Искусство программирования для Unix

Если подходить к проектированию тщательно и обдуманно, то часто возникает возможность разделить программу таким образом, чтобы она состояла из главной части поддержки пользовательского интерфейса (т.е. политики) и совокупности служебных подпрограмм (т.е. механизма) без связующего уровня вообще. Данный подход представляется особенно целесообразным в ситуации, когда программа должна выполнять большое количество узкоспециальных операций с такими структурами данных, как графические изображения, пакеты сетевых протоколов или блоки управления аппаратного интерфейса. В статье "The Discipline and Method Architecture for Reusable Libraries" [87] собрано несколько общих полезных, конструктивных советов, исходящих из традиций Unix, особенно полезных для решения проблем управления ресурсами в библиотеках такого вида.

Практика, при которой подобное разделение на уровни осуществляется явно, в Unix-программировании является стандартной. При этом служебные подпрограммы собираются в библиотеку, которая документируется отдельно. В таких программах клиентская часть специализируется на задачах пользовательского интерфейса и протоколе высокого уровня. Несколько большего внимания к конструкции требует отделение оригинальной клиентской части и ее замена другими, адаптированными для иных целей. Некоторые другие преимущества позволит раскрыть учебный пример.

Существует оборотная сторона данной проблемы. В мире Unix библиотеки, поставляемые как библиотеки, должны сопровождаться тестовыми программами.

API-интерфейсы должны сопутствовать программам и наоборот. API, для использования которого необходимо написать C-код и который невозможно без труда вызвать из командной строки, очень тяжело изучать и использовать. И наоборот, невероятно сложно использовать интерфейсы, единственной открытой и документированной формой которых является какая-либо программа и которые невозможно просто вызвать из программы на С, — например, route(1) в прежних Linux-системах.

Генри Спенсер.

Кроме упрощения процесса обучения, тестовые программы библиотек часто создают превосходные тестовые структуры. Поэтому опытные Unix-программисты видят в них не только форму для приложения умственных усилий пользователя библиотеки, но и свидетельство того, что код, вероятно, был хорошо протестирован.

Важной формой создания иерархии библиотек является подключаемая подпрограмма (plugin) — библиотека с набором известных входных точек, которая динамически загружается после запуска и предназначена для решения специализированной задачи. Для работы таких подпрограмм необходимо, чтобы вызывающая программа была организована в значительной степени как документированная служебная библиотека, в которую подключаемая подпрограмма может направить обратный вызов.

4.4.1. Учебный пример: подключаемые подпрограммы GIMP

Программа GIMP (GNU Image Manipulation program— программа обработки изображений) разрабатывалась как графический редактор с управлением посредством интерактивного GUI-интерфейса. Однако GIMP построена как библиотека подпрограмм обработки изображений и вспомогательных подпрограмм, которые вызываются сравнительно тонким уровнем управляющего кода. Управляющий код "знает" о GUI, но не имеет непосредственной информации о форматах изображений. Библиотечные подпрограммы, напротив, распознают форматы изображений, но не имеют информации о GUI-интерфейсе.

Библиотечный уровень документирован (и фактически распространяется в виде пакета "libgimp" для использования другими программами). Это означает, что программы на языке С, которые называются "подключаемыми подпрограммами", могут динамически загружаться в GIMP и вызывать библиотеку для обработки изображений, фактически принимая на себя управление на том же уровне, что и GUI-интерфейс (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Связи между вызывающей и вызываемой программой в редакторе GIMP с загруженной подключаемой подпрограммой

Подключаемые подпрограммы используются для осуществления множества специализированных преобразований. В число таких преобразований входят: обработка карты цветов, размывание границ и очистка изображения; чтение и запись форматов, не характерных для ядра GIMP; такие расширения, как редактирование мультипликации и тем оконных менеджеров; многие другие виды обработки изображений, которые могут быть автоматизированы с помощью сценариев, содержащих логику обработки изображений в ядре GIMP. Перечень подключаемых подпрограмм для GIMP доступен в World Wide Web.

Несмотря на то, что большинство подключаемых подпрограмм для GIMP являются небольшими и простыми C-программами, существует также возможность написать подпрограмму, которая открывает библиотечный API-интерфейс для языков сценариев. Данная возможность описывается в главе 11 в ходе изучения модели "многопараметрических (polyvalent) программ".

4.5. Unix и объектно-ориентированные языки

С середины 80-х годов прошлого века большинство новых конструкций языков обладают собственной поддержкой объектно-ориентированного программирования (Object-Oriented Programming — OO). Напомним, что в объектно-ориентированном программировании функции, воздействующие на определенную структуру данных, инкапсулируются вместе с данными в объект, который может рассматриваться как единое целое. В противоположность этому, модули в не-ОО-языках делают связь между данными и воздействующими на них функциями весьма второстепенной, и модули часто воздействуют на данные и внутреннее устройство других модулей.

Первоначально идея ОО-дизайна позитивно сказалась в конструировании графических систем, графических пользовательских интерфейсов и определенных видов моделирования. К удивлению и постепенному разочарованию многих, обнаружились трудности в проявлении существенных преимуществ вне этих областей. Причины этого заслуживают отдельного рассмотрения.

Существует некоторый конфликт между Unix-традицией модульности и моделями использования, которые развились вокруг ОО-языков. Unix-программисты всегда несколько более скептически относились к ОО-технологии, чем их коллеги, работающие в других операционных системах. Частично из-за правила разнообразия. Слишком часто ОО-подход объявлялся единственно верным решением проблемы сложности программного обеспечения. Однако здесь кроется еще одна проблема, которую стоит исследовать, прежде чем оценивать определенные ОО (объектно-ориентированные) языки в главе 14. Рассмотрение этой проблемы также поможет лучше описать некоторые характеристики Unix-стиля не-ОО-программирования.

Выше отмечалось, что Unix-традиция модульности является традицией тонкого связующего, минималистского подхода с несколькими уровнями абстракции между аппаратным обеспечением и объектами верхнего уровня программ. Частично это является влиянием языка С. Моделирование истинных объектов в языке С обычно сопряжено с большими усилиями. Вследствие этого нагромождение уровней абстракции является утомительным. Поэтому иерархии объектов в С склонны к относительной простоте и прозрачности. Даже применяя другие языки, Unix-программисты склонны переносить стиль использования тонкого связующего уровня и простой иерархии, которому они научились, используя Unix-модели.

ОО-языки упрощают абстракцию, возможно, даже слишком упрощают. Они поддерживают создание структур с большим количеством связующего кода и сложными уровнями. Это может оказаться полезным в случае, если предметная область является действительно сложной и требует множества абстракций, и вместе с тем такой подход может обернуться неприятностями, если программисты реализуют простые вещи сложными способами, просто потому что им известны эти способы и они умеют ими пользоваться.

Все ОО-языки несколько склонны "втягивать" программистов в ловушку избыточной иерархии. Объектные структуры и браузеры объектов не являются заменой хорошего дизайна или документации, но часто рассматриваются как таковые. Чрезмерное количество уровней разрушает прозрачность: крайне затрудняется их просмотр и анализ ментальной модели, которую по существу реализует код. Всецело нарушаются правила простоты, ясности и прозрачности, а в результате код наполняется скрытыми ошибками и создает постоянные проблемы при сопровождении.