Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

4.2.2. Ортогональность

Ортогональность является одним из наиболее важных свойств, которое позволяет сделать даже сложные конструкции компактными. В исключительно ортогональных конструкциях операции не имеют побочных эффектов. Каждое действие (API-вызов, запуск макроса или операция языка) изменяет только один объект, не оказывая влияния на остальные. Существует один и только один способ для изменения каждого свойства любой управляемой системы.

Монитор компьютера имеет ортогональное управление. Яркость можно изменить независимо от уровня контрастности, а управление цветовым балансом не зависит от них обоих (если монитор имеет данную функцию). Представим, насколько более сложно было бы настраивать монитор, в котором регулятор яркости влиял бы на цветовой баланс: пришлось бы корректировать настройки цветового баланса каждый раз после изменения яркости. Еще хуже, если бы управление контрастностью также влияло на цветовой баланс. Пришлось бы манипулировать обоими регуляторами совершенно точно и одновременно, для того чтобы изменить по отдельности контраст или цветовой баланс при сохранении другого параметра постоянным.

Слишком многие программные конструкции являются неортогональными. Один общий класс ошибок проектирования, например, возникает в коде, который предназначен для считывания и преобразования данных из одного (исходного) формата в другой (целевой) формат. Проектировщик, который считает, что исходный формат всегда хранится в файле на диске, может написать функцию преобразования для открытия и чтения данных из именованного файла. Как правило, выполненный ранее ввод может также быть любым дескриптором файла. Если бы программа преобразования была спроектирована ортогонально, например, без побочных эффектов открытия файла, то она могла бы облегчить работу в дальнейшем, когда понадобилось бы преобразовать поток данных, поступающий из стандартного ввода, сетевого сокета или любого другого источника.

Совет Дуга Макилроя "решать одну задачу хорошо" обычно рассматривается в контексте простоты. Однако он также неявно и, по крайней мере, в той же степени касается ортогональности.

В главе 9 рассматривается программа ascii, которая печатает синонимы для названий ASCII-символов, включая шестнадцатеричные, восьмеричные и двоичные значения. Побочный эффект программы заключается в том, что она может служить в качестве быстрого конвертера для чисел в диапазоне 0-255. Это второе ее применение не является нарушением ортогональности, поскольку все функции, поддерживающие его, необходимы для реализации основной функции; они не усложняют документирование или поддержку программы.

Проблемы неортогональности возникают, когда побочные эффекты усложняют ментальную модель программиста или пользователя и забываются, что приводит к неприемлемым и даже фатальным результатам. Даже если побочные эффекты не забыты, часто для их подавления приходится выполнять дополнительную работу.

Превосходное обсуждение ортогональности и способов ее достижения приведено в книге "The Pragmatic Programmer" [37]. Как указывают ее авторы, ортогональность сокращает время тестирования и разработки, поскольку проверка кода, который не вызывает побочных эффектов и не зависит от побочных эффектов другого кода, упрощается, и следовательно уменьшается количество тестовых комбинаций. Если ортогональный код работает неверно, то его просто заменить другим без нарушения остальной части системы. Наконец, ортогональный код является более простым для документирования и повторного использования.

Идея рефакторинга (refactoring), которая впервые возникла как явная идея школы "экстремального программирования" (Extreme Programming), тесно связана с ортогональностью. Рефакторинг кода означает изменение его структуры и организации без изменения его видимого поведения. Инженеры программной индустрии, несомненно, решают эту проблему с момента возникновения отрасли, однако определение данной практики и идентификация главного набора методик рефакторинга способствовало решению данного вопроса. Поскольку все это хорошо согласуется с основными концепциями проектирования Unix, Unix-разработчики быстро переняли терминологию и идеи рефакторинга[42].

