Искусство программирования для Unix

Дуг Макилрой, изобретатель каналов (pipes) в Unix и один из основателей Unix-радиции, сформулировал постулаты философии Unix следующим образом [52].

• Заставьте каждую программу хорошо выполнять одну функцию. Для решения новой задачи следует создавать новую программу, а не усложнять старые программы добавлением новых функций.

• Будьте готовы к тому, что вывод каждой программы станет вводом другой, еще неизвестной программы. Не загромождайте вывод посторонней информацией. Избегайте строгих табличных или двоичных форматов ввода. Не настаивайте на интерактивном вводе.

• Проектируйте и создавайте программное обеспечение, даже операционные системы, которые можно будет проверить в самом начале, в идеальном случае в течение нескольких недель. Без колебаний выбрасывайте громоздкие части и перестраивайте их.

• Вместо неквалифицированной помощи используйте инструменты, облегчающие программирование, даже если инструменты приходится создавать "окольными" путями, зная, что некоторые из них будут удалены по окончании использования.

Позднее он обобщил эти положения (процитировано в книге "A Quarter Century of Unix" [74].

Вот в чем заключается философия Unix: пишите программы, которые выполняют одну функцию и делают это хорошо; пишите программы, которые будут работать вместе; пишите программы, поддерживающие текстовые потоки, поскольку они являются универсальным интерфейсом.

Роб Пайк, который стал одним из великих мастеров языка С, в книге "Notes on С Programming" [62] предлагает несколько иной угол зрения.

Правило 1. Невозможно сказать, где возникнет задержка в программе. "Бутылочные горлышки" возникают в неожиданных местах, поэтому не следует пытаться делать предсказания и исправлять скорость до тех пор, пока не будет точно выяснено, где находится "бутылочное горлышко".

Правило 2. Проводите измерения. Не следует регулировать скорость до тех пор, пока не проведены измерения, и даже после измерений, если одна часть кода подавляет остальные.

Правило 3. Вычурные алгоритмы очень медленные, когда величина п является малой, а она обычно мала. Вычурные алгоритмы имеют большие константы. До тех пор, пока не известно, что п периодически стремится к большим значениям, не следует усложнять алгоритмы. (Даже если п действительно достигает больших значений, сначала используйте правило 2.)

Правило 4. Вычурные алгоритмы более склонны к появлению ошибок, чем простые, и их гораздо сложнее реализовать. Используйте простые алгоритмы, а также простые структуры данных.

Правило 5. Данные доминируют. Если выбраны правильные структуры данных и все организовано хорошо, то алгоритмы почти всегда будут очевидными. Для программирования центральными являются структуры данных, а не алгоритмы⁶.

Правило 6. Правила 6 нет.

Кен Томпсон, спроектировавший и реализовавший первую Unix, усилил четвертое правило Пайка афористичным принципом, достойным Дзэн-патриарха:

В случае сомнений используйте грубую силу.

Гораздо сильнее Unix-философия была выражена не высказываниями старейшин, а их действиями, которые воплощает сама Unix. В целом, можно выделить ряд идей.

1. Правило модульности: следует писать простые части, связанные ясными интерфейсами.

2. Правило ясности: ясность лучше, чем мастерство.

3. Правило композиции: следует разрабатывать программы, которые будут взаимодействовать с другими программами.

4. Правило разделения: следует отделять политику от механизма и интерфейсы от основных модулей.

5. Правило простоты: необходимо проектировать простые программы и "добавлять сложность" только там, где это необходимо.

6. Правило расчетливости: пишите большие программы, только если после демонстрации становится ясно, что ничего другого не остается.

7. Правило прозрачности: для того чтобы упростить проверку и отладку программы, ее конструкция должна быть обозримой.

8. Правило устойчивости: устойчивость— следствие прозрачности и простоты.

9. Правило представления: знания следует оставлять в данных, чтобы логика программы могла быть примитивной и устойчивой.

10. Правило наименьшей неожиданности: при проектировании интерфейсов всегда следует использовать наименее неожиданные элементы.

11. Правило тишины: если программа не может "сказать" что-либо неожиданное, то ей вообще не следует "говорить".

12. Правило исправности: когда программа завершается аварийно, это должно происходить явно и по возможности быстро.

13. Правило экономии: время программиста стоит дорого; поэтому экономия его времени более приоритетна по сравнению с экономией машинного времени.

14. Правило генерации: избегайте кодирования вручную; если есть возможность, пишите программы для создания программ.

15. Правило оптимизации: создайте опытные образцы, заставьте их работать, прежде чем перейти к оптимизации.

16. Правило разнообразия: не следует доверять утверждениям о "единственно верном пути".

17. Правило расширяемости: проектируйте с учетом изменений в будущем, поскольку будущее придет скорее, чем кажется.

Новичкам в Unix стоит поразмышлять над данными принципами. Технические тексты по разработке программного обеспечения рекомендуют большую их часть, однако в других операционных системах, как правило, имеется недостаток необходимых средств и традиций для их внедрения, поэтому большинство программистов не могут применять их последовательно. Они принимают несовершенные инструменты, плохие конструкции, перенапряжение и распухший код как должное, а впоследствии удивляются, почему все это раздражает поклонников Unix.

1.6.1. Правило модульности: следует писать простые части, связанные ясными интерфейсами

Как однажды заметил Браян Керниган, "управление сложностью является сущностью компьютерного программирования" [41]. Отладка занимает большую часть времени разработки, и выпуск работающей системы обычно в меньшей степени является результатом талантливого проектирования, и в большей — результатом должного управления, исключающего многократное повторение ошибок.

Трансляторы, компиляторы, блок-схемы, процедурное программирование, структурное программирование, "искусственный интеллект", языки четвертого поколения, объектно-ориентированные языки и бесчисленные методологии разработки программного обеспечения рекламировались и продавались как средство борьбы с этой проблемой. Все они потерпели неудачу, если только их успех заключался в повышении обычного уровня сложности программы до той точки, где (вновь) человеческий мозг едва ли мог справиться. Как заметил Фред Брукс [8], "серебряной пули не существует".

Единственным способом создания сложной программы, не обреченной заранее на провал, является сдерживание ее глобальной сложности, т.е. построение программы из простых частей, соединенных четко определенными интерфейсами, так что большинство проблем являются локальными, и можно рассчитывать на обновление одной из частей без разрушения целого.

1.6.2. Правило ясности: ясность лучше, чем мастерство

Поскольку обслуживание является важным и дорогостоящим, следует писать такие программы, как если бы обмен наиболее важной информацией, осуществляемый программой, был связан не с компьютером, выполняющим данную программу, а с людьми, которые будут читать и поддерживать исходный код в будущем (включая и самого создателя программы).

В традициях Unix смысл данной рекомендации выходит за пределы простого комментирования кода. Хорошая Unix-практика также предполагает выбор алгоритмов и реализации с учетом дальнейшего обслуживания. Незначительный рост производительности ценой большого повышения сложности и запутанности методики относится к плохой практике не только потому, что сложный код, вероятнее всего, скрывает в себе ошибки, но также потому, что такой код будет тяжелее читать будущим кураторам (maintainers) программы.