Текст книги "Чистая архитектура. Искусство разработки программного обеспечения"

Языки ОО не улучшили инкапсуляцию, зато они дали нам наследование.

Точнее – ее разновидность. По сути, наследование – это всего лишь повторное объявление группы переменных и функций в ограниченной области видимости. Нечто похожее программисты на C проделывали вручную задолго до появления языков ОО[14]14
  И не только программисты на C: большинство языков той эпохи позволяли маскировать одни структуры данных под другие.


[Закрыть].

Взгляните на дополнение к нашей исходной программе point.h на языке C:

namedPoint.h

struct NamedPoint;

struct NamedPoint* makeNamedPoint(double x, double y, char* name);

void setName(struct NamedPoint* np, char* name);

char* getName(struct NamedPoint* np);

namedPoint.c

#include «namedPoint.h»

#include <stdlib.h>

struct NamedPoint {

 double x,y;

 char* name;

};

struct NamedPoint* makeNamedPoint(double x, double y, char* name) {

 struct NamedPoint* p = malloc(sizeof(struct NamedPoint));

 p->x = x;

 p->y = y;

 p->name = name;

 return p;

}

void setName(struct NamedPoint* np, char* name) {

 np->name = name;

}

char* getName(struct NamedPoint* np) {

 return np->name;

}

main.c

#include «point.h»

#include «namedPoint.h»

#include <stdio.h>

int main(int ac, char** av) {

 struct NamedPoint* origin = makeNamedPoint(0.0, 0.0, «origin»);

 struct NamedPoint* upperRight = makeNamedPoint

 (1.0, 1.0, «upperRight»);

 printf(«distance=%fn»,

 distance(

 (struct Point*) origin,

 (struct Point*) upperRight));

}

Внимательно рассмотрев основной код в файле main.c, можно заметить, что структура данных NamedPoint используется, как если бы она была производной от структуры Point. Такое оказалось возможным потому, что первые два поля в NamedPoint совпадают с полями в Point. Проще говоря, NamedPoint может маскироваться под Point, потому что NamedPoint фактически является надмножеством Point и имеет члены, соответствующие структуре Point, следующие в том же порядке.

Этот прием широко применялся[15]15
  И продолжает применяться.


[Закрыть] программистами до появления ОО. Фактически именно так C++ реализует единственное наследование.

То есть можно сказать, что некоторая разновидность наследования у нас имелась задолго до появления языков ОО. Впрочем, это утверждение не совсем истинно. У нас имелся трюк, хитрость, не настолько удобный, как настоящее наследование. Кроме того, с помощью описанного приема очень сложно получить что-то похожее на множественное наследование.

Обратите также внимание, как в main.c мне пришлось приводить аргументы NamedPoint к типу Point. В настоящем языке ОО такое приведение к родительскому типу производится неявно.

Справедливости ради следует отметить, что языки ОО действительно сделали маскировку структур данных более удобной, хотя это и не совсем новая особенность.

Итак, мы не можем дать идее ОО ни одного очка за инкапсуляцию и можем дать лишь пол-очка за наследование. Пока что общий счет не впечатляет.

Но у нас есть еще одно понятие.

Была ли возможность реализовать полиморфное поведение до появления языков ОО? Конечно! Взгляните на следующую простую программу copy на языке C.

#include <stdio.h>

void copy() {

 int c;

 while ((c=getchar())!= EOF)

 putchar(c);

}

Функция getchar() читает символы из STDIN. Но какое устройство в действительности скрыто за ширмой STDIN? Функция putchar() записывает символы в устройство STDOUT. Но что это за устройство? Эти функции являются полиморфными – их поведение зависит от типов устройств STDIN и STDOUT.

В некотором смысле STDIN и STDOUT похожи на интерфейсы в силе Java, когда для каждого устройства имеется своя реализация этих интерфейсов. Конечно, в примере программы на C нет никаких интерфейсов, но как тогда вызов getchar() передается драйверу устройства, который фактически читает символ?

Ответ на этот вопрос прост: операционная система UNIX требует, чтобы каждый драйвер устройства ввода/вывода реализовал пять стандартных функций[16]16
  В разных версиях UNIX требования разные; это всего лишь пример.


[Закрыть]: open, close, read, write и seek. Сигнатуры этих функций должны совпадать для всех драйверов.

Структура FILE имеет пять указателей на функции. В нашем случае она могла бы выглядеть как-то так:

struct FILE {

 void (*open)(char* name, int mode);

 void (*close)();

 int (*read)();

 void (*write)(char);

 void (*seek)(long index, int mode);

};

Драйвер консоли определяет эти функции и инициализирует указатели на них в структуре FILE примерно так:

#include «file.h»

void open(char* name, int mode) {/*…*/}

void close() {/*…*/};

int read() {int c;/*…*/ return c;}

void write(char c) {/*…*/}

void seek(long index, int mode) {/*…*/}

struct FILE console = {open, close, read, write, seek};

Если теперь предположить, что символ STDIN определен как указатель FILE* и ссылается на структуру console, тогда getchar() можно реализовать как-то так:

extern struct FILE* STDIN;

int getchar() {

 return STDIN->read();

}

Иными словами, getchar() просто вызывает функцию, на которую ссылается указатель read в структуре FILE, на которую, в свою очередь, ссылается STDIN.