Основные API-интерфейсы Unix были спроектированы с учетом ортогональности не идеально, но вполне успешно. Например, возможность открытия файла для записи без его блокировки для остальных пользователей принимается как должное; не все операционные системы настолько "обходительны". Системные сигналы старой школы (System III) были неортогональными, поскольку получение сигнала имело побочный эффект — происходила переустановка обработчика сигналов в стандартное значение и отключение при получении сигнала. Существуют крупные неортогональные фрагменты, такие как API BSD-сокетов, и очень крупные, такие как графические библиотеки системы X Window.

Однако в целом API-интерфейс Unix является хорошим примером ортогональности: иначе, он не только не был бы, но и не мог бы широко имитироваться библиотеками С в других операционных системах. Это также является причиной того, что изучение Unix API окупается, даже для программистов, не работающих с Unix, поскольку они усваивают уроки ортогональности.

4.2.3. Правило SPOT

В книге "The Pragmatic Programmer" формулируется правило для одного частного вида ортогональности, который является особенно важным. Это правило "не повторяйтесь": внутри системы каждый блок знаний должен иметь единственное, недвусмысленное и надежное представление. В данной книге предпочтение отдано совету Брайана Кернигана называть данное правило SPOT-правилом (SPOT, или Single Point Of Truth, — единственная точка истины).

Повторение ведет к противоречивости и созданию кода, который незаметно разрушается, поскольку изменяются только некоторые повторения, когда необходимо изменить все. Часто это также означает, что организация кода не была продумана должным образом.

Константы, таблицы и метаданные следует объявлять и инициализировать только один раз, а затем импортировать. Всякое дублирование кода является опасным знаком. Сложность приводит к затратам; не следует оплачивать ее дважды.

Нередко имеется возможность удалить дублирование кода путем рефакторинга, т.е. с помощью изменения организации кода без модификации основных алгоритмов. Иногда возникает дублирование данных, в таком случае следует ответить на несколько важных вопросов.

• Если дублирование данных существует в разрабатываемом коде ввиду необходимости иметь два различных представления в двух разных местах, то возможно ли написать функцию, средство или генератор кода для создания одного представления из другого или обоих из общего источника?

• Если документация дублирует данные из кода, то можно ли создать фрагменты документации из фрагментов кода или наоборот, или и то, и другое из общего представления более высокого уровня?

• Если файлы заголовков и объявления интерфейсов дублируют сведения в реализации кода, то существует ли способ создания файлов заголовков и объявлений интерфейсов из данного кода?

Для структур данных существует аналог SPOT-правила: "нет лишнего — нет путаницы". "Нет лишнего" означает, что структура данных (модель) должна быть минимальной, например, не следует делать ее настолько общей, чтобы она могла представлять ситуации, возникновение которых невозможно. "Нет путаницы" означает, что положения, которые должны быть обособлены в реальной проблеме, также должны быть обособлены в модели. Коротко говоря, SPOT-правило поддерживает поиск структуры данных, состояния которой имеют однозначное соответствие с состояниями реальной системы, которая будет моделироваться.

Авторы могут добавить некоторые собственные следствия SPOT-правила в контексте Unix-традиций.

• Если данные дублируются из-за кэширования промежуточных результатов некоторых вычислений или поиска, то следует внимательно проанализировать, не является ли это преждевременной оптимизацией. Устаревшие данные кэша (и уровни кода, необходимые для поддержки синхронизации кэша) являются "неиссякаемым" источником ошибок[43] и даже способны снизить общую производительность, если (как часто случается) издержки управления кэшем превышают ожидания разработчика.

• Если наблюдается большое количество повторов шаблонного кода, то возможно ли создать их все из одного представления более высокого уровня, изменяя некоторые параметры для создания различных вариантов?

Теперь модель должна быть очевидной.

В мире Unix SPOT-правило редко проявляется как явная унифицирующая идея, однако, интенсивное использование генераторов кода для реализации специфических видов SPOT является весьма большой частью традиции. Данные методики рассматриваются в главе 9.