Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

Способы создания операционных систем, как очевидные, так и едва различимые, определяют стиль разработки программного обеспечения в них. Материал данной книги помогает лучше понимать взаимосвязи между конструкцией операционной системы Unix и развившейся вокруг нее философией проектирования программ. Поэтому считаем полезным представить сравнение стилей проектирования и программирования, свойственных системе Unix, и тех, которые характерны для остальных крупных операционных систем.

3.1. Составляющие стиля операционной системы

Прежде чем рассматривать те или иные операционные системы, необходимо определить "точку отсчета" для анализа способов, с помощью которых проектирование операционных систем может положительно или отрицательно повлиять на стиль программирования.

В целом, стили проектирования и программирования, связанные с различными операционными системами, вероятно, определяются тремя факторами: (а) замыслы разработчиков операционных систем, (b) единообразные формы, повлиявшие на конструкции посредством затрат и ограничений в среде программирования и (с) случайное культурное течение, ранние практические приемы, ставшие традиционными просто потому, что они были первыми.

Даже если принять как данность, что в каждом из сообществ, сформированных вокруг отдельных операционных систем, проявляются случайные культурные течения, оценка замыслов проектировщиков, а также затрат и ограничений, действительно позволяет обнаружить некоторые интересные модели. Сравнение этих моделей может способствовать более точному пониманию Unix-стиля. Выявить их можно путем анализа некоторых из наиболее важных различий операционных систем.

3.1.1. Унифицирующая идея операционной системы

В операционной системе Unix имеется несколько унифицирующих идей или метафор, которые формируют ее API-интерфейсы и определяемый ими стиль разработки. Наиболее важными из них, вероятно, являются модель, согласно которой "каждый объект является файлом", и метафора каналов (pipes)[19], построенная на ее поверхности. Как правило, стиль разработки в определенной операционной системе строго обусловлен унифицирующими идеями, которые были заложены в данную систему ее разработчиками. Они проникают в прикладное программирование из моделей, обеспеченных системными инструментами и API-интерфейсами.

Соответственно, при сравнении Unix с другой операционной системой, прежде всего, необходимо определить, имеет ли она унифицирующие идеи, которые формируют ее разработку, и если да, то чем они отличаются от идей Unix.

Для того чтобы разработать систему, абсолютно противоположную Unix, следует отказаться от унифицирующей идеи вообще, и иметь только несогласованную массу узкоспециализированных функций.

3.1.2. Поддержка многозадачности

Одним из основных отличий операционных систем является степень, с которой они способны поддерживать множество конкурирующих процессов. Операционная система самого низкого уровня (например DOS или CP/M), в сущности, представляет собой последовательный загрузчик программ без многозадачных возможностей. Операционные системы такого типа в настоящее время не конкурентоспособны на неспециализированных компьютерах.

Для операционной системы более высокого уровня может быть характерна невытесняющая многозадачность (cooperative multitasking). Системы такого рода способны поддерживать множество процессов, однако при этом должно быть предусмотрено такое взаимодействие последних, когда один процесс произвольно "уступает" ресурсы процессора, прежде чем появится возможность запуска следующего процесса (таким образом, простые ошибки программирования могут привести к быстрой блокировке всей машины). Данный стиль операционных систем был временным переходным решением для аппаратного обеспечения, которое было достаточно мощным для поддержки конкурентных процессов, но испытывало либо недостаток периодических прерываний от таймера[20], либо недостаток в блоке управления памятью (memory-management unit), или то и другое. Многозадачность такого типа в настоящее время также является устаревшей и неконкурентоспособной.

В операционной системе Unix используется вытесняющая многозадачность (preemptive multitasking), при которой кванты времени распределяются системным планировщиком, который регулярно прерывает или вытесняет запущенный процесс для передачи управления следующему процессу. Почти все современные операционные системы поддерживают данный тип многозадачности.

Следует заметить, что понятие "многозадачная система" не тождественно понятию "многопользовательская система". Операционная система может быть многозадачной, но однопользовательской. В таком случае система используется для поддержки одной консоли и нескольких фоновых процессов. Истинная поддержка многопользовательской работы требует разграничений привилегий пользователей.

Для того чтобы создать систему, абсолютно противоположную Unix, вообще не следует поддерживать многозадачность или поддерживать, но испортить ее, окружая управление процессами множеством запретов, ограничений и частных случаев, при которых фактическое использование системы вне многозадачности весьма затрудняется.

3.1.3. Взаимодействующие процессы

В случае Unix малозатратное создание дочерних процессов (Process-Spawning) и простое межпроцессное взаимодействие (Inter-Process Communication — IPC) делают возможным использование целой системы небольших инструментов, каналов и фильтров. Данная система будет рассматриваться в главе 7; здесь необходимо указать некоторые последствия дорогостоящего создания дочерних процессов и IPC.

Канал был технически тривиален, но производил мощный эффект. Однако он никогда не стал бы простым без фундаментальной унифицирующей идеи процесса как автономной вычислительной единицы с программируемым управлением. В операционной системе Multics командный интерпретатор представлял собой просто другой процесс; управление процессами "не пришло свыше" вписанным в JCL.

Если операционная система характеризуется дорогостоящим созданием новых процессов и/или управление процессами является сложным и негибким, то, как правило, проявляются описанные ниже последствия.

• Более естественным способом программирования становятся монолитные гигантские конструкции.

• Большая часть политики должна быть реализована внутри этих монолитов. Это подталкивает к использованию С++ и замысловатой многослойной внутренней организации кода, вместо С и относительно простых внутренних иерархий.

• Когда процессы не могут избежать взаимодействия, они производят обмен данными посредством механизмов, которые являются громоздкими, неэффективными и небезопасными (например, с помощью временных файлов), или путем сохранения чрезмерно большого количества сведений о реализациях других процессов.

• Мультипроцессная обработка (multithreading) широко применяется для задач, которые в Unix обрабатывались бы с помощью множества сообщающихся друг с другом легковесных процессов.

• Возникает необходимость изучения и использования асинхронного ввода-вывода.

Существует ряд примеров общих стилистических особенностей (даже в прикладном программировании), которые возникают в связи с ограничениями операционной системы.

Неочевидным, но важным свойством каналов и других классических IPC-методов Unix является то, что они требуют такой уровень простоты обмена данными между программами, который побуждает разделение функции. Напротив, отсутствие эквивалента каналов проявляется в том, что взаимодействие программ может быть реализовано только путем внедрения в них полного объема сведений о внутреннем устройстве друг друга.

В операционных системах без гибкого IPC-механизма и прочной традиции его использования программы обмениваются данными путем совместного применения сложных структур данных. Поскольку проблему связи необходимо решать заново для всех программ каждый раз при добавлении новой программы в набор, сложность данного решения возрастает как квадрат числа взаимодействующих программ. Еще хуже то, что любое изменение в одной из открытых структур данных может вызвать неочевидные ошибки в неопределенно большом числе других программ.

Word, Excel, PowerPoint и другие программы Microsoft обладают детальными, можно сказать безграничными, знаниями о внутреннем устройстве друг друга. В Unix программист пытается разрабатывать программы не только для взаимодействия друг с другом, но и с еще не созданными программами.

Данная тема также затрагивается в главе 7.