Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

Мультипрограммирование является "особенно туманной" областью проектирования, в которой реализовано несколько основополагающих принципов хорошей практики. Многие программисты, превосходно разбирающиеся в том, как разбивать код на подпрограммы, тем не менее, в итоге пишут целые приложения как массивные однопроцессные монолиты, которые разрушаются под тяжестью своей собственной внутренней сложности.

В Unix-проектировании подход "решать одну задачу хорошо" применяется на уровне взаимодействующих программ подобно тому, как во взаимодействующих подпрограммах он применяется внутри программы. Особое значение придается мелким программам, соединенным четко определенным методом межпроцессного обмена данными или совместно используемыми файлами. Соответственно, операционная система Unix побуждает программистов разбивать создаваемые программы на более простые подпроцессы и уделять внимание интерфейсам между этими подпроцессами. Такой подход система обеспечивает тремя основными способами:

• малозатратное создание подпроцессов;

• предоставление методов, которые относительно упрощают обмен данными между процессами (вызовы с созданием подоболочки, перенаправление ввода/вывода, каналы, передача сообщений и сокеты);

• поддержка простых, прозрачных, текстовых форматов данных, которые могут передаваться посредством каналов и сокетов.

Малозатратное создание дочерних процессов и простое управление процессами являются весьма важными факторами для Unix-стиля программирования. В такой операционной системе, как VAX VMS, где запуск процессов является дорогой и медленной операцией, требующей специальных привилегий, программисты вынуждены создавать массивные монолиты, поскольку не имеют другого выбора. К счастью, семейство Unix отличается направленностью в сторону более низких издержек fork(2), а не в сторону более высоких. В частности, операционная система Linux особенно эффективна в этом отношении, подпроцессы создаются в ней быстрее, чем возникают параллельные процессы во многих других операционных системах[63].

Исторические причины подталкивают многих Unix-программистов мыслить понятиями множества взаимодействующих процессов по опыту shell-программирования. Оболочка относительно упрощает создание групп из множества соединенных каналами процессов, запущенных в приоритетном или фоновом режиме или с одновременным использованием обоих режимов.

В оставшейся части данной главы рассматриваются последствия малозатратного создания подпроцессов, а также описывается, как и когда применять каналы, сокеты и другие методы межпроцессного взаимодействия (IPC), для того чтобы разделить конструкцию на взаимодействующие процессы. (В следующей главе философия разделения функций применяется к проектированию интерфейсов.)

Тогда как выгода от разбиения программ на взаимодействующие процессы заключается в снижении глобальной сложности, затраты такого подхода связаны с необходимостью уделять больше внимания разработке протоколов, которые используются для передачи информации и команд между процессами. (В программных системах всех видов ошибки скапливаются в интерфейсах.)

В главе 5 рассматривается самый низкий уровень данной проблемы проектирования — каким образом располагать протоколы прикладного уровня, которые являются прозрачными, гибкими и расширяемыми. Однако эта проблема имеет второй, более высокий уровень, который в главе 5 не рассматривался, — это проектирование конечных автоматов для каждой стороны информационного обмена.

Не сложно применить хороший стиль к синтаксису протокола прикладного уровня таких моделей, как SMTP, BEEP или XML-RPC. Реальная сложность заключается не в синтаксисе протокола, а в его логике — проектировании протокола, который одновременно является достаточно выразительным и не имеет проблем

взаимоблокировки процессов. Почти так же важно то, что протокол должен быть видимым, для того чтобы быть выразительным и свободным от взаимоблокировки. Программисты, пытающиеся мысленно моделировать поведение взаимодействующих программ и проверять его корректность, должны иметь возможность поступать именно так.

Следовательно, в обсуждении данных проблем основное внимание уделено видам логики протоколов, каждый из которых программист свободно использует для каждого вида межпроцессного взаимодействия.

