Искусство программирования для Unix

Таким образом, создание реального кода склоняется к использованию как нисходящего, так и восходящего подходов. Нередко нисходящий и восходящий код является частью одного и того же проекта. В таком случае возникает необходимость использования связующих уровней.

4.3.2. Связующие уровни

Довольно часто столкновение нисходящего и восходящего подходов является причиной некоторого беспорядка. Верхний уровень логики приложения и нижний уровень основных примитивов необходимо согласовать с помощью уровня связующей логики.

Один из уроков, которые Unix-программисты осваивали десятилетиями, состоит в том, что связующая технология представляет собой опасное нагромождение, и жизненно важным является сохранение связующих уровней как можно более тонкими. Связующий уровень должен соединять другие уровни, но его не следует использовать для сокрытия "изломов" и "шероховатостей" в них.

В примере с Web-браузером связующий уровень включал бы в себя код визуализации, который преобразовывает объект документа, полученный из входящего HTML- файла в сглаженное визуальное изображение в виде растра в буфере экрана, используя для формирования изображения основные примитивы GUI-интерфейса. Данный код визуализации печально известен как наиболее подверженная ошибкам часть браузера. Он содержит в себе ухищрения, направленные на разрешение проблем, которые связаны как с синтаксическим анализом HTML-кода (ввиду большого количества неверно сформированной там разметки), так и в инструментальном наборе GUI (в котором могут отсутствовать действительно необходимые примитивы).

Связующий уровень Web-браузера должен служить промежуточным звеном не только между спецификацией и основными примитивами, но и между несколькими различными внешними спецификациями: работой сети, описанной в протоколе HTTP, структурой HTML-документа и различными графическими мультимедийными форматами, а также поведенческими ожиданиями пользователей при работе с GUI-интерфейсом.

Однако один единственный чреватый ошибками связующий уровень не является наибольшей проблемой. Разработчик, который знает о существовании связующего уровня и пытается организовать его в средний уровень вокруг собственного набора структур данных или объектов, может в итоге получить два связующих уровня — один выше среднего уровня, а другой ниже. Талантливые, но неопытные программисты особенно склонны попадать в эту ловушку. Они правильно выбирают все основные наборы классов (логику приложения, средний уровень и примитивы предметной области) и переделывают их подобно примерам из учебников, и только сбиваются с пути по мере того, как величина нескольких связующих уровней, необходимых для интеграции всего привлекательного кода, становится все больше и больше.

Принцип тонкого связующего уровня можно рассматривать как уточнение правила разделения. Политика (т.е. логика приложения) должна быть четко обособлена от механизма (то есть основных примитивов), однако очень большой код, который не является ни политикой, ни механизмом, скорее всего, свидетельствует о том, что его функции минимальны и что он только увеличивает общую сложность в системе.

4.3.3. Учебный пример: язык С считается тонким связующим уровнем

Язык С является хорошим примером эффективности тонкого связующего уровня.

В конце 90-х годов Джеррит Блаау (Gerrit Blaauw) и Фред Брукс (Fred Brooks) в книге "Computer Architecture: Concepts and Evolution" [4] отмечали, что архитектура всех поколений компьютеров (от ранних мэйнфреймов, мини-компьютеров и рабочих станций до PC) стремилась к конвергенции. Чем более поздней была конструкция в своем технологическом поколении, тем плотнее она приближался к тому, что Блаау и Брукс назвали "классической архитектурой" (classical architecture): двоичное представление, линейное адресное пространство, разграничение памяти и рабочего хранилища (регистров), универсальные регистры, определение адреса, занимающего фиксированное число байтов, двухадресные команды, порядок следования байтов [45] и типы данных как последовательное множество с размерами, кратными 4, либо 6 (6-битовые семейства в настоящее время устарело).

45

Архитектурный выбор порядка интерпретации битов в машинном слове — "обратный" и "прямой" (big-endian и little-endian). Хотя канонический адрес отсутствует, поиск в Web по фразе "On Holy Wars and a Plea for Peace" позволит найти классическую и интересную статью по данной теме.

