Что такое среда выполнения?

Выполни console.log(typeof process) в Node.js, и он выведет object. Вставь ту же строку в консоль Chrome, и она выведет undefined. Язык в обоих местах один и тот же, JavaScript, но программа работает внутри двух разных сред выполнения, и каждая даёт ей разные инструменты.

console.log(typeof process);  // "object" in Node.js, "undefined" in a browser
console.log(typeof document); // "undefined" in Node.js, "object" in a browser

Что даёт среда выполнения

Твой код только описывает, что нужно сделать. Когда он работает, он опирается на слой программ, установленный ещё до того, как ты написал первую строку. Обычно в этом слое пять частей:

1. Исполняющий движок. Код кто-то должен выполнять: интерпретатор, виртуальная машина или JIT-компилятор. CPython, виртуальная машина Java (JVM) и V8 являются исполняющими движками.
2. Стандартная библиотека. Готовые функции для текста, математики, дат, файлов и сети, например модуль json в Python или пакет java.util в Java.
3. Управление памятью. Среда выполнения выделяет память под твои объекты, а в Python, Java и JavaScript освобождает её с помощью сборщика мусора, когда она больше никому не нужна.
4. Обработка ошибок. Когда что-то идёт не так, среда выполнения аккуратно останавливает программу и сообщает, где это случилось, в виде трейсбэка или стека вызовов.
5. Доступ к операционной системе. Чтение файлов, сетевые соединения, переменные окружения и аргументы командной строки проходят через среду выполнения, которая обращается к операционной системе от имени твоей программы.

Среду выполнения Python можно расспросить о ней самой:

import platform
import sys

print("Language version:", platform.python_version())
print("Implementation:", platform.python_implementation())
print("Operating system:", platform.system())
print("Max recursion depth:", sys.getrecursionlimit())
print("Modules already loaded:", len(sys.modules))

Ответы зависят от того, где работает код. На сервере с Linux platform.system() возвращает 'Linux', на Mac 'Darwin', а в Windows 'Windows'. Ограничение глубины рекурсии (по умолчанию 1000 в CPython) задаёт среда выполнения, а не язык Python, а десятки модулей, загруженных до твоей первой строки, показывают, как среда выполнения готовит себя к работе.

Java: JDK, JRE и JVM

В Java слои хорошо видны, потому что у каждого своё название:

Процесс такой: javac Main.java (инструмент из JDK, компилятор) превращает исходный код в Main.class, а java Main запускает JVM, которая загружает класс и выполняет его с библиотеками среды выполнения. Благодаря JVM один и тот же файл .class работает в Windows, macOS и Linux: у каждой операционной системы своя JVM, и все они понимают один и тот же байт-код.

Начиная с Java 11, Oracle поставляет только JDK, без отдельной загрузки JRE. Некоторые дистрибутивы, например Eclipse Temurin, по-прежнему публикуют пакет JRE. Если ты изучаешь Java, устанавливай JDK: в нём есть всё, что есть в JRE. Руководство установка Java проведёт через этот процесс.

JavaScript: браузер и Node.js

JavaScript создавался для работы внутри веб-страниц, поэтому его первой средой выполнения стал браузер. Среда выполнения браузера даёт твоему коду document страницы, window, таймеры и fetch для сетевых запросов, а прямой доступ к твоим файлам намеренно закрывает.

Node.js берёт движок V8 от Google из браузера и помещает его в другую среду выполнения: document там нет, зато есть модули вроде fs для файлов, http для серверов и объект process для переменных окружения и аргументов. Deno и Bun являются более новыми средами выполнения для того же языка со своими инструментами. Все они выполняют один и тот же базовый JavaScript; разница в том, что его окружает. Подробнее на страницах среда выполнения Node.js и цикл событий.

Python: CPython и другие

Когда говорят «установить Python», имеют в виду установку среды выполнения: интерпретатора CPython, стандартной библиотеки и pip для добавления пакетов. Для того же языка есть и другие среды выполнения. PyPy добавляет JIT-компилятор для скорости, а MicroPython настолько мал, что работает на микроконтроллерах.

Виртуальное окружение (python3 -m venv .venv) не является новой средой выполнения. Оно указывает на существующий интерпретатор и даёт одному проекту собственный набор установленных пакетов, чтобы два проекта могли использовать разные версии одной библиотеки. Смотри виртуальные окружения.

Время компиляции и время выполнения

Словом «runtime» называют и момент: период, пока программа работает, в отличие от времени компиляции, когда исходный код переводится. Ошибка, которую отвергает компилятор, является ошибкой времени компиляции; а та, что появляется только во время работы программы, например деление на ноль, называется ошибкой времени выполнения. Среда выполнения является программным окружением, которое присутствует во втором периоде.

Даже у C, который компилируется прямо в машинный код, есть небольшая среда выполнения. Программа на C начинается со стартового кода, который добавляет набор инструментов компилятора, а функции вроде printf и malloc берутся из стандартной библиотеки C (glibc в большинстве систем Linux, Universal C Runtime в Windows). Просто там нет ни виртуальной машины, ни сборщика мусора.

Распространённые заблуждения

• «Среда выполнения и есть операционная система». Операционная система управляет оборудованием для всех программ. Среда выполнения является слоем одной программы поверх неё. JVM сама является программой, которую запускают Windows, macOS или Linux; она их не заменяет.
• «Node.js является языком или фреймворком». Node.js является средой выполнения для JavaScript. Фреймворки вроде Express представляют собой библиотеки, которые работают внутри неё.
• «Установка IDE устанавливает и среду выполнения». В VS Code нет ни Python, ни Java. Редактор и среда выполнения устанавливаются отдельно, хотя некоторые IDE, например IntelliJ IDEA, могут скачать JDK за тебя.
• «Один язык ведёт себя везде одинаково». Возможности, которые даёт среда выполнения, например доступ к файлам, ограничения по умолчанию и доступные модули, могут отличаться. Именно поэтому код, работающий в Node.js, может сломаться в браузере.

Что изучить дальше

Исполняющим движком в большинстве сред выполнения служит интерпретатор, и на той же странице он сравнивается с компилятором. Под любой средой выполнения лежит операционная система. Чтобы попрактиковаться в среде выполнения, с которой ты ещё не работал, начни курс Java или курс JavaScript.