Искусство программирования для Unix - Реймонд Эрик Стивен

В ранние дни Unix данную рекомендацию сочли бы еретической. В то время процессоры были гораздо медленнее, а соотношения затрат сильно отличались. Кроме того, модель использования Unix больше склонялась к серверным операциям. Отчасти отметить значение низкой задержки необходимо потому, что даже более молодые Unix-разработчики иногда наследуют давние культурные предубеждения по поводу оптимизации по пропускной способности. Однако времена изменились.

Разработаны три общие стратегии сокращения задержки: (а) пакетные транзакции, способные распределить начальные затраты, (b) разрешение совмещения транзакций и (с) кэширование.

12.4.1. Пакетные операции

Графические API-интерфейсы часто пишутся в предположении, что фиксированные начальные затраты для обновления физического экрана достаточно высоки. Следовательно, операции записи фактически модифицируют внутренний буфер. Программисту придется решить, когда накоплено достаточное количество обновлений, и использовать вызов, который превратит их в обновление физического экрана. Верный выбор промежутка времени между физическими обновлениями может создавать значительные различия в восприятии графических клиентов. Таким способом организованы как Х-сервер, так и библиотека curses(3), используемая в rogue-подобных программах.

Постоянные служебные демоны представляют собой более характерный для Unix пример пакетирования. Существует две причины для написания постоянно работающих демонов (в противоположность CLI-серверам, которые запускаются заново для каждого сеанса) — очевидная и неочевидная. Очевидной причиной является управление обновлениями общего ресурса. Менее очевидная причина, которая имеет место даже для демонов, не обрабатывающих обновления, заключается в том, что при многочисленных запросах сокращаются затраты на чтение в базе данных демона. Идеальным примером такого демона является DNS-служба named(8), которая нередко должна обрабатывать тысячи запросов в секунду, каждый из которых может фактически блокировать загрузку Web-страницы пользователем. Одна из тактик, делающих named(8) быстрой службой, заключается в том, что в ней дорогостоящие операции анализа дисковых текстовых файлов, описывающих DNS-зоны, заменяются доступом к кэшу, который содержится в памяти.

12.4.2. Совмещение операций

В главе 5 сравнивались протоколы РОРЗ и IMAP для опроса удаленных почтовых серверов. При этом было отмечено, что IMAP-запросы (в отличие от РОРЗ-запросов) маркируются идентификатором запроса, сгенерированным клиентом. Сервер, отправляя обратно ответ, включает в него метку запроса, к которому относится данный ответ.

РОРЗ-запросы должны обрабатываться клиентом и сервером в строгом порядке. Клиент отправляет запрос, ожидает ответ на данный запрос и только после его получения может подготовить и отправить следующий запрос. IMAP-запросы, с другой стороны, маркируются, поэтому их передачу можно совместить. Если IMAP-клиенту известно, что требуется доставить несколько сообщений, то он может отправить IMAP-серверу поток из нескольких запросов на доставку (каждый со своей меткой), не ожидая ответов между ними. Маркированные ответы отправятся обратно, как только сервер будет готов. Ответы на более ранние запросы могут поступить в то время, когда клиент все еще отправляет более поздние запросы.

Описанная стратегия является распространенной не только в области сетевых протоколов. Когда требуется сократить задержку, блокировка или ожидание немедленных результатов — крайне неэффективные методы.

12.4.3. Кэширование результатов операций

Иногда можно получить оба преимущества (низкую задержку и хорошую пропускную способность) путем вычисления дорогостоящих результатов по мере необходимости и их кэширования для последующего использования. Выше было сказано, что в службе named задержка сокращается путем пакетирования. Кроме того, задержка в named уменьшается с помощью кэширования результатов предыдущих транзакций с другими DNS-серверами.

Кэширование имеет собственные проблемы и компромиссные решения, которые хорошо иллюстрируются одним примером: использование двоичного кэша для устранения издержек синтаксического анализа, связанного с файлами текстовых баз данных. В некоторых вариантах операционной системы Unix данная методика использовалась для ускорения доступа к парольной информации (обычным обоснованием было сокращение задержки при регистрации в системе на очень крупных узлах).

Для того чтобы обеспечить соответствующую отдачу от использования данной методики, необходимо чтобы весь код, обращающийся к бинарному кэшу, проверял временные метки на обоих файлах и обновлял кэш в случае, если мастер-текст имеет более позднюю метку. С другой стороны, все изменения мастер-текста должны выполнятся посредством упаковщика, который обновляет двоичный формат.

Несмотря на то, что данный подход оказывается работоспособным, он обладает всеми недостатками, которые можно ожидать при нарушении правила SPOT. Дублирование данных означает, что в результате не будет никакой экономии пространства, т.е. это исключительно оптимизация скорости. Однако реальная проблема данного подхода заключается в том, что код для обеспечения когерентности между кэшем и мастер-текстом печально известен как "текучий" и чреватый ошибками. Очень частое обновление файлов кэша может привести к неочевидной конкуренции просто ввиду односекундного разрешения временных меток.

Но когерентность все-таки можно гарантировать в простых случаях. Одним из них является интерпретатор языка Python, который компилирует и сохраняет на диске файл р-кода с расширением . рус, когда файл библиотеки Python импортируется впервые. При последующих проходах кэшированная копия р-кода загружается, в случае если источник с тех пор не изменялся (это позволяет избежать повторного синтаксического анализа исходного кода библиотеки при каждом проходе). Подобная методика используется в Emacs Lisp (файлы .el и . elc). Данная методика работоспособна, так как доступ для чтения и для записи кэша осуществляется посредством одной программы.

Однако, когда модель обновления главных файлов более сложна, код обеспечения синхронизации склонен к утечкам. Unix-варианты, использующие данную методику для ускорения доступа к критически важным системным базам данных, имели дурную репутацию среди системных администраторов.

Как правило, файлы бинарного кэша являются хрупкой методикой, и, вероятно, будет лучше избегать их использования. Усилия, затраченные на реализацию специализированных средств для сокращения задержки, в данном случае было бы целесообразнее направить на совершенствование конструкции приложения, так чтобы в ней не было "бутылочного горлышка", или даже на тонкую настройку для повышения скорости файловой системы или реализации виртуальной памяти.

Если ситуация на первый взгляд требует использования методики кэширования, то разумно будет взглянуть на уровень глубже и ответить на вопрос: почему вообще понадобилось кэширование? Решение данной проблемы вполне может оказаться не сложнее, чем правильное решение всех граничных случаев в кэширующем программном обеспечении.

13 Сложность: просто, как только возможно, но не проще

Все следует делать так просто, как только возможно, но не проще. —Альберт Эйнштейн

В конце главы 1 философия Unix была сведена к общему принципу — K.I.S.S. (Keep It Simple, Stupid! Будь проще!). В части "Проектирование" данной книги одной из ключевых тем была важность сохранения максимально возможной простоты конструкции и реализации. Однако, что значит "просто, как только возможно"?

Рассмотрение данного вопроса откладывалось до настоящей главы потому, что простота — комплексное понятие. В качестве теоретической основы при изучении данной темы необходимы некоторые идеи, которые были сформулированы ранее в части "Проектирование", особенно в главах 4 и 11.