Этот простой трюк составляет основу полиморфизма в ОО. В C++, например, каждая виртуальная функция в классе представлена указателем в таблице виртуальных методов vtable и все вызовы виртуальных функций выполняются через эту таблицу. Конструкторы производных классов просто инициализируют таблицу vtable объекта указателями на свои версии функций.

Суть полиморфизма заключается в применении указателей на функции. Программисты использовали указатели на функции для достижения полиморфного поведения еще со времен появления архитектуры фон Неймана в конце 1940-х годов. Иными словами, парадигма ОО не принесла ничего нового.

Впрочем, это не совсем верно. Пусть полиморфизм появился раньше языков ОО, но они сделали его намного надежнее и удобнее.

Проблема явного использования указателей на функции для создания полиморфного поведения в том, что указатели на функции по своей природе опасны. Такое их применение оговаривается множеством соглашений. Вы должны помнить об этих соглашениях и инициализировать указатели. Вы должны помнить об этих соглашениях и вызывать функции посредством указателей. Если какой-то программист забудет о соглашениях, возникшую в результате ошибку будет чертовски трудно отыскать и устранить.

Языки ОО избавляют от необходимости помнить об этих соглашениях и, соответственно, устраняют опасности, связанные с этим. Поддержка полиморфизма на уровне языка делает его использование тривиально простым. Это обстоятельство открывает новые возможности, о которых программисты на C могли только мечтать. Отсюда можно заключить, что ОО накладывает ограничение на косвенную передачу управления.

Какими положительными чертами обладает полиморфизм? Чтобы в полной мере оценить их, рассмотрим пример программы copy. Что случится с программой, если создать новое устройство ввода/вывода? Допустим, мы решили использовать программу copy для копирования данных из устройства распознавания рукописного текста в устройство синтеза речи: что нужно изменить в программе copy, чтобы она смогла работать с новыми устройствами?

Самое интересное, что никаких изменений не требуется! В действительности нам не придется даже перекомпилировать программу copy. Почему? Потому что исходный код программы copy не зависит от исходного кода драйверов ввода/вывода. Пока драйверы реализуют пять стандартных функций, определяемых структурой FILE, программа copy сможет с успехом их использовать.

Проще говоря, устройства ввода/вывода превратились в плагины для программы copy.

Почему операционная система UNIX превратила устройства ввода/вывода в плагины? Потому что в конце 1950-х годов мы поняли, что наши программы не должны зависеть от конкретных устройств. Почему? Потому что мы успели написать массу программ, зависящих от устройств, прежде чем смогли понять, что в действительности мы хотели бы, чтобы эти программы, выполняя свою работу, могли бы использовать разные устройства.

Например, раньше часто писались программы, читавшие исходные данные из пакета перфокарт[17]17
  Перфокарты IBM Hollerith имели ширину 80 колонок. Я уверен, что многие из вас никогда даже не видели их, но они широко были распространены в 1950-е, 1960-е и даже в 1970-е годы.


[Закрыть] и пробивавшие на перфораторе новую стопку перфокарт с результатами. Позднее наши клиенты стали передавать исходные данные не на перфокартах, а на магнитных лентах. Это было неудобно, потому что приходилось переписывать большие фрагменты первоначальных программ. Было бы намного удобнее, если бы та же программа могла работать и с перфокартами, и с магнитной лентой.

Для поддержки независимости от устройств ввода/вывода была придумана архитектура плагинов и реализована практически во всех операционных системах. Но даже после этого большинство программистов не давали распространения этой идее в своих программах, потому что использование указателей на функции было опасно.

Объектно-ориентированная парадигма позволила использовать архитектуру плагинов повсеместно.

Представьте, на что походило программное обеспечение до появления надежного и удобного механизма полиморфизма. В типичном дереве вызовов главная функция вызывала функции верхнего уровня, которые вызывали функции среднего уровня, в свою очередь, вызывавшие функции нижнего уровня. Однако в таком дереве вызовов зависимости исходного кода непреклонно следовали за потоком управления (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Зависимости исходного кода следуют за потоком управления

Чтобы вызвать одну из функций верхнего уровня, функция main должна сослаться на модуль, содержащий эту функцию. В языке C для этой цели используется директива #include. В Java – инструкция import. В C# – инструкция using. В действительности любой вызывающий код был вынужден ссылаться на модуль, содержащий вызываемый код.

Эти требования предоставляли архитектору программного обеспечения несколько вариантов. Поток управления определяется поведением системы, а зависимости исходного кода определяются этим потоком управления.

Однако когда в игру включился полиморфизм, стало возможным нечто совершенно иное (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Инверсия зависимости

На рис. 5.2 модуль верхнего уровня HL1 вызывает функцию F() из модуля среднего уровня ML1. Вызов посредством интерфейса является уловкой лишь для исходного кода. Во время выполнения интерфейсов не существует. Модуль HL1 просто вызывает F() внутри ML1[18]18
  Хотя и косвенно.


