Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

В конструкции terminfo учтен опыт более раннего формата описания характеристик, который называется termcap. База данных termcap-описаний в текстовом формате содержалась в одном большом файле, /etc/termcap. Несмотря на то, что данный формат в настоящее время является устаревшим, почти в каждой Unix-системе имеется его копия.

Обычно ключом, используемым для поиска записи о типе терминала, является переменная среды TERM, способ установки которой для целей данного учебного примера не имеет особого значения[60]. Приложения, использующие terminfo (или termcap), вносят небольшую задержку при запуске. Когда библиотека curses(3) инициализируется, она должна найти запись, соответствующую значению переменной TERM, и загрузить эту запись в память.

Практика работы с termcap показала, что на задержку при запуске доминирующее влияние оказывало время, необходимое для синтаксического анализа текстовой формы представления характеристик. Поэтому terminfo-записи являются копиями двоичных структур, для которых операции маршалинга и демаршалинга выполняются быстрее. Существует главный текстовый формат для всей базы данных, файл характеристик terminfo. Данный файл (или отдельные записи) можно преобразовать в двоичную форму с помощью terminfo-компилятора tic(1), а бинарные записи декомпилируются в редактируемый текстовый формат посредством утилиты infocmp(1).

Такая конструкция внешне противоречит данным в главе 5 рекомендациям против использования двоичного кэширования, однако, в сущности, это тот экстремальный случай, в котором данный подход является хорошей тактикой. Главные текстовые файлы редактируются очень редко — в действительности Unix-системы обычно поставляются с предварительно скомпилированной базой данных terminfo, а главный текстовый файл служит в основном в качестве документации. Следовательно, проблемы синхронизации и несогласованности, которые обычно препятствуют реализации такого подхода, почти никогда не возникают.

Проектировщики terminfo могли бы оптимизировать скорость другим путем. Вся база данных бинарных записей могла бы размещаться в некотором большом трудном для понимания файле базы данных. Однако они выбрали более мудрое решение, которое к тому же больше соответствовало бы духу операционной системы Unix. Записи terminfo располагаются в иерархии каталогов, обычно в современных Unix-системах в каталоге /usr/share/terminfo. Точное расположение базы данных в конкретной системе можно выяснить с помощью страницы документации terminfo(5).

Изучая каталог terminfo, можно заметить, что в качестве имен подкаталогов используются одиночные печатаемые символы. В каждом подкаталоге находятся записи для всех типов терминалов, имена которых начинаются с данной буквы. Цель такой организации заключалась в том, чтобы избежать необходимости выполнять линейный поиск в очень большом каталоге. В более современных файловых системах Unix, которые представляют каталоги с помощью бинарных деревьев или других структур, оптимизированных для быстрого поиска, подкаталоги не являются необходимыми.

Я выяснил, что даже в довольно современных Unix-системах разделение большого каталога на подкаталоги может существенно повысить производительность. На поздней модели DEC Alpha, использующей DEC Unix, были десятки тысяч файлов базы данных авторизованных пользователей для крупного образовательного учреждения. (Из всех протестированных схем наилучшим образом функционировали подкаталоги с именами, состоящими из первой и последней букв фамилии, например, записи для "johnson" находились бы в каталоге "j_n". Использование первых двух букв было не настолько эффективным, поскольку было множество систематически создаваемых имен, которые отличались только окончанием.) Это, возможно, говорит только о том, что сложное индексирование каталогов до сих пор является не таким распространенным, каким должно было бы быть... Однако даже в этом случае оно делает организацию, хорошо работающую без него, более переносимой, чем та, которая в нем нуждается.

Таким образом, издержки открытия terminfo-записи сводятся к двум операциям поиска в файловой системе и открытию файла. Но поскольку извлечение той же записи из одной большой базы данных потребовало бы поиска и открытия базы данных, инкрементальные издержки организации terminfo равны максимум одной операции поиска в файловой системе. Фактически они меньше. Существует разница затрат между одной операцией поиска в файловой системе и каким бы то ни было методом поиска, применяемым в одной большой базе данных. Однократное использование такого метода при запуске приложения, вероятно, не влечет серьезных последствий и вполне допустимо.

