Termipankki
  1. A
    1. Abstraktio
    2. Alias
    3. Alustaminen
    4. Ankkatyypitys
    5. Argumentti
    6. Arvo
    7. Asetuslippu
    8. Avainsana
  2. B
    1. Binääriluku
    2. Binääritiedosto
    3. Bitti
    4. Bittinegaatio
    5. Bittioperaatio
  3. C
    1. C-funktio
    2. C-kirjasto
    3. C-muuttuja
  4. E
    1. Ehtolause
    2. Ehtorakenne
    3. Esikääntäjä
    4. Esikääntäjädirektiivi
    5. Esittely
    6. Etumerkitön
  5. H
    1. Heksadesimaali
  6. K
    1. Kirjasto
    2. Kommentti
    3. Komplementti
    4. Konekieli
    5. Koodilohko
    6. Käskykanta
    7. Kääntäjä
  7. L
    1. Lause
    2. Looginen operaatio
  8. M
    1. Makro
    2. Merkki
    3. Merkkijono
    4. Metodi
    5. Muisti
    6. Muuntumaton
    7. main-funktio
  9. O
    1. Objekti
    2. Ohjausrakenne
    3. Optimointi
    4. Osoitin
    5. Otsikkotiedot
  10. P
    1. Paikanpidin
    2. Paluuarvo
    3. Parametri
    4. Poikkeus
    5. Prototyyppi
    6. Python-format
    7. Python-funktio
    8. Python-import
    9. Python-konsoli
    10. Python-lista
    11. Python-muuttuja
    12. Python-pääohjelma
    13. Python-tulkki
    14. Pääfunktio
    15. printf
  11. R
    1. Resurssi
  12. S
    1. Staattinen tyypitys
    2. Syntaksi
  13. T
    1. Taulukko
    2. Tavu
    3. Terminaali
    4. Tietorakenne
    5. Tyyppi
    6. Tyyppimuunnos
  14. V
    1. Varoitusviesti
    2. Virheviesti
  15. W
    1. while
Ratkaistu: / tehtävää

Rinnakkaislaskenta

Osaamistavoitteet: Erilaisia tapoja toteuttaa rinnakkaislaskentaa moderneissa suorittimissa.
Prosessorin ja muistin sisäisen toiminnan optimoinnin ohella suoritustehoa haetaan nykyään rinnakkaislaskennan avulla, missä ajatus on että ohjelma tai prosessi jaetaan usean suorittimen tai ytimen (engl. core) kesken, jotka suorittavat ohjelmakoodia yhtäaikaisesti ja synkronoidusti.
Tämä luo myös haasteita ohjelmointiin, koska ohjelmat tulisi laatia siten, että niiden suorituksessa voidaan hyödyntää useita ytimiä. Eli ohjelma olisi voitava jakaa osiin, jotka minimaalisesti riippuvat toisistaan ja minomoivat data- ja kontrollihasardit. Nykyään on jo olemassa rinnakkaislaskentaa tukevia ohjelmointikieliä tai rinnakkais-laajennuksia olemassaoleviin kieliin.
Modernit kääntäjät ja suorittimet osaavat optimoida ohjelmakoodia niin, että rinnakkaisuuden toteuttaminen on mahdollista niiden yhteispelillä. Kääntäjä voi jo optimoida ohjelmaa valitulle suorittimelle, esimerkiksi hoitamalla löydetyt data- ja kontrollihasardit sekä arvioimalla mitkä käskyt voidaan milloinkin suorittaa (engl. prediction / speculation). Nyt, moderrni kääntäjä voi siis lisätä käskyjä ohjelmaan (esim. nop) tai järjestellä ohjelman käskyt uuteen suoritusjärjestykseen! Kääntäjä voi jopa toteuttaa ohjelmakoodiin valmiiksi erilaisia ohjelman suoritushaaroja, jotka suoritetaan sen mukaan toteutuiko ennustus.. Näin osa riippuvuuksista eliminoituu jo käännösvaiheessa, hasardeihin yritetään reagoida jo valmiiksi ja tätä myöten suoritusteho kasvaisi.
Käännöksen aikainen optimointi on staattista, eli sisäänrakennettu ohjelmaan, jonka lisäksi suoritin voi ajonaikana dynaamisesti optimoida suoritusta kontrollilogiikkansa avulla. Suoritin esimeriksi määrittää kuinka monta käskyä voidaan suorittaa yhden kellojakson aikana tai mitkä käskyt suoritetaan missä kellojaksossa (engl. out-of-order execution), huomioiden tietysti riippuvuudet. Aiemmassa materiaalissa esittelemämme liukuhihntatoteutus on in-order pipeline, koska siinä käskyt suoritetaan ohjelmoidussa järjestyksessä.