[Закрыть].

Но обратите внимание, что направление зависимости в исходном коде (отношение наследования) между ML1 и интерфейсом I поменялось на противоположное по отношению к потоку управления. Этот эффект называют инверсией зависимости (dependency inversion), и он имеет далеко идущие последствия для архитекторов программного обеспечения.

Факт поддержки языками ОО надежного и удобного механизма полиморфизма означает, что любую зависимость исходного кода, где бы она ни находилась, можно инвертировать.

Теперь вернемся к дереву вызовов, изображенному на рис. 5.1, и к множеству зависимостей в его исходном коде. Любую из зависимостей в этом исходном коде можно обратить, добавив интерфейс.

При таком подходе архитекторы, работающие в системах, которые написаны на объектно-ориентированных языках, получают абсолютный контроль над направлением всех зависимостей в исходном коде. Они не ограничены только направлением потока управления. Неважно, какой модуль вызывает и какой модуль вызывается, архитектор может определить зависимость в исходном коде в любом направлении.

Какая возможность! И эту возможность открывает ОО. Собственно, это все, что дает ОО, – по крайней мере с точки зрения архитектора.

Что можно сделать, обладая этой возможностью? Можно, например, переупорядочить зависимости в исходном коде так, что база данных и пользовательский интерфейс (ПИ) в вашей системе будут зависеть от бизнес-правил (рис. 5.3), а не наоборот.

Рис. 5.3. База данных и пользовательский интерфейс зависят от бизнес-правил

Это означает, что ПИ и база данных могут быть плагинами к бизнес-правилам. То есть в исходном коде с реализацией бизнес-правил могут отсутствовать любые ссылки на ПИ или базу данных.

Как следствие, бизнес-правила, ПИ и базу данных можно скомпилировать в три разных компонента или единицы развертывания (например, jar-файлы, библиотеки DLL или файлы Gem), имеющих те же зависимости, как в исходном коде. Компонент с бизнес-правилами не будет зависеть от компонентов, реализующих ПИ и базу данных.

Как результат, появляется возможность развертывать бизнес-правила независимо от ПИ и базы данных. Изменения в ПИ или в базе данных не должны оказывать никакого влияния на бизнес-правила. То есть компоненты можно развертывать отдельно и независимо.

Проще говоря, когда реализация компонента изменится, достаточно повторно развернуть только этот компонент. Это независимость развертывания.

Если система состоит из модулей, которые можно развертывать независимо, их можно разрабатывать независимо, разными командами. Это независимость разработки.

Что такое ОО? Существует много взглядов и ответов на этот вопрос. Однако для программного архитектора ответ очевиден: ОО дает, посредством поддержки полиморфизма, абсолютный контроль над всеми зависимостями в исходном коде. Это позволяет архитектору создать архитектуру со сменными модулями (плагинами), в которой модули верхнего уровня не зависят от модулей нижнего уровня. Низкоуровневые детали не выходят за рамки модулей плагинов, которые можно развертывать и разрабатывать независимо от модулей верхнего уровня.

6. Функциональное программирование

Многие идеи функционального программирования появились задолго до появления самого программирования. Эта парадигма в значительной мере основана на λ-исчислении, изобретенном Алонзо Чёрчем в 1930-х годах.

Суть функционального программирования проще объяснить на примерах. С этой целью исследуем решение простой задачи: вывод квадратов первых 25 целых чисел (то есть от 0 до 24).

В языках, подобных Java, эту задачу можно решить так:

public class Squint {

 public static void main(String args[]) {

 for (int i=0; i<25; i++)

 System.out.println(i*i);

 }

}

В Clojure, функциональном языке и производном от языка Lisp, аналогичную программу можно записать так:

(println (take 25 (map (fn [x] (* x x)) (range))))

Этот код может показаться немного странным, если вы не знакомы с Lisp. Поэтому я, с вашего позволения, немного переоформлю его и добавлю несколько комментариев.

(println;___________________ Вывести

 (take 25;_________________ первые 25

 (map (fn [x] (* x x));__ квадратов

 (range))));___________ целых чисел

Совершенно понятно, что println, take, map и range – это функции. В языке Lisp вызов функции производится помещением ее имени в круглые скобки. Например, (range) – это вызов функции range.

Выражение (fn [x] (* x x)) – это анонимная функция, которая, в свою очередь, вызывает функцию умножения и передает ей две копии входного аргумента. Иными словами, она вычисляет квадрат заданного числа.

Взглянем на эту программу еще раз, начав с самого внутреннего вызова функции:

• функция range возвращает бесконечный список целых чисел, начиная с 0;

• этот список передается функции map, которая вызывает анонимную функцию для вычисления квадрата каждого элемента и производит бесконечный список квадратов;

• список квадратов передается функции take, которая возвращает новый список, содержащий только первые 25 элементов;

• функция println выводит этот самый список квадратов первых 25 целