم النهائي رسالة "خطأ أثناء التشغيل".

يُعدّ التنفيذ الأصلي للمضيف سيناريو شائعًا، لا سيما تاريخيًا. ويتضمن هذا السيناريو التحكم في الحاسوب عبر تعليمات وحدة المعالجة المركزية (CPU). تقوم وحدة المعالجة المركزية بتفسير البرنامج على مستوى تعليمات الآلة .

دورة التعليم

دورة التعليمات هي الدورة التي يتبعها المعالج المركزي من لحظة بدء التشغيل وحتى إيقاف تشغيل الحاسوب لمعالجة التعليمات. وهي تتكون من ثلاث مراحل رئيسية: مرحلة جلب التعليمات، ومرحلة فك التشفير، ومرحلة التنفيذ.

في وحدات المعالجة المركزية الأبسط، تُنفَّذ دورة التعليمات بالتسلسل، حيث تُعالَج كل تعليمة قبل بدء التعليمة التالية. أما في معظم وحدات المعالجة المركزية الحديثة، فتُنفَّذ دورات التعليمات بالتزامن ، وغالبًا بالتوازي ، من خلال خط أنابيب التعليمات : تبدأ معالجة التعليمة التالية قبل انتهاء معالجة التعليمة السابقة، وهو أمر ممكن لأن الدورة مُقسَّمة إلى خطوات منفصلة. ^{[ 4 ]}

توفر الآلة الافتراضية (VM) وظائف جهاز كمبيوتر فعلي، يتم تنفيذها جزئيًا أو كليًا كطبقة برمجية ، بدلًا من الوصول المباشر إلى النظام المضيف. فمن خلال المحاكاة الافتراضية ، توفر الآلة الافتراضية نظام كمبيوتر مستقلًا منطقيًا عن الكمبيوتر المضيف والآلات الافتراضية الأخرى الموجودة عليه، وذلك عبر طبقة برمجية رقيقة نسبيًا تسمح بأداء عالٍ نسبيًا، ولكن على حساب التقيد بتقنية النظام المضيف. أما من خلال المحاكاة ، فتُوفر الآلة الافتراضية جهاز كمبيوتر منفصلًا قد يختلف اختلافًا كبيرًا عن تقنية نظام الكمبيوتر المضيف، ولكن عادةً ما يكون ذلك على حساب أداء أبطأ نسبيًا نظرًا لطبقة برمجية سميكة نسبيًا.

تختلف تقنيات الآلات الافتراضية باختلاف نطاقها. توفر آلة النظام الافتراضية (المعروفة أيضًا بآلة المحاكاة الافتراضية الكاملة ) الوظائف اللازمة لتشغيل نظام تشغيل مستقل . يستخدم برنامج إدارة الآلات الافتراضية التنفيذ الأصلي لمشاركة وإدارة الأجهزة، مما يسمح بوجود بيئات متعددة معزولة عن بعضها البعض، ولكنها موجودة على نفس الجهاز الفعلي. تستخدم برامج إدارة الآلات الافتراضية الحديثة المحاكاة الافتراضية المدعومة بالأجهزة ، وهي أجهزة مخصصة للمحاكاة الافتراضية، وخاصةً من وحدات المعالجة المركزية للمضيف. في المقابل، تقوم آلة العمليات الافتراضية (مثل بيئات تشغيل .NET و Java و Python ) بتشغيل برنامج حاسوبي في بيئة مستقلة عن النظام الأساسي.

صُممت بعض برامج المحاكاة، مثل QEMU وبرامج محاكاة أجهزة ألعاب الفيديو ، لمحاكاة (أو "تقليد افتراضي") بنى أنظمة مختلفة، مما يسمح بتشغيل تطبيقات البرامج وأنظمة التشغيل المصممة لمعالجات أو بنى أخرى. تتيح المحاكاة الافتراضية على مستوى نظام التشغيل تقسيم موارد الحاسوب عبر النواة . ولا تُستخدم هذه المصطلحات بشكل متبادل في جميع الحالات.

يُنفّذ المفسر التعليمات البرمجية بصيغة قابلة للتنفيذ المباشر، حيث تكون جميع خطوات الإعداد اللازمة للبيئة قد أُنجزت مسبقًا. ويمكن تنفيذ الملف التنفيذي مباشرةً بواسطة وحدة المعالجة المركزية (بما في ذلك وحدة المعالجة المركزية الافتراضية). ويمكن تنفيذ التعليمات البرمجية المصدرية في بيئة تدعمها. على سبيل المثال، تُنفّذ لغتا جافا سكريبت وبايثون بواسطة برامج المفسر التي لا تتطلب عملية ترجمة.