Искусство программирования для Unix

• 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.

43

Типичным примером плохой организации кэширования является директива rehash в csh(1); введите man 1 csh для получения более подробных сведений. Другой пример приведен в разделе 12.4.3.

• 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.

4.2.4. Компактность и единый жесткий центр

Одним неочевидным, но мощным способом поддержать компактность в конструкции является ее организация вокруг устойчивого основного алгоритма, определяющего ясное формальное определение проблемы, избегая эвристики и ухищрений.

Формализация часто радикально проясняет задачу. Программисту не достаточно определить, что части поставленной перед ним задачи попадают в стандартные категории компьютерной науки — поиск и быстрая сортировка. Наилучшие результаты достигаются в том случае, когда можно формализовать суть задачи и сконструировать ясную модель работы. Вовсе не обязательно, чтобы конечные пользователи поняли данную модель. Само существование унифицирующей основы обеспечит ощущение комфорта, когда работа не затруднена вопросами типа "а зачем они сделали это", которые так распространены при использовании универсальных программ.

Дуг Макилрой.

В этом заключается сила традиции Unix, но, к сожалению, это часто упускается из вида. Многие из ее эффективных инструментальных средств представляют собой тонкие упаковщики вокруг непосредственного преобразования некоторого единого мощного алгоритма.

Вероятно, наиболее ясным примером таких средств является программа diff(1), средство Unix для составления списка различий между связанными файлами. Данное средство и спаренная с ним утилита patch(1) определили стиль распределенной сетевой разработки современной операционной системы Unix. Очень ценным свойством программы diff является то, что она нечасто удивляет пользователей. В ней отсутствуют частные случаи или сложные граничные условия, поскольку используется простой, математически совершенный метод сравнения последовательностей. Из этого можно сделать ряд выводов.

Благодаря математической модели и цельному алгоритму, Unix-утилита diff заметно контрастирует со своими подражателями. Во-первых, центральное ядро является цельным, небольшим и никогда не требовало ни единой строки для обслуживания. Во-вторых, результаты ее работы являются четкими и последовательными, не искажены сюрпризами, при которых эвристические методы терпят неудачу.

Дуг Макилрой.

Таким образом, у пользователей программы diff может развиться интуитивное чувство относительно того, что будет делать программа в любой ситуации, даже без полного понимания центрального алгоритма. В Unix имеется множество других широко известных примеров, подтверждающих это. Ниже приводятся некоторые из них.

• Утилита grep(1) для выбора из файлов строк, соответствующих шаблону, является простым упаковщиком вокруг формальной алгебры шаблонов регулярных выражений (описание приведено в разделе 8.2.2). Если бы данная программа испытывала недостаток в такой последовательной математической модели, то она, вероятно, выглядела бы подобно конструкции первоначального средства старейших Unix-систем, glob(1) — набор узкоспециальных шаблонов, которые невозможно было комбинировать.

• уасс(1) — утилита для создания языковых анализаторов представляет собой тонкий упаковщик вокруг формальной теории грамматики LR(1). Сопутствующая ей утилита, генератор лексических анализаторов lex(1) является подобным тонким упаковщиком вокруг теории недетерминированных конечных автоматов.

Все три описанные программы являются настолько "свободными от ошибок", что их корректная работа воспринимается как должное, и в то же время они считаются достаточно компактными, для того чтобы программисты могли их использовать. В основном именно благодаря тому, что данные программы были сконструированы вокруг устойчивой и обоснованно корректной алгоритмической основы, они никогда не нуждались в серьезной доводке в процессе длительного и частого использования.

Противоположный формальному подход заключается в использовании эвристики — эмпирических правил, которые позволяют получить вероятностное, а не абсолютно точное решение. В некоторых случаях эвристика применяется ввиду того, что детерминированное корректное решение невозможно. В качестве примера можно рассмотреть методы фильтрации спама. Для алгоритмически идеального спам-фильтра потребовалось бы в качестве модуля полное решение проблемы понимания естественного языка. В других случаях эвристика используется из-за того, что известные формально корректные методы невероятно дороги. Примером этому служит управление виртуальной памятью. Существуют почти совершенные решения, однако они требуют такого количества измерений во время выполнения, что их издержки свели бы к нулю любой теоретический выигрыш по сравнению с эвристикой.

Проблема эвристических методов заключается в том, что они увеличивают количество частных и граничных случаев. Если ничего другого не остается, то обычно следует ограничить эвристику с помощью какого-либо механизма восстановления на случай сбоя. Все обычные проблемы, связанные с увеличением сложности, сохраняются. Для управления итоговым выбором оптимальных соотношений необходимо начать их изучение. Всегда следует выяснять, действительно ли эвристические методы дают такой выигрыш производительности, который окупает затраты на них, связанные со сложностью кода. При этом не стоит оценивать наугад прирост производительности.

4.2.5. Значение освобождения

В начале данной книги упоминалась ссылка на Дзэн об "особой передаче знаний вне священного писания". Не следует рассматривать ее как экзотическую, использованную ради стилистического эффекта. Основные понятия Unix всегда отличались свободной, Дзэн-подобной простотой. Данное качество отражено в основополагающих документах Unix, таких как книга "The С Programming Language" [42], а также доклад CACM 1974 года, в котором Unix была "представлена миру". Приведем одну известную цитату из данного документа: "... ограничение побуждает не только к экономии, но и к определенному изяществу дизайна". Источником этой простоты было стремление думать не о том, как много язык программирования или операционная система способны сделать, а о том, как мало они могут сделать.