Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

Кроме наличия собственных архитектурных преимуществ серверной операционной системы, Unix всегда скептически относилась к целевой аудитории. Разработчики и создатели никогда не допускали, что знают все потенциально возможные способы применения системы.

Следовательно, конструкция операционной системы Unix проявила гораздо большие возможности по модернизации в качестве клиента, чем любая из клиентских операционных систем-конкурентов продемонстрировала возможности по модернизации в качестве сервера. Хотя возрождению Unix в 90-х годах прошлого века способствовало и множество других факторов, как технологических, так и экономических, но именно вышеупомянутые возможности выходят на первый план при обсуждении стиля проектирования операционных систем.

Часть II

Проектирование

4

Модульность: четкость и простота

Есть два способа конструирования программного обеспечения. Один из них заключается в том, чтобы создавать такие простые программы, в которых нет недостатков; другой — в том, чтобы создавать программы настолько сложные, чтобы в них не было очевидных недостатков. Первый метод значительно труднее.

Существует естественная иерархия методов разделения кода на блоки, которая развивалась по мере того, как программистам приходилось управлять возрастающими уровнями сложности. Вначале все программы представляли собой огромную глыбу машинного кода. Ранние процедурные языки внесли понятие разделения на подпрограммы. Затем были изобретены служебные библиотеки для совместного использования общих полезных функций между множеством программ. После этого были разработаны отдельные адресные пространства и взаимодействующие процессы. В настоящее время не вызывает удивления тот факт, что программные системы распределяются среди множества узлов, разделенных тысячами миль сетевого кабеля.

Ранние разработчики Unix были в числе первопроходцев модульности программного обеспечения. До их прихода правило модульности было теорией компьютерной науки, но не инженерной практикой. В книге "Design Rules" [2], радикальном учении об экономических основах модульности в инженерном дизайне, авторы используют развитие компьютерной индустрии в качестве учебного примера и доказывают, что сообщество Unix фактически было первым в систематическом применении модульной декомпозиции в производстве программного обеспечения в отличие от аппаратного обеспечения. Модульность аппаратного обеспечения, несомненно, была одной из основ инженерии с момента принятия стандартной винтовой резьбы в конце 19-го столетия.

Здесь следует акцентировать внимание на правиле модульности: единственным способом создания сложного программного обеспечения, которое будет надежно работать, является его построение из простых модулей, соединенных четкими интерфейсами, с тем чтобы большинство проблем были локальными, а также была большая вероятность наладки или оптимизации какой-либо его части без нарушения конструкции в целом.

Традиция заботиться о модульности и уделять пристальное внимание проблемам ортогональности и компактности до сих пор среди Unix-программистов проявляется гораздо ярче, чем в любой другой среде.

Программисты ранней Unix стали мастерами модульности, поскольку были вынуждены сделать это. Операционная система является одним из наиболее сложных блоков кода. Если она не структурирована должным образом, то она развалится. Было несколько неудачных попыток построения Unix. Можно было бы отнести это на счет раннего (еще без структур) С, однако в основном это происходило ввиду того, что операционная система была слишком сложна в написании. Прежде чем мы смогли "обуздать" эту сложность, нам потребовалось усовершенствование инструментов (таких как структуры С)и хорошая практика их применения (например, правила Роба Пайка для программирования).

Первые Unix-хакеры решали данную проблему различными способами. В 1970 году вызовы функций в языках программирования были очень затратными либо ввиду запутанной семантики вызовов (PL/1, Algol), либо из-за того, что компилятор был оптимизирован для других целей, например, для увеличения скорости внутренних циклов за счет времени вызова. Таким образом, код часто писали в виде больших блоков. Кен и несколько других первых Unix-разработчиков знали, что модульность является хорошей идеей, однако они помнили о PL/1 и неохотно писали небольшие функции, чтобы не снизить производительность.