Käskytason rinnakkaisuus

Kun konekielisen ohjelman käskyjä suoritetaan rinnakkain suorittimessa, puhutaan yleisesti käskytason rinnakkaisuudesta (engl. instruction-level parallelism, ILP), jossa suorittimen mikroarkkitehtuuriin toteutetaan erilaisia optimointitekniikoita.
Liukuhihnasuoritin jo osaltaan toteuttaa käskytason rinnakkaisuutta, kun useampi käsky on yhtaikaa suoritettavana eri osajärjestelmissä. Kuten aiemmin todettu, liukuhihnan suoritustehoa voidaan kasvattaa lisäämällä vaiheita liukuhihnaan. Vaiheita saadaan lisää purkamalla osajärjestelmät pienempiin ja nopeampiin osiin, jolloin kellojakson pituutta voidaan lyhentää ja tuloksena suoritusteho (IPS) kasvaa.
Toinen tapa on lisätä suorittimeen rinnakkaisia osajärjestelmiä, jolloin usea käsky voi olla liukuhihnalla samassa vaiheessa omassa osajärjestelmä-komponentissaan (engl. superscalar processor). Tässä konseptuaalisesti oletuksena on, että käskyt ja data tulevat samasta virrasta. Superskalaarissa prosessorissa voi olla esimerkiksi neljä ALUa, mutta liukuhihnalla suoritetaan rinnakkain erityyppisiä käskyjä. Kuvassa esimerkkinä ALU- ja muistiosoitus operaatiot.
Näiden suoritinarkkitehtuurien yhteydessä puhutaan VLIW-käskykannasta (engl. very long instruction word). VLIW-käskyt on tyypillisesti hyvin pitkiä (jopa 128 bittiä), koska niissä on kuvattu usean eri käskyn operaatiokoodit ja operandit.
Käskyjen jako rinnakkaisille hihnoille on mahdollista tehdä jo kääntäjässä, jolla saadaan se hyöty, että eri suoritusosien digitaalilogiikan toteutus yksinkertaistuu. Mutta, hasardien käsittely on sitten taas monimutkaisempaa. Näin ollen, VLIW-suorittimet eivät useinkaan ole yleiskäyttöisiä vaan sovelluskohtaisia, esimerkiksi DSP-prosessorit.
Yleisesti moderneissa suorittimissa liukuhihnalla voi, kun otetaan usea eri optimointitekniikka käytäntöön, olla samanaikaisesti kymmeniä eri käskyjä suorituksen eri vaiheissa!

Moderni toteutus

Kuvassa alla käskytason rinnakkaisuutta toteuttavan modernin suorittimen arkkitehtuuri, jossa käskyjä ajetaan optimoidussa järjestyksessä (out-of-order execution).
Kuten nähdään suoritin on jaettu kahteen osaan: kontrolli- (instruction control unit) ja suoritusyksikköön (execution unit). Kontrolliyksikkö lukee käskyt erillisestä välimuistista (instruction cache). Koska kontrolliosa toteuttaa ennustamisen (branch prediction ja speculation Fetch control-komponentissa, on sen toteutus varsin monimutkainen, ja tyypillisesti käskyt haetaan välimuistista hyvissä ajoin. Decode-komponentti taas purkaa käskyt yleensä mikro-operaatioiksi, jotta ne voidaan suorittaa monivaiheisemmassa likuhihnassa. Kontrolliosassa on vielä eläköitymisyksikkö (hieno suomennos eikös? engl. retirement unit), jonka tehtävänä on huolehtia että ohjelma kokonaisuutena suoritetaan halutussa loogisessa järjestyksessä. Tämä yksikkö myös päivittää käskyjen tulokset rekistereihin, kun ne on saatu liukuhihnasta läpi tai vastaavasti, jos ennustus meni pieleen, tyhjentää puskurista väärät tulokset.
Suoritusyksikkö jakaantuu sitten toiminnallisiin yksiköihin, joista jokainen on erikoistunut suorittamaan tietyntyyppiset käskyt: ALUn operaatiot, ohjelman kontrollikäskyt ja muistiosoitukset.

Moniydinprosessorit

Seuraava askel rinnakkaisuuden toteuttamisesta abstraktiotasolla ylöspäin on tehtävä- tai prosessitason rinnakkaisuuden toteuttaminen. Tavoitteena on kasvattaa prosessien suoritustehoa moniajoa tukevissa tietokoneissa tai palvelimissa, joissa prosessit voidaan jakaa usealle ytimelle yhtaikaa suoritettavaksi. Tällöin puhutaan moniydin-suorittimista.
Moniydin-prosessoreissa ohjelmien suorituksen hallinta ja optimointi on sitten jo varsin haastavaa. Joudutaan huomioimaan mm. ohjelman jakaminen rinnakkaisiin osiin, niiden suoritusjärjestys (engl. scheduling), tehtävien suorituksen synkronointi ja suorituskuorman jakaminen ydinten kesken. Ytimet myös kommunikoivat keskenään. Tämän tason rinnakkaisuus vaatii myös ohjelmoijalta rinnakkaisuuden sisäänrakentamista ohjelmiin. Lähtökohtaisesti sekventiaalinen ohjelman suoritus on todella hidasta nykyteknologialla..
Esimerkkinä tuoreessa Intel Core i9-suoritinperheen prossuissa on jopa 18 ydintä!
Moniydin-keskusyksikköjen toteutukset ovat jaettu konseptuaalisesti neljään ryhmään datavirtojen ja käskyvirtojen määrän perusteella.

SISD

SISD (Single instruction stream, single data stream) tarkoittaa perinteistä tietokonetta, jossa yksi ydin suorittaa käskyn sen operandeille jotka ovat peräisin yhdestä datavirrasta.
Esimerkki SISD-prosessorista on Intel Pentium 4 vuodelta 2000.

