Atenção: Se está buscando uma resposta focando apenas na camada high-level da coisa, pule para a segunda parte dessa resposta. Se você quer realmente saber quem faz as operações de soma, subtração e outras, continue lendo a resposta partir daqui.
De forma bem simples, podemos dizer que quem faz os cálculos é o processador. No entanto, o processador é na verdade um conjunto de componentes como o PC, ALU, UC, registradores e outros, que dá vida ao computador. Então, aqui vai uma explicação mais detalhada sobre o assunto.
Sendo mais específico, quem realiza os cálculos é um componente do processador chamado ALU (Arithmetic Logic Unit), que é responsável por realizar todas operações matemáticas do processador. Porém, é possível ir ainda mais a fundo. Dentro da ALU nós temos vários subcircuitos e, um deles, é o adder. Esse subcircuito, como o nome já diz, é responsável por fazer a soma de dois binários de N bits.
Essa soma é feita utilizando as portas lógicas XOR e AND, retornando os seguintes valores:
Bit 1 |
Bit 2 |
Result (porta XOR) |
Carry (porta AND) |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
Esse carry
é o nosso famoso "vai um". Se somarmos dois bits 1, teremos o resultado dois em decimal, e em binário 10. Nesse caso, o result
seria 0 e o carry
(vai um) seria o 1. É importante saber disso pois, diferentemente do que muitos pensam, não é possível realizar somas "infinitas" com computadores. Isso porque, computadores possuem uma limitação física. Literalmente!
E aqui vai a resposta final, que explodiu minha mente quando eu descobri, sobre como as somas são realizadas. Por fios, individualmente!
Cada bit dos binários é somado individualmente, utilizando aquela tabela, através de um somador de bits, e o resultado final da soma é obtido a partir dessas N somas. Veja o exemplo abaixo:
binario_1 = 01110
binario_2 = 00101
0 | 1 | 1 | 1 | 0 <-- Vai um (carry)
--+---+---+---+---
0 | 1 | 1 | 1 | 0 <-- Binário 1
0 | 0 | 1 | 0 | 1 <-- Binário 2
--+---+---+---+---
1 | 0 | 0 | 1 | 1 <-- Resultado
Cada coluna acima representa um somador de bit. E cada bit é literalmente um fio. Sendo assim, podemos ter um circuito que recebe, por exemplo, dois valores binários de 8 fios e retorna um valor binário de 8 fios. Em outras palavras, se seu computador é 64 bits, significa que para cada valor, existem 64 fios passando pelos componentes, e a soma de dois binários exigem 64 somadores de bits. Já pensou em somar dois valores com 64 dígitos? Loucura né?
Mas aqui vai uma pergunta: e se ultrapassar? E se a soma for 11111111 + 11111111
? Não é possível adicionar fios dinamicamente ao computador, sempre que necessário. Então o que acontece quando isso ocorre? Simples! ERROR!! Assim como o somador de bits possui uma saída para o carry
, o somador de binários também possui. E essa saída é chamada de "indicador de overflow".
Lembra alguma coisa? Exatamente! É essa a saída responsável por gerar um OverflowError bem grande e vermelho na sua tela. Como não seria possível adicionar aquele último bit ao resultado, por uma limitação física, o resultado seria incorreto, e você não quer ter valores incorretos certo?
Por isso, esse erro, apesar de chato, é bem importante que ocorra. E para fins de curiosidade, em uma arquitetura 64 bits, o resultado da soma dos valores, em decimal, deve ser maior ou igual à 264 ou 18_446_744_073_709_551_616
, para que um overflow ocorra.
E só para complementar, subtrações ocorrem da mesma forma que as somas. Isso porque a subtração no computador é na verdade uma soma. É... bem estranho, não?
O que ocorre é uma transformação do valor binário, em sua representação, para que a soma seja possível. Existem três tipos de representação: Complemento de 1, Complemento de 2 e S-M.
Atualmente, os computadores utilizam a representação de Complemento de 2, para evitar certas anomalias que ocorrem nas outras representações. Essa representação funciona da seguinte forma:
- Valor positivo: O binário continua o mesmo.
- Valor negativo: Inverte os bits do binário e soma 1 ao valor.
Ou seja, nessa representação, o valor 5
é 0101
, e o valor -5
é 1010 + 1 = 1011
. Na matemática, o que é uma subtração X - Y
? É basicamente a soma X + (-Y)
.
É exatamente esse o conceito utilizado pelo computador na hora do cálculo. Ele negativa o valor e soma com o outro. Sendo assim, a subtração 5 - 10
seria feita da seguinte forma:
00101 - 01010 => 00101 + (10101 + 1) => 00101 + 10110 = 11011
O resultado dessa operação é -5
em Complemento de 2. Você pode conferir isso transformando o valor para positivo, seguindo aqueles mesmos passos de inverter os bits e somar 1 ao binário.
Dessa forma, não é necessário criar um circuito novo para que o computador realize operações de subtração. Ele pode simplesmente reutilizar o circuito de soma, negativando o valor da direita e/ou o valor da esquerda. E vale ressaltar que o mesmo ocorre para as outras representações. O que muda são suas transformações de valores, de positivo para negativo.
Detalhe: Para saber se um valor é positivo ou negativo, em qualquer representação, até mesmo no padrão IEEE-754, basta olhar o primeiro bit (MSB). Se for 0 é positivo, se for 1 é negativo.
Saindo do hardware e voltando para o nosso confortável high-level (ou nem tanto assim), agora que já entendemos a origem, vamos falar das linguagens de programação.
Nesse exemplo da sua pergunta, o que nós temos não é exatamente uma "operação" sendo feita, mas sim uma instrução. E pode parecer extremamente óbvio isso, mas acho que precisava ser dito.
Como já vimos, temos uma máquina pronta para uso, com todas as ferramentas para realizar cálculos disponíveis. Mas e aí? Como manipulá-la? Simples! Usamos uma linguagem de programação como JS, C#, Java, Rust, Python, etc. Né!? Éééééé... mais ou menos.
De fato, através dessas linguagens, conseguimos criar instruções e assim construir programas a serem executados. Mas não são elas que fazem isso.
Toda CPU é construída seguindo uma arquitetura. Entenda a CPU como um "programa", só que ao invés de ter código, ele possui circuitos. Ela é preparada para utilizar seus componentes através de instruções em um X formato.
Um exemplo legal que posso dar foi meu trabalho da faculdade. O professor pediu para criar uma arquitetura em que a CPU trabalhasse com instruções no formato <4 bits operação><2 bits endereço_1><2 bits endereço_2>
e deu uma lista de operações a serem implementadas na CPU.
Por exemplo:
Operação |
Representação binária |
Soma |
0100 |
Subtração |
0101 |
Multiplicação |
0110 |
Divisão |
0111 |
Isso significa que se o processador recebesse a instrução 01101011
, ele deveria multiplicar os valores dos registradores nos endereços 10
e 11
.
A propósito, o "parse" das instruções é feita no componente UC (Control Unit), caso tenha interesse em saber quem interpreta a instrução binária.
Como você deve ter notado, a partir daí conseguimos criar uma sequência de instruções binárias a serem executadas pela CPU. E esse é o mais low-level que você pode chegar em programação.
As outras linguagens, que utilizamos diariamente, seja linguagem low-level ou high-level são apenas formas de criar instruções fáceis de escrever, ler e entender, para que depois possam ser traduzidas para aquele tipo de instrução, chamado linguagem de máquina ou código binário, através de um compilador.
E vale ressaltar que compiladores não necessariamente convertem o código para linguagem de máquina. Os compiladores, como do C# ou Java por exemplo, podem compilar o código primeiro para uma linguagem, que não a de máquina, para a ser interpretada por um software, que irá compilar as instruções em tempo de execução.