Деннис Ритчи поддерживал модульность, повторяя всем без исключения, что вызовы функций в С крайне, крайне малозатратны. Все начали писать небольшие функции и компоновать программы из модулей. Через несколько лет выяснилось, что вызовы функций оставались дорогими на PDP-11, а код VAX часто тратил 50% времени на обработку инструкции CALLS. Деннис солгал нам! Однако было слишком поздно; все мы попались на удочку...

Всех сегодняшних программистов, пишущих для Unix или других операционных систем, учат создавать модули внутри программ на уровне подпрограмм. Некоторые учатся делать это на уровне модулей или абстрактных типов данных и называют это "хорошим программированием". Сторонники использования моделей проектирования прилагают благородные усилия для повышения уровня разработки и создают все новые успешные абстрактные модели, которые можно применять для организации крупномасштабной структуры программ.

Здесь авторы не предпринимают попытки слишком подробно осветить все вопросы, связанные с модульностью внутри программ: во-первых, потому, что данная тема сама по себе является предметом целого тома (или нескольких томов), и, во-вторых, ввиду того, что настоящая книга посвящена искусству Unix-программирования.

Здесь более конкретно рассматриваются уроки Unix-традиции, связанные с правилом модульности. В данной главе рассматривается разделение внутри процесса. Далее, в главе 7, будут рассматриваться условия, при которых следует разделять программы на множество взаимодействующих процессов, а также более специфические методики для осуществления такого разделения.

4.1. Инкапсуляция и оптимальный размер модуля

Первым и наиболее важным качеством модульного кода является инкапсуляция. Правильно инкапсулированные модули не открывают свое внутренне устройство друг другу. Они не обращаются к центральной части реализации друг друга, кроме того, они не используют глобальные данные беспорядочно. Они осуществляют связь друг с другом посредством программных интерфейсов приложений (API) — компактных, четких наборов вызовов процедур и структур данных. Именно об этом гласит правило модульности.

API-интерфейсам между модулями отведена двойная роль. На уровне реализации они функционируют как заслонка между модулями, которая предотвращает воздействие внутренних данных модулей на соседние модули. На уровне проектирования именно API-интерфейсы (а не описание структур данных между ними) действительно определяют структуру программ.

Хороший способ проверить правильность проектирования API-интерфейса — определить, будет ли ясен смысл, если попытаться описать API обычным человеческим языком (без демонстрации фрагментов исходного кода)? Весьма целесообразно выработать привычку писать неформальные описания для API-интерфейсов до их кодирования. Более того, некоторые из наиболее способных разработчиков начинают с определения интерфейсов и написания кратких комментариев для них, а затем пишут код, поскольку процесс написания комментариев разъясняет задачи, возлагаемые на код. Подобные описания помогают организовать мышление разработчика, а также создают полезные комментарии для модулей, и в конечном итоге их можно включить в справочный документ для будущих читателей кода.

Чем дальше проводится декомпозиция модулей, тем меньше становятся блоки и более важными определения API-интерфейсов, Сокращается глобальная сложность и, как следствие, уязвимость относительно ошибок. С 70-х годов прошлого века общепринятым правилом (описанном в статьях, подобных [61]) стало проектирование программных систем в виде иерархий вложенных модулей, с сохранением минимального размера модулей на каждом уровне.

Возможно, однако, что подобное разбиение на модули будет слишком строгим и приведет к появлению очень маленьких модулей. Доказано [33], что при построении диаграммы плотности дефектов относительно размера модуля, кривая становится U-образной, а ее лучи направлены вверх (см. рис. 4.1). Очень большие и очень малые модули обычно служат причиной возникновения гораздо большего количества ошибок, чем модули среднего размера. Другим способом рассмотрения тех же данных является построение диаграммы количества строк кода в модуле относительно общего количества ошибок. Кривая в таком случае подобна логарифмической кривой до зоны "наилучшего восприятия", где она сглаживается (соответственно с минимумом кривой плотности дефектов), и после которой она направляется вверх (как квадрат числа, соответствующего количеству строк кода, т.е. наблюдается то, что, согласно закону Брукса[40], можно интуитивно ожидать для всей кривой).