SIMD

SIMD (Single instruction stream, multiple data streams) toteutuksessa on yksi suoritin, jolle data tuodaan 1-ulotteisessa vektorimuodossa (rivinä). Yksi SIMD-käsky suorittaa saman operaation kaikille vektorin alkiolle yhtaikaa. Näinollen, SIMD-toteutus tarvitsee vain yhden PC-rekisterin ja siihen liittyvän kontrollilogiikan, mutta paljon datarekistereitä. Esimerkkinä, taulukkojen käsittely voidaan toteuttaa nopeasti SIMD-käskyllä. Mutta SIMD toimisi tehottomasti ehtolauseissa.
SIMD toteuttaa yleisen vektoriarkkitehtuurin, jossa liukuhihnoitettu ALU (tai useampi rinnakkainen ALU) tekee operaatiot sekventiaalisesti 1-ulotteiselle datataulukolle yhden käskysyklin aikana. Vektoriprosessorin konekielen käskykannassa on erilliset vektori-käskyt, esimerkiksi voidaan lisätä numeroarvon vektorin kaikkiin alkioihin kerralla tai jokainen alkio voidaan kertoa samalla luvulla, jne. Tehokas ohjelman suoritus edellyttää että käytettävissä on riittävästi rekistereitä datavektorin sijoittamiseksi kokonaisuudessaan rekistereihin. Tehokkuutta tulee myös siitä, että vektori haetaan muistista rekistereihin kerralla. Vektoriarkkitehtuureissa oletuksena on ettei käskyjen välillä ole paljon riippuvuuksia ja liukuhihnan hasardeja tarkistetaan vain käskyjen välillä. Johtuen rinnakkaisesta toteutuksesta silmukkarakenteiden kontrollihasardeja ei esiinny.
Esimerkkinä SIMD-toteutuksesta ovat x86-perheen SSE-käskyt ja vektori-arkkitehtuureista Cray-supertietokoneet 1970-luvulta alkaen.

MISD

MISD (Multiple instruction streams, single data stream) malli on teoreettinen. MISD-prosessori toteuttaisi yhtaikaa useita käskyjä samalla data-alkiolle. Tällaisia sovelluksiahan toki löytyy, mutta miten idea heijastuu suoritinarkkitehtuuriin? Tästä ei ole olemassaolevia toteutuksia nykyään.. kvanttitietokoneet?

MIMD

MIMD (Multiple instruction streams, multiple data streams) tarkoittaa toteutusta, jossa usea ydin suorittaa operaatioita omassa (virtuaali)muistissaan. Data on peräisin samasta jaetusta fyysisestä muistista, joten ohjelman suorituksen ja muistioperaatioiden synkronointia ytimien kesken tarvitaan.
MIMD-toteutus itseasiassa mahdollistaa erillisten ohjelmien ajamisen eri ytimissä, esimerkiksi eri prosessien tai säikeiden (siellä Käyttöjärjestelmät-kurssissa sitten..) ajamisen omissa ytimissään. Mutta, yleensä yhtä ohjelmaa ajetaan kaikissa ytimissä yhtäaikaisesti.
Ohjelma jaetaan ehdollisilla lauseilla (jotka voivat olla lisäyksiä johonkin tunnettuun ohjelmointikieleen) ytimien kesken niin, että eri koodilohkoja ajavat eri ytimet. Jokaisessa ytimessä saattaa olla siis oma kopio ohjelman koodista ja datasta sen omassa välimuistissa.
Esimerkki MIMD-suorittimesta on Intel Core i7 vuodelta 2008.

GPU

Erilliset grafiikkaprosessorit (engl. Graphics Processing Unit, GPU) ovat yleistyneet. Yhdessä GPU:ssa saattaa olla satoja liukulukulaskentaan omistettuja yksikköjä, joita käytetään nopean grafiikan tuottamiseen. GPU:iden ohjelmointi on nykyään myös tullut osaksi mainstream-ohjelmointia ja niitä voidaan valjastaa laskentaan muissakin tarkoituksissa, esimerkiksi massadata-analyysissä.
GPU:t eroavat yleisestä CPU:sta seuraavasti:
Kuvassa alla yleinen NVIDIAn GPU-arkkitehtuuri:
Tätä samaa ideaa kuin GPU:ssa on nykyään viety askel pidemmälle Tensori-prosessoreissa, joissa hardis on optimoitu tekoälyn menetelmiä varten, esimerkiksi koneoppimista.

Lopuksi

Tämä materiaali on vasta lyhyt yleiskatsaus modernien mikroprosessorien maailmaan.
Kuten materiaalista yleisesti käy ilmi, itse laskentaa suorittava ALU on vain hyvin pieni osanen koko tietokonejärjestelmää. Tietokonejärjestelmän toimintaa hallitsevat suorittimen rinnakaiset osajärjestelmät, liukuhihnat, niitä heijastavat käskykannat, kontrolliosien moninaiset ja -mutkaiset toteutukset, välimuistit eri tasoilla sekä väylien toteutukset muistipiireille ja I/O-laitteille.

Tekstipalaute

Huom, tämä laatikko on vain palautetta varten. Mikäli haluat esittää tehtäviin liittyviä kysymyksiä, ne kannattaa suunnata Slack-kanavalle, esittää assareille harjoituksissa tai kurssin sähköpostiin (computer-systems@ee.oulu.fi).
Käsittelemme palautteita luennoilla sekä tarpeen mukaan vastaamme niihin vastaussivulla.
Voit lähettää niin monta palauteviestiä kuin keksit aiheita!