7.1. Отделение контроля сложности от настройки производительности

Прежде всего, необходимо избавиться от некоторых ложных целей. В данной главе обсуждение не касается использования одновременных операций для повышения производительности. Рассмотрение этой идеи до того как будет сформулирована ясная структура, которая сводит к минимуму глобальную сложность, является преждевременной оптимизацией, т.е. корнем всех зол (дальнейшее обсуждение приведено в главе 12).

Близкой ложной целью являются параллельные процессы (threads) (т.е. множество одновременно выполняемых процессов, совместно использующих одно адресное пространство памяти). Использование параллельных процессов — средство повышения производительности. Для того чтобы не уходить далеко от основной линии обсуждения, данная методика более подробно рассматривается в конце данной главы. Здесь достаточно сделать обобщение: параллельные процессы не уменьшают глобальную сложность, а скорее увеличивают ее, и поэтому следует избегать их использования, кроме случаев крайней необходимости.

С другой стороны, соблюдение правила модульности не является ложной целью, поскольку модульность позволяет упростить программы и, следовательно, работу программиста. Все причины для разделения процессов являются продолжением причин для разделения модулей, которое рассматривалось в главе 4.

Другой важной причиной разбиения программ на взаимодействующие процессы является повышение безопасности. В операционной системе Unix программы, которые запускаются обычными пользователями, но должны иметь доступ к важным с точки зрения безопасности системным ресурсам, получают такой доступ с помощью функции setuid[64]. Исполняемые файлы представляют собой наименьший элемент кода, который может содержать setuid-бит. Следовательно, каждая строка кода в исполняемом setuid-файле должна быть "благонадежной". (Вместе с тем хорошо написанные setuid-программы, сначала предпринимают все необходимые привилегированные действия, а на последующих этапах своей работы понижают свои привилегии до уровня пользователя.)

Обычно привилегии setuid-программы требуются для выполнения ею одной или нескольких операций. Часто имеется возможность разбить такую программу на взаимодействующие процессы: мелкий, не требующий использования функции setuid, и более крупный, который в ней не нуждается. Если такое разделение возможно, то "благонадежным" должен быть только код в меньшей программе. В значительной степени благодаря подобному разделению и делегированию функций, операционная система Unix обладает большими достижениями в обеспечении безопасности[65], чем ее конкуренты.

7.2. Классификация IPC-методов в Unix

Как и в однопроцессных структурах программ, простейшая организация является наилучшей. В оставшейся части данной главы представлены IPC-методики приблизительно в порядке возрастания сложности их программирования. Прежде чем использовать более сложные методики; следует с помощью прототипов и эталонных тестов получить доказательства того, что простые методики не подходят. Такой подход часто приводит к поразительным результатам.

7.2.1. Передача задач специализированным программам

В простейшей форме взаимодействия программ, которая возможна благодаря малозатратному созданию дочерних процессов, одна программа вызывает другую для решения специализированной задачи. Поскольку вызванная программа часто задается как команда оболочки Unix через вызов system(3), данная операция часто называется вызовом программы с созданием подоболочки (shelling out). Вызываемая программа наследует управление клавиатурой и пользовательским дисплеем и выполняется до завершения. Когда она прекращает свою работу, вызывающая программа возобновляет управление клавиатурой и дисплеем и продолжает выполнение[66]. Поскольку вызывающая программа не обменивается данными с вызванной программой во время работы последней, конструкция протокола не является проблемой при таком виде взаимодействия, кроме очевидного случая, при котором вызывающая программа может для изменения поведения вызванной программы передать ей аргументы командной строки.

Классическим случаем вызова с созданием подоболочки в Unix является вызов редактора из программы чтения почты или новостей. Разработчик, придерживающийся традиций Unix, не встраивает специально созданный редактор в программу, которая требует обычного текстового ввода. Вместо этого программист предоставляет пользователю возможность указать предпочтительный редактор, который будет вызываться при необходимости.