Ohjelmointi tarkoittaa tietokoneohjelman kirjoittamista. Tietokone suorittaa vain konekielisiä ohjelmia. Konekieli on ihmiselle vaikeaselkoista, joten ihmiset eivät kirjoita ohjelmia konekielellä vaan jollakin ohjelmointikielellä. Tätä ihmisen kirjoittamaa "tekstiä" kutsutaan lähdekoodiksi (tai koodiksi). Tämän vuoksi ohjelman kirjoittamista kutsutaan myös koodaamiseksi.

Kuten sanottu tietokone ei siis osaa suorittaa ihmisen kirjoittamaa lähdekoodia, vaan se on ensin muutettava konekieliseksi. Muuttaminen voi tapahtua joko kääntäjän tai tulkin avulla. Kääntäminen tarkoittaa sitä, että kääntäjäksi kutsuttu tietokone-ohjelma lukee lähdekoodin sisältävän tiedoston ja muodostaa sen perusteella uuden tiedoston, joka on konekielinen. Tämä konekielinen tiedosto voidaan nyt suorittaa tietokoneella, eikä sen suorittamiseksi tarvita enää lähdekoodia, eikä kääntäjää. Kääntäjän muodostama konekielinen tiedosto voidaan siirtää toiseen koneeseen ja suorittaa siinä vaikkei tässä koneessa ole mainittua kääntäjää eikä lähdekoodia.

C-kielen kääntäjiä ovat esimerkiksi GCC:n C-kääntäjä (komento gcc), Clang (komento clang) ja Microsoftin MSVC (komento cl). GCC ja Clang ovat käytettävissä useissa käyttöjärjestelmissä, ja MSVC:tä käytetään Windowsissa esimerkiksi Visual Studion yhteydessä. Kääntäjä on eri asia kuin koodieditori: editorilla kirjoitetaan lähdekoodi, ja kääntäjä muuntaa sen konekieleksi.

Tulkitseminen tarkoittaa sitä, että uutta erillistä tiedostoa (konekielistä) ei muodosteta, vaan aina kun ohjelma suoritetaan tulkki lukee lähdekoodin ja antaa konekielisen koodin tietokoneen suoritettavaksi ikään kuin lennosta. Tällä tavalla luodun sovelluksen voi suorittaa vain koneessa, jossa on mainittu tulkki.

Osa ohjelmointikielistä on käännettäviä ja osa tulkittavia. Käännettäviä ohjelmointikieliä ovat esimerkiksi C ja C++. Java ja C# käännetään yleensä välikieleksi, joka suoritetaan ajonaikaisessa ympäristössä. Tulkittavia kieliä ovat esimerkiksi Python ja PHP. JavaScript suoritetaan yleensä selaimen tai muun ajonaikaisen ympäristön avulla.

Lähdekoodi on ihmisen kirjoittamaa ohjelmakoodia, joka on kirjoitettu jollain ohjelmointikielellä, kuten C, Python tai Java. Se sisältää ohjelman ohjeet ja logiikan ja se täytyy kääntää tai tulkata, jotta tietokone voi suorittaa sen.

C-ohjelman muodostamisesta lähdekoodista suoritettavaksi sovellukseksi kerrotaan tarkemmin sivulla C-ohjelmoinnin aloittaminen.

Tietokoneohjelman eli sovelluksen kannalta tietokoneen keskeisimmät osat ovat prosessori, kiintolevy ja keskusmuisti (RAM). Käyttäjän kirjoittama lähdekoodi ja kääntäjän tuottama konekielinen tiedosto tallennetaan kiintolevylle, jossa tiedostot säilyvät myös koneen sammuttamisen jälkeen. Kun ohjelma käynnistetään, se tai osa siitä ladataan keskusmuistiin. Keskusmuisti on jaettu tavun (8 bittiä) kokoisiin lohkoihin eli muistipaikkoihin. Suoritin suorittaa ohjelmaa lukemalla peräkkäisiä muistipaikkoja alueelta, johon ohjelmakoodi on tallennettu, ja tulkitsemalla lukemansa bittijonot konekielisiksi käskyiksi. Kullakin muistipaikalla on osoite, jota tarvitaan kertomaan suorittimelle, mistä muistipaikasta sen tulee kulloinkin lukea tietoa.