Varoitus: Et ole kirjautunut sisään. Et voi vastata.
?
Abstraktiolla tarkoitetaan sitä kun raa'an konekielen käskyt "piilotetaan" korkeamman tason ohjelmointikielen käskyjen alle. Abstraktiotasosta riippuu miten laajaa tämä piilotus on - mitä korkeampi taso, sitä vaikeampi on suoraan sanoa miten monimutkaiseksi koodirakennelma muuttuu kun se kääntyy konekielelle. Esim. Pythonin abstraktiotaso on huomattavasti korkeampi kuin C:n (itse asiassa Python on tehty C:llä...).
Alias on esikääntäjävaiheessa käsiteltävä korvaus, jolla tietty merkkijono koodissa korvataan toisella. Toiminta vastaa siis tekstieditorin replace-toimintoa. Aliaksia määritellään #define-direktiivillä. Esim #define PI 3.1416
Muuttujan alustamisella tarkoitetaan sitä, kun sille asetetaan koodissa jokin alkuarvo. Hyvin yleinen esimerkki tästä on lukumuuttujien alustaminen nollaan. Alustus voidaan tehdä muuttujan esittelyn yhteydessä: int laskuri = 0; tai erikseen. Jos muuttujia ei alusteta, niiden sisältönä on mitä ikinä muistipaikkaan on aiemmin jäänyt.
Pythonin käyttämää tapaa käsitellä arvojen tyyppiä kutsutaan dynaamiseksi tyypitykseksi eli ankkatyypitykseksi. Nimitys perehtyy lauselmaan "Jos se ui kuin ankka, kävelee kuin ankka ja ääntelee kuin ankka, se on ankka." Toisin sanoen arvon kelvollisuus määritellään sen ominaisuuksien perusteella. Tämä eroaa staattisesta tyypityksestä, jossa arvon kelvollisuus määritellään sen tyypin perusteella.
Argumentti on funktiokutsussa käytettävä arvo, joka välitetään kutsuttavalle funktiolle. Funktion sisällä argumentit sijoitetaan parametreiksi kutsuttuihin muuttujiin. Esimerkiksi printf("%c", merkki); -lauseessa argumentteja ovat "%c"-tulostusmäärittely sekä merkki-muuttujan sisältö.
Alkeiskurssilla arvo-termiä käytettiin kaikista ohjelman käsittelemistä arvoista, oli kyse sitten muuttujista, lauseiden tuloksista tai mistä tahansa. Arvo on siis käytännössä tietokoneen muistissa olevaa dataa, johon muuttujat voivat viitata. C:ssä muuttujan ja sen arvon suhde on Pythonia tiiviimpi, koska muuttuja vastaa suoraan sitä muistialuetta johon arvo on talletettu.
Asetuslippuja käytetään kun suoritetaan ohjelmia komentoriviltä. Ne ohjaavat ohjelman toimintaa. Asetuslippu kirjoitetaan yleensä joko yhdellä viivalla ja sitä seuraavalla kirjaimella (esim. -o) tai kahdella viivalla ja kokonaisella sanalla (tai sanoilla, sanojen välissä viiva) (esim. --system. Jotkut liput ovat ns. boolean lippuja eli ne ovat vain päällä tai pois, toisille annetaan lisäksi parametri. Parametri on tyypillisesti lipun perässä joko välilyönnillä tai =-merkillä erotettuna (esim. -o hemuli.exe).
Avainsanat ovat ohjelmointikielessä kielen käyttöön valittuja sanoja, joilla on erityinen merkitys. Hyvät tekstieditorit tyypillisesti merkitsevät avainsanat muista nimistä eroavalla tavalla (esim. lihavointi). Avainsanat ovat yleensä suojattuja, eli samannimistä muuttujaa ei voi luoda. Yleisiä avainsanoja ovat esim ohjausrakenteisiin kuuluvat if ja else. Avainsanat ovat siis osa ohjelmointikielen kielioppia.
Binääriluku on luku, joka muodostuu biteistä, eli arvoista 0 ja 1. Tämä tekee siitä 2-kantaisen lukujärjestelmän. Binäärilukujen tulkintaa voit tutkailla lukujärjestelmiä käsittelevässä lisämateriaalissa.
Binääritiedosto on tiedosto, joka sisältää konekielisiä käskyjä binäärinä. Ne on tarkoitettu ainoastaan tietokoneen luettavaksi, ja tyypillisesti jos niitä avaa vahingossa esim. tekstieditorilla tuloksena on merkkisotkua editorin yrittäessä tulkita tiedoston sisältämiä bittejä merkeiksi. Useimmat tekstieditorit myös varoittavat asiasta erikseen.
Bitti on pienin informaation yksikkö, joka voi saada arvot 0 ja 1. Tietokoneen sisällä kaikki tapahtuu bitteinä. Tyypillisesti muistissa on bittijonoja, jotka muodostuvat useista biteistä.
Bittinegaatio on operaatio jossa bittijonon bitit käännetään siten, että nollat muutetaan ykkösiksi ja ykköset nolliksi. Operaattori on ~
Bittioperaatiot ovat oma operaatioluokkansa joiden yhteispiirre on se, että niissä käsitellään bittijonojen yksittäisiä bittejä. Kääntöoperaatiossa yhden jonon bitit käännetään nollista ykkösiksi ja toisin päin. Osa operaatioista suoritetaan kahden bittijonon välillä siten, että jonoissa samassa kohdassa olevat bitit vaikuttavat toisiinsa. Näitä ovat and (&), or (|) sekä xor (^). Lopuksi on vielä siirto-operaatiot (<< ja >>), joissa yhden bittijonon bittejä siirretään oikealle tai vasemmalle N askelta.
C:n funktiot ovat Pythonin funktioita staattisempia. Funktiolla voi olla vain yksi paluuarvo, jonka tyyppi määritellään funktion määrittelyssä. Samoin määritellään kaikkien parametrien tyypit. Funktiota kutsuttaessa argumenttien arvot sijoitetaan parametreille varattuihin muistipaikkoihin, joten funktio käsittelee eri arvoja kuin sitä kutsuva koodi.