Томпсон и Ритчи разрабатывали язык С как подобие структурированного ассемблера для идеализированной архитектуры процессора и памяти, которую, как они ожидали, можно было смоделировать на большинстве традиционных компьютеров. По счастливой случайности, их моделью для идеализированного процессора был компьютер PDP-11, весьма продуманная и изящная конструкция мини-компьютера, которая вплотную приближалась к классической архитектуре Блаау и Брукса. Здраво рассуждая, Томпсон и Ритчи отказались внедрять в С большинство характерных особенностей (таких как порядок байтов) там, где PDP-11 ему не соответствовал [46] .

46

Широко распространенное мнение о том, что автоинкрементная и автодекрементная функции вошли в С, поскольку они представляли машинные команды PDP-11, — это не более чем миф. Согласно воспоминаниям Денниса Ритчи, данные операции были предусмотрены в предшествующем языке В еще до появления PDP-11.

PDP-11 стал важной моделью для последующих поколений микропроцессоров. Оказалось, что базовые абстракции С весьма четко охватывают классическую архитектуру. Таким образом, С начинался как хорошее дополнение для микропроцессоров и, вместо того чтобы стать непригодным в связи с тем, что его предположения устарели, фактически становился лучше, по мере того, как аппаратное обеспечение все более сильно сливалось с классической архитектурой. Одним примечательным примером этой конвергенции была замена в 1985 году процессора Intel 286 с неуклюжей сегментной адресацией памяти процессором серии 386 с большим простым адресным пространством памяти. Чистый язык С был действительно лучшим дополнением для процессоров 386, чем для процессоров 286-й серии.

Не случайно, что экспериментальная эра в компьютерной архитектуре завершилась в середине 80-х годов прошлого века, т.е. в то время, когда язык С (и его ближайший потомок С++) побеждали все предшествующие им универсальные языки программирования. Язык С, разработанный как тонкий, но гибкий уровень над классической архитектурой, выглядит в перспективе двух десятилетий как почти наилучшая из возможных конструкций для ниши структурированного ассемблера, которую он и должен был занять. В дополнение к компактности, ортогональности и независимости (от машинной архитектуры, на которой он первоначально был разработан), данный язык также имеет важное качество прозрачности, рассмотренное в главе 6. В конструкции нескольких языков программирования, которые, возможно, являются лучшими, потребовалось внести серьезные изменения (такие как введение функции сборки мусора в памяти), чтобы создать достаточную функциональную дистанцию от С и избежать вытеснения им.

Эту историю стоит вспоминать и переосмысливать, поскольку пример языка С показывает, насколько мощной может быть четкая, минималистская конструкция. Если бы Томпсон и Ритчи были менее дальновидными, то они создали бы язык, который делал бы гораздо больше, опирался бы на более строгие предположения, никогда удовлетворительно не переносился бы с исходной аппаратной платформы и исчез бы вместе с ней. Напротив, язык С расцвел, и с тех пор пример Томпсона и Ритчи влияет на стиль Unix-разработки. Однажды в беседе о конструировании самолетов, писатель, искатель приключений, художник и авиаинженер Антуан де Сент-Экзюпери подчеркнул: "Совершенство достигается не в тот момент, когда более нечего добавить, а тогда, когда нечего более удалить".

Ритчи и Томпсон жили по этому принципу. Долгое время после того как ресурсные ограничения на ранних Unix-программах были смягчены, они работали над тем, чтобы поддерживать С в виде настолько тонкого уровня над аппаратным обеспечением, насколько это возможно.

Когда я просил о какой-либо особенно экстравагантной функции в С, Деннис обычно говорил мне: "Если тебе нужен PL/1, ты знаешь, где его взять". Ему не приходилось общаться с каким-либо маркетологом, утверждающим: "На диаграмме продаж нам нужна галочка в рамочке!".

Майк Леcк.

История С также подтверждает важность существования работающей эталонной реализации до стандартизации. Повторно данная тема затрагивается в главе 17, где рассматривается развитие стандартов С и Unix.

4.4. Библиотеки

Одним из последствий того влияния, которое стиль Unix-программирования оказал на модульность и четко определенные API-интерфейсы, является устойчивая тенденция к разложению программ на фрагменты связующего уровня, объединяющего семейства библиотек, особенно общих библиотек (эквивалентов структур, которые в Windows и других операционных системах называются динамически подключаемыми библиотеками или DLL (Dynamically-Linked Libraries)).