Oheinen kuva havainnollistaa keskusmuistin rakennetta ja muistipaikkojen osoitteita. Kuhunkin muistipaikkaan voi siis tallentaa yhden tavun eli 8 bittiä.

Seuraavassa esimerkissä luodaan merkkityyppinen muuttuja nimeltään myVariable ja sen arvoksi sijoitetaan a-kirjain. Sitten tulostetaan:

• muuttujan arvo
• muuttujan osoite
• muuttujan arvo desimaalimuodossa

Alla on esimerkin lähdekoodi:

#include <stdio.h>

int main()
{
    char myVariable='a';
    printf("Muuttujan myVariable arvo = %c\n",myVariable);
    printf("Muuttujan myVariable osoite = %p\n",&myVariable);
    printf("Muuttujan myVariable arvo desimaalimuodossa = %d\n",myVariable);

    return 0;
}

Ja ohjelma tulostaa seuraavat rivit:

Muuttujan myVariable arvo = a
Muuttujan myVariable osoite = 00000065eb7ff92f
Muuttujan myVariable arvo desimaalimuodossa = 97

Nyt tietokoneen muistissa on seuraavanlainen data

Binääriluku 0110 0001 on desimaalimuodossa luku 97. ASCII-merkkikoodauksessa se vastaa merkkiä a. ASCII-merkit löytyvät esimerkiksi sivulta https://www.asciitable.com/

Huomaa:

• Desimaaliluku arkikielessä tarkoittaa usein lukua, jossa on desimaaliosa, kuten 3,14.
• Desimaalimuoto tietotekniikassa tarkoittaa kymmenjärjestelmän mukaista esitystä.
• Edellä 00000065eb7ff92f on heksadesimaaliluku.

Tämän kurssin kannalta heksadesimaalilukujen ymmärtäminen ei ole tärkeää, mutta voit lukea niistä sivulta https://fi.wikipedia.org/wiki/Heksadesimaalij%C3%A4rjestelm%C3%A4

RAM-muisti (Random Access Memory) eli keskusmuisti on tietokoneen nopea työmuisti, jossa säilytetään käynnissä olevien ohjelmien käskyjä ja niiden käsittelemää tietoa. Sen sisältö katoaa, kun virta katkaistaan, joten pysyvästi säilytettävät tiedot tallennetaan esimerkiksi SSD-levylle.

Ohjelman käyttämään muistiin kuuluu muun muassa pinomuisti ja kekomuisti. Niiden lisäksi muistissa on esimerkiksi ohjelmakoodia sekä globaaleja ja staattisia muuttujia. Nykyaikaisissa käyttöjärjestelmissä ohjelma käyttää yleensä virtuaalimuistia, jonka käyttöjärjestelmä yhdistää fyysiseen RAM-muistiin.

#include <stdlib.h>

int *dyn = malloc(100 * sizeof *dyn); // varataan tilaa 100 int-arvolle
if (dyn == NULL) {
    // Muistinvaraus epäonnistui: lopetetaan ohjelma.
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// Varattu muisti on alustettava ennen sen arvojen lukemista.
free(dyn); // vapautetaan varattu muisti

Swappauksessa käyttöjärjestelmä siirtää muistissa olevaa tietoa väliaikaisesti levyllä olevaan swap-tilaan tai sivutustiedostoon ja palauttaa sen RAM-muistiin tarvittaessa. Näin RAM-muistia vapautuu muuhun käyttöön. Sivutus puolestaan tarkoittaa muistin hallintaa kiinteänkokoisina sivuina, eikä se itsessään edellytä tietojen siirtämistä levylle. Levylle siirtäminen voi auttaa, kun RAM-muisti käy vähiin, mutta runsas swappaus hidastaa ohjelmia, koska levy on RAM-muistia huomattavasti hitaampi.

Swap-tilan käyttö näkyy käyttöjärjestelmän resurssienhallinnassa, ja sen määrää voidaan yleensä säätää erikseen järjestelmän asetuksista.