Ulkopuolinen koodi sijaitsee C:ssä kirjastoissa (library), josta niitä voidaan ottaa käyttöön #include-direktiivillä. C:ssä on mukana sisäiset kirjastot sekä lisäksi voidaan käyttää ulkoisia kirjastoja - ne täytyy kuitenkin koodissa käyttöönoton lisäksi kertoa kääntäjälle käännösvaiheessa. Tyypillisesti kirjasto koostuu c-kooditiedostosta sekä otsikkotiedostosta (.h), joka kertoo mitä funktioita kirjastossa on.
C:n muuttujat ovat staattisesti tyypitettyjä, eli niiden tyyppi kiinnitetään esittelyn yhteydessä. Lisäksi C:ssä muuttuja on sidottu sille varattuun muistialueeseeen. Muuttuja ei voi myöskään muuttaa tyyppiään jälkikäteen.
Ehtolause on yksittäisen ehdon määrittelevä rivi koodissa, jota seuraa aaltosulkeilla merkitty koodilohko, joka määrittää miten ehdon toteutuessa tulee toimia. Varsinaisia ehtolauseita ovat if-lauseet, joka voi esiintyä myös else-avainsanan kanssa else if. Toisiinsa liitetyt ehtolauseet muodostavat ehtorakenteita.
Ehtorakenne on yhdestä tai useammasta toisiinsa liitetystä ehtolauseesta muodostuva rakenne, joka haarauttaa ohjelman suoritusta. Useimmissa ehtorakenteissa on vähintään kaksi haaraa: if ja else. Näiden välissä voi olla myös N kpl else if-lauseilla aloitettuja haaroja. On myös mahdollista, että ehtorakenteessa on pelkkä if-lause. Ehtorakenteessa kussakin haarassa on suoritettavaa koodia, joka kuvaa miten ohjelman tulee ehdon määrittelemässä tilanteessa toimia. Jokainen haara on oma koodilohkonsa, joka merkitään siis aaltosulkeilla.
Esikääntäjä on värkki joka käy koodin läpi suorittaen kaikki esikääntäjädirektiivit ennen varsinaista kääntämistä. Näihin kuuluvat mm. include-lauseet joilla koodiin lisätään siihen liitetyt kirjastot sekä define-lauseet joilla voidaan määritellä vakioita ja makroja.
Esikääntäjädirektiivit ovat ohjeita, jotka on tarkoitettu esikääntäjälle. Ne puretaan koodista pois ennen varsinaista kääntämistä. Esikääntäjädirektiivit alkavat #-merkillä. Yleisin näistä on include, joka vastaa Pythonin importia. Toinen yleinen on define, jolla tällä kurssilla määritetään vakioita.
Muuttujan esittely tarkoittaa sitä kun muuttujan olemassaolosta kerrotaan ensimmäistä kertaa. Tällöin määritetään muuttujan tyyppi ja nimi, esim. int luku;. Kun muuttuja esitellään, sille varataan paikka muistista, mutta muistiin ei vielä kirjoiteta mitään - muuttujassa on siis muistiin jäänyt arvo. Tästä syystä muuttujat on usein myös hyvä alustaa esittelyn yhteydessä.
Etumerkitön kokonaislukumuuttuja on kokonaisluku jonka kaikki arvot ovat positiivisia. Koska etumerkille ei tarvitse varata bittiä, etumerkittömällä kokonaisluvulla voidaan esittää itseisarvoltaan 2x suurempi luku kuin etumerkillisellä. Etumerkitön kokonaisluku määritetään lisäämällä kokonaislukumuuttujan esittelyyn unsigned-avainsana: unsigned int laskuri;
Heksadesimaaliluvut ovat 16-kantaisia lukuja, joita käytetään erityisesti muistiosoitteiden sekä muistin bittisisällön esittämiseen. Heksadesimaaliluvun edessä on tyypillisesti 0x, ja numeroiden lisäksi käytössä ovat kirjaimet A-F jotka vastaavat numeroja 10-15. Heksadesimaalilukuja käytetään koska yksi numero vastaa aina tasan neljää bittiä, joten muunnokset binääriin ja takaisin ovat helppoja.
Kirjasto on tyypillisesti yhteen rajattuun tarkoitukseen tehty työkalupakki, joka yleensä sisältää nipun funktioita. Kirjastot otetaan käyttöön include-esikääntäjädirektiivillä. Jos kirjasto ei kuulu C:n sisäänrakennettuihin, sen käyttöönotto täytyy myös kertoa kääntäjälle.
Kommentti on kooditiedostossa olevaa tekstiä, joka ohitetaan kun koodia suoritetaan. Kussakin kielessä on oma tapansa sille miten rivi merkitään kommentiksi. Pythonissa se on #-merkki, C:ssä //. Lisäksi C:ssä voi merkitä useita rivejä kommenteiksi kerralla - kommentti aloitetaan tällöin /*-merkkiparilla ja päätetään */-merkkiparilla. Kaikki näiden välissä tulkitaan kommentiksi.
Komplementti on negatiivisten lukujen esitystapa, jossa luvun etumerkki muutetaan kääntämällä sen kaikki bitit. Kahden komplementissa, jota tällä kurssilla käytetään, käännön jälkeen lisätään tulokseen 1. Tarkempaa tietoa löydät lukujärjestelmiä käsittelevästä oheismateriaalista.
Konekieli muodostuu käskyistä jotka laitteen prosessori ymmärtää. Konekieltä kutsutaan yleensä Assemblyksi ja se on alin taso jolla ihmisen on mielekästä antaa ohjeita tietokoneelle. Konekieltä käytetään tällä kurssilla loppuossa, joten siihen ei johdatuskurssia suorittavien tarvitse perehtyä.
