Искусство программирования для Unix

Другим важным практическим принципом является создание руководств хакеров. Для дистрибутивов исходного кода всегда было полезным включение документации, неформально описывающей ключевые структуры данных и алгоритмы кода. Действительно, Unix-программисты часто лучше создают хакерские руководства, чем пишут документацию для конечных пользователей.

Сообщество открытого исходного кода постигло и выработало этот обычай. Кроме того что хакерские руководства являются рекомендациями для будущих кураторов, в проектах с открытым исходным кодом они также предназначены для того, чтобы способствовать добавлению функций и исправлению ошибок со стороны программистов-любителей. Характерным примером является файл Design Notes, поставляемый с программой fetchmail. Исходные коды ядра Linux включают в себя буквально десятки подобных документов.

В главе 19 описаны соглашения, выработанные Unix-разработчиками для облегчения изучения дистрибутивов исходных кодов и создания исполняемого кода.

7 Мультипрограммирование: разделение процессов для разделения функций

Если мы придаем большое значение структурам данных, то мы должны придавать большое значение независимой (и, следовательно, одновременной) обработке. Иначе для чего мы собираем объекты в структуру? Почему мы терпим языки, которые дают нам одно без другого?

Раздел Epigrams in Programming в журнале ACM SIGPLAN (17 #9, 1982)

—Алан Перлис (Alan Perlis)

Наиболее характерной методикой разбиения программ на модули в операционной системе Unix является разделение крупных программ на множество взаимодействующих процессов. Обычно в мире Unix данная методика называется 'многопроцессорной обработкой' (multiprocessing), но в этой книге, для того чтобы избежать путаницы с многопроцессорным аппаратным обеспечением, используется более ранний термин 'мультипрограммирование' (multiprogramming).

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