В качестве иерархической базы данных terminfo использует саму файловую систему. Это превосходный пример "творческой лени", согласованной с правилами экономии и прозрачности. Это означает, что все обычные инструментальные средства для навигации, изучения и модификации файловой системы могут применяться для навигации, изучения и модификации базы данных terminfo. Не требуется создавать и отлаживать какие-либо специальные средства (отличные от tic(1) и infocmp(1) для упаковки и распаковки отдельных записей). Это также означает, что работа над ускорением доступа к базе данных была бы работой по ускорению самой файловой системы, что создало бы преимущества для гораздо большего количества приложений, а не только для программ, использующих библиотеки curses(3).

Существует одно дополнительное преимущество такой организации, которое не характерно для случая с terminfo. Имеется возможность использовать Unix-механизм привилегий вместо необходимости создавать собственный уровень управления доступом с его собственными ошибками. Это является следствием принятия философии Unix "все является файлом", а не попыткой противостояния ей.

Расположение каталога terminfo является весьма неэффективным использованием пространства на большинстве файловых систем Unix. Длина записей обычно находится в диапазоне от 400 до 1400 байт, а файловые системы обычно выделяют минимум 4 Кб для каждого непустого файла на диске. Разработчики пошли на такие издержки по той же причине, по которой выбрали упакованный двоичный формат, т.е. для того, чтобы свести к минимуму задержку при запуске в программах, использующих terminfo. С тех пор емкость диска при постоянной цене возросла в тысячи раз, оправдывая данное решение.

Поучителен контраст с форматами, применяемыми в файлах реестра Microsoft Windows. Реестры представляют собой базы данных свойств, используемые как самой операционной системой Windows, так и прикладными программами в ней. Каждый реестр располагается в одном большом файле. Реестры содержат смесь текстовых и бинарных данных, для редактирования которой требуются специализированные инструментальные средства. Среди прочих недостатков подход одного большого файла приводит к печально известному феномену "сползания реестра". Среднее время доступа безгранично возрастает, по мере того как добавляются новые записи. Поскольку стандартного, предоставленного системой API-интерфейса для редактирования реестра не существует, приложения используют специализированный код для самостоятельного редактирования, создавая печально известную опасность повреждения, которое может заблокировать всю систему.

Использование файловой системы Unix в качестве базы данных является хорошей тактикой для подражания в других приложениях с простыми требованиями к базе данных. Весомые причины не делать этого, вероятнее всего, связаны с необходимостью обрабатывать ключи базы данных, которые не выглядят как естественные имена файлов, а не с какими-либо проблемами производительности. В любом случае, это хороший и быстрый прием, который может быть очень полезен при создании прототипов.

6.1.7. Учебный пример: файлы данных Freeciv

Игра Freeciv — стратегия с открытым исходным кодом, прообразом которой послужила классическая игра Civilization II Сида Мейера (Sid Meier). Игра состоит в том, что каждый участник, имея в своем распоряжении группу кочевников каменного века, строит свою цивилизацию. Происходит борьба этих цивилизаций, созданных игроками, в ходе исследования и колонизации мира, военных сражений, развития торговых отношений и технологических новшеств. В качестве игрока может выступать и искусственный интеллект. Выиграть можно, либо "завоевав мир", либо первым достигнув технологического уровня, достаточного для отправки космического корабля к Альфа Центавра. Исходные коды и документация доступны на сайте проекта <http://www.freeciv.org/>.

В главе 7 стратегическая игра Freeciv рассматривается как пример клиент-серверного разделения, в котором сервер поддерживает общее состояние, а клиент концентрируется на .GUI-представлении. Однако данная игра также имеет другую примечательную архитектурную особенность. Большая часть фиксированных данных игры вместо того, чтобы быть встроенной в код сервера, выражается в реестре свойств, который считывается игровым сервером во время запуска игры.