Koodilohko on joukko koodirivejä, jotka kuuluvat jollain tavalla yhteen eli ne ovat samassa kontekstissa. Esimerkiksi ehtorakenteessa kunkin ehdon alla on oma koodilohkonsa. Samoin funktion sisältö on oma koodilohkonsa. Koodilohkot voivat sisältää muita koodilohkoja. Pythonissa koodilohkot erotetaan toisistaan sisennyksellä; C:ssä koodilohkon alku ja loppu merkitään aaltosulkeilla {}
Käskykanta määrittää mitä käskyjä laitteen prosessori osaa. Nämä käskyt muodostavat prosessoriarkkitehtuurin konekielen.
Kääntäjä on ohjelma, joka kääntää C-kielisen koodin konekieliseksi binääritiedostoksi, jonka tietokoneen prosessori osaa suorittaa. Kääntäjä myös tutkii koodin ja ilmoittaa siinä olevista virheistä sekä antaa varoituksia potentiaalisista ongelmista koodissa. Kääntäjän toimintaa voi ohjata lukuisilla asetuslipuilla.
Lause on ohjelmointikielessä nimitys yksittäiselle suoritettavalle asialle, joka on yleensä yksi koodirivi.
Looginen operaatio viittaa Boolen algebran operaatiohin, joissa käsitellään totuusarvoja. Tyypillisiä loogisia operaatioita ovat ehtolauseista tutut and, not ja or. C:ssä tunnetaan myös bittikohtaiset loogiset operaatiot jotka toimivat samalla logiikalla, mutta vaikuttavat jokaiseen bittiin erikseen.
Makro on alias, jolla määritetään tietty avainsana korvattavaksi koodinpätkällä. Hyvin käytettynä tällä voidaan joissain tilanteissa saada aikaan parempaa luettavuutta, mutta helposti käy toisin. Makroilla ei kannata tämän kurssin puitteissa leikkiä, kunhan tietää mistä on kyse jos niihin joskus törmää.
Merkki on nimensä mukaisesti yksi merkki. Merkki voidaan tulkita ASCII-merkkinä mutta sitä voidaan käyttää koodissa myös kokonaislukuna, koska se on pienin esitettävissä oleva kokonaisluku. Merkin koko on 1 tavu. Merkki merkitään yksinkertaisilla lainausmerkeillä, esim. 'c'.
Pythonissa kaikki teksti käsiteltiin merkkijonoissa, eikä siinä esim. ollut erillistä muuttujatyyppiä yksittäiselle merkille. C:ssä puolestaan ei ole varsinaista merkkijonomuuttujatyyppiä lainkaan - on ainoastaan merkeistä koostuvia taulukoita, joille on oma määrittelytapansa. Näillä taulukoilla on ennaltamäärätty pituus. "Merkkijonon" voi määritellä C:ssä char elain[5] = "aasi"; jossa numero kertoo merkkitaulukon koon ja on merkkien määrä + 1, koska lopetusmerkki '\0' lisätään tässä alustustavassa automaattisesti loppuun.
Metodi on funktio, joka on osa objektia eli objektin ominaisuus, jolla objekti usein muuttaa omaa tilaansa. Metodia kutsuttaessa käsiteltävä objekti tulee kutsun eteen: arvosanat.sort().
Kaikki suoritettavien ohjelmien käsittelemä data on tietokoneen muistissa ajon aikana. Tietokoneen muisti muodostuu muistipaikoista, joilla on muistiosoite sekä sisältö. Kaikki muistipaikat ovat saman kokoisia - jos talletettava tietomäärä on tätä suurempi, varataan useampi (peräkkäinen) muistipaikka.
Pythonissa objektit eroteltiin muuntuviin ja muuntumattomiin. Muuntumaton arvo oli sellainen, jonka sisältö ei voi muuttua - kaikki operaatiot jotka näennäisesti muuttavat arvoa tosiasiassa luovat siitä uuden kopion, joka yleensä sijaitsee uudessa muistipaikassa. Esimerkiksi merkkijonot olivat tyypillinen muuntumaton tyyppi Pythonissa. C:ssä tätä erottelua ei tarvita, koska muuttujien ja muistipaikkojen suhde on tiiviimpi - sama muuttuja osoittaa koko ohjelman suorituksen ajan tiettyyn muistipaikkaan.
Objekti, joskus myös olio, on Pythonissa yleistä terminologiaa. Kutsuimme objekteja pääasiassa arvoiksi alkeiskurssilla, mutta Pythonissa kaikkea voi käsitellä objekteina - tämä tarkoittaa, että mihin tahansa voidaan viitata muuttujilla (esim. funktion voi sijoittaa muuttujaan). Objekti-termiä käytetään tyypillisesti oliopohjaisissa kielissä (kuten Python). C ei kuulu tähän joukkoon.
Ohjausrakenne on yleisnimitys koodirakenteille, jotka hallitsevat jollain tavalla ohjelman suorituksen kulkua. Näihin rakenteisiin lukeutuvat ehtorakenteet sekä toistorakenteet. Myös poikkeusten käsittely voidaan lukea tähän joukkoon.
Koodin optimointi tarkoittaa sitä, että sen suorituskykyä parannetaan tyypillisesti joko vähentämällä aikaa, joka sen suoritukseen kuluu tai vähentämällä muistin käyttöä. Optimoinnista on hyvin tärkeää ymmärtää, että sitä ei koskaan kannata tehdä jos ei ole pakko - optimointia siis tehdään vasta kun koodi oikeasti toimii hitaasti tai kuluttaa liikaa muistia. Optimointia ei myöskään kannata tehdä sokkona - koodista tulee ensin tunnistaa mitkä ovat sen pullonkaulat eli ne osat jotka tuhlaavat eniten resursseja.
Osoitin (pointer) on C:ssä erityinen muuttujatyyppi. Osoitinmuuttuja sisältää muistiosoitteen, josta varsinainen arvo löytyy - ne toimivat siis tietyllä tapaa kuin Pythonin muuttujat. Muuttuja määritellään osoittimeksi lisäämällä tyypin perään * esittelyrivillä, esim. int* luku_os luo luku_os-muuttujan, joka on osoitin int-tyyppiseen arvoon. Osoittimen osoittaman muistialueen sisällön voi hakea käyttöön merkinnällä *luku_os ja vastaavasti jonkin muuttujan muistipaikan osoitteen saa merkinnällä &luku. Osoittimille on omistettu kokonainen materiaali (4).
Otsikkotiedot ovat C-koodissa ja erityisesti kirjastojen yhteydessä eräänlainen muotti koodista. Tyypillisen otsikkotieto on funktion prototyyppi, jolla kerrotaan mitä funktio palauttaa ja mitä argumentteja sille annetaan. Rivi on sama kuin funktion varsinainen määrittely. Muita otsikkotietoja ovat mm. tietotyyppien ja vakioiden määrittelyt. Otsikkotiedot voivat sijaita kooditiedoston alussa, mutta erityisesti kirjastojen osalta ne ovat yleensä erillisessä .h-tiedostossa.
Paikanpidin on merkkijonojen muotoilussa käytetty termi, jolla esitetään kohta merkkijonossa, johon sijoitetaan esim. muuttujan arvo ohjelman suorituksen aikana. Pythonissa format-metodia käytettäessä paikanpitimiä merkittiin aaltosulkeilla (esim. {:.2f}). C:ssä käytetään %-merkkiä jota seuraa paikanpitimen määrittely, josta erityisen tärkeä osa on muuttujatyypin määrittely. Esimerkiksi "%c" ottaa vastaan char-tyyppisen muuttujan.
Paluuarvo on nimitys arvolle tai arvoille jotka funktio palauttaa kun sen suoritus päättyy. C:ssä funktioilla voi olla vain yksi paluuarvo, Pythonissa niitä voi olla useita. Koodia lukiessa paluuarvoa voi käsitellä päässään siten, että funktiokutsun paikalle sijoitetaan funktion paluuarvo sen jälkeen kun funktio on suoritettu.
Parametri on funktion määrittelyssä nimetty muuttuja. Parametreihin sijoitetaan funktion saamat argumentit. Parametri on siis nimitys jota käytetään kun puhutaan arvojen siirtymisestä funktion näkökulmasta. Tätä erottelua ei aina tehdä, vaan joskus puhutaan pelkästään argumenteista.
Poikkeus on ohjelmointikielessä määritelty virhetilanne. Poikkeuksella on tyyppi (esim. TypeError), jota voi käyttää poikkeuksen käsittelyssä ohjelman sisällä sekä myös apuna virhetilanteen ratkaisussa. Tyypillisesti poikkeukseen liitetään myös viesti, joka kertoo mistä ongelmassa on kyse.
Prototyyppi määrittelee funktion paluuarvon tyypin, nimen sekä kaikki argumentit ennen funktion varsinaista esittelyä. Kunkin funktion prototyypin tulisi löytyä joko kooditiedoston alusta tai erillisestä otsikkotiedostosta (.h). Prototyypin määrittely on kopio funktion varsinaisesti määrittelyrivistä.
Merkkijonojen format-metodi on Pythonissa tehokas tapa sisällyttää muuttujien arvoja tulostettavaan tai tallennettavaan tekstiin. Merkkijonoon määritetään paikanpitimiä (esim: {:.2f}) joihin sijoitetaan format-metodin argumentit.
Python-funktiolla voi olla valinnaisia parametreja, joilla on asetettu oletusarvo. Argumenttien arvot siirtyvät parametreihin viittauksen kautta, joten funktion sisällä käsitellyt arvot ovat samoja kuin sen ulkopuolella käsitellyt - niillä on vain eri nimet. Python-funktiolla voi olla useita paluuarvoja.
Pythonin import-lauseella otettiin käyttöön moduuleja/kirjastoja - joko Pythonin mukana tulevia, muualta ladattuja tai itsekirjoitettuja. Pythonin import-lauseelle erityistä on, että oletuksena tuotuihin funktioihin ym. päästään käsiksi moduulin nimen kautta (esim. math.sin. C:ssä importia vastaa include, ja se tuo nimet suoraan ohjelman omaan nimiavaruuteen.
Interaktiivinen Python-tulkki tai Python-konsoli on ohjelma, johon voi kirjoittaa Python-koodirivejä. Nimitys "interaktiivinen" tulee siitä, että koodirivi suoritetaan välittömästi sen syöttämisen jälkeen, ja ohjelma näyttää käyttäjälle koodirivin tuottaman paluuarvon (esim. matemaattisen operaation tuloksen).
Pythonin lista osoittautui Ohjelmoinnin alkeissa hyvin tehokkaaksi työkaluksi. Se on järjestetty kokoelma arvoja. Listan monikäyttöisyys johtuu siitä, että sen koko on dynaaminen (eli suorituksen aikana muuttuva) minkä lisäksi se voi sisältää mitä tahansa arvoja - myös sekaisin. Samassa listassa voi siis olla useita erityyppisiä arvoja. Listat voivat tietenkin sisältää myös listoja tai muita tietorakenteita jne.
Kuten Ohjelmoinnin alkeissa opittiin, Python-muuttuja on viittaus arvoon, eli yhteys muuttujan nimen ja tietokoneen muistissa olevan arvon välillä. Python-muuttujilla ei ole tyyppiä, mutta arvoilla on. Arvon kelpaavuus kokeillaan koodia suorittaessa tilannekohtaisesti. Tässä suhteessa ne siis eroavat toiminnaltaan C:n muuttujista, ja niiden toiminta muistuttaa usein enemmän C:n osoittimia.
Pythonissa pääohjelma on se osa koodia, joka suoritetaan kun ohjelma käynnistetään. Pääohjelma sijaitsee tyypillisesti koodin lopussa, ja useimmiten if __name__ == "__main__":-lauseen alla. C:ssä ei ole varsinaista pääohjelmaa, siinä suoritus aloitetaan oletuksena main-nimisestä funktiosta.
Python-tulkki on ohjelma, joka muuttaa Python-koodin tietokoneelle annettaviksi ohjeiksi. Se vastaa niin kooditiedostojen kuin myös interaktiiviseen Python-tulkkiin kirjoitettujen komentojen suorittamisesta. Tällä kurssilla sanalla tulkki viitataan kuitenkin useimmiten nimenomaan interaktiiviseen Python-tulkkiin.
Pääfunktio on C:ssä ohjelman aloituspiste ja se korvaa Pythonista tutun pääohjelman. Oletuksena pääfunktion nimi on main ja se määritellään yksinkertaisimmillaan int main().
Resurssi viittaa laitteiston käytössä olevaan prosessoritehoon, muistiin, oheislaitteet jne. Se käsittää siis kaikki rajoitteet sille millaista ohjelmakoodia voidaan ajaa sekä sen, mitä ohjelmakoodilla voidaan tehdä. Tietokoneilla resurssit ovat ohjelmointiopiskelijan näkökulmasta aika rajattomat, mutta sulautetuilla järjestelmillä rajat voivat hyvinkin tulla vastaan.
C käyttää staattista tyypitystä. Se tarkoittaa sitä, että muuttujien tyypit määritellään kun ne luodaan ja muuttujaan ei voida sijoittaa erityyppistä arvoa. Lisäksi arvon kelvollisuus määritellään koodia suorittaessa sen tyypin perusteella (tai oikeastaan tämä tehdään jo käännösvaiheessa). Pythonissa taas käytetään dynaamista eli ankkatyypistystä.
Syntaksi (engl. syntax) on koodin kielioppi. Esimerkiksi Pythonin syntaksi määrittää, millainen teksti on tulkittavissa Python-koodiksi. Jos teksti ei noudata koodin syntaksia, sitä ei voida suorittaa tai C:n tapauksessa kääntää. Syntaksi antaa myös koodaajalle tietoa siitä, missä muodossa halutunlainen ohje tulee antaa.
Taulukko (array) on ohjelmointikielissä yleinen tietorakenne, joka sisältää useita (yleensä) samantyyppisiä arvoja. C:n taulukot ovat staattisia - niiden koko tulee määritellä taulukon esittelyn yhteydessä - ja taulukossa voi olla vain samantyyppisiä muuttujia (myös tyyppi määritellään esittelyssä).
Yhden muistipaikan koko on yksi tavu (byte) - tyypillisesti 8 bittiä. Tavu on siis pienin yksikkö joka voidaan osoittaa tietokoneen muistista. Muuttujien tyyppien varaamat muistialueet lasketaan tavuissa.
Terminaali, komentokehote ja komentorivi ovat eri nimiä käyttöjärjestelmän tekstipohjaiselle käyttöikkunalle. Windowsissa komentoriville pääsee kun kirjoittaa suorita...-ikkunaan cmd. Komentorivillä annetaan tekstikomentoja käyttöjärjestelmälle. Tällä kurssilla pääasiassa siirrytään cd-komennolla hakemistosta toiseen ja käytetään kääntäjää kooditiedostojen kääntämiseen sekä suoritetaan käännettyjä koodeja.
Tietorakenne on yleisnimitys kokoelmille jotka sisältävät useita arvoja. Pythonissa näitä olivat mm. lista, monikko ja sanakirja. C:ssä taas yleisimmät tietorakenteet ovat taulukot (array) ja tietueet (struct).
Tietokoneen muistissa oleva data on pelkästään bittejä, mutta muuttujilla on tyyppi. Tyyppi kertoo millä tavalla muistissa olevat bitit pitää tulkita. Se kertoo myös kuinka suuresta määrästä bittejä muuttujan arvo muodostuu. Tyyppejä ovat esim int, float ja char.
Tyyppimuunnos on operaatio jossa muuttuja muutetaan toisentyyppiseksi. Alkeiskurssilla tätä tehtiin pääasiassa int- ja float-funktioilla. C:ssä tyyppimuunnos merkitään hieman toisin: liukuluku = (float) kokonaisluku. Huomioitavaa on myös, että operaation tulos voidaan tallentaa ainoastaan muuttujaan jonka tyyppi on kohdetyyppiä (esimerkissä float). Pythonissa nähdyt luku = int(luku)-temput eivät siis onnistu.
Varoitusviesti on ilmoitus siitä, että ohjelman suorituksessa tai - erityisesti tällä kurssilla - sen kääntämisessä kohdattiin jotain epäilyttävää, joka saattaa johtaa virhetilanteisiin, mutta ei suoraan estä ohjelman käyttöä. Yleisesti ottaen kaikki varoitukset on syytä korjata ohjelman toiminnan vakauttamiseksi.
Virheviestiksi kutsutaan tietokoneen antamaa virheilmoitusta joko koodia kääntäessä tai ohjelmaa suorittaessa. Virheviesti tyypillisesti sisältää tietoa kohdatusta ongelmasta ja sen sijainnista.
C:ssä main-funktio on ohjelman suorituksen aloituspiste kun ohjelma käynnistetään. Ohjelman komentoriviargumentit tulevat main-funktiolle (mutta niitä ei ole pakko vastaanottaa), ja sen palautusarvon tyyppi on int. Lyhimmillään main-funktion voi siis määritellä: int main().
C:ssä yksi tulostustapa on printf-funktio, joka muistuttaa pääasiassa Pythonin print-funktiota. Sille annetaan tulostettava merkkijono, sekä lisäksi merkkijonoon sijoitettavat arvot mikäli on käytetty paikanpitimiä. Toisin kuin Pythonin print, printf ei automaattisesti lisää rivinvaihtoa, joten loppuun on yleensä syytä lisätä \n.
Silmukoista while pohjautuu toistoon ehdon tarkastelun kautta - silmukan sisällä olevaa koodilohkoa suoritetaan niin kauan kuin silmukalle annettu ehto on tosi. Ehto määritetään samalla tavalla kuin ehtolauseissa, esim: while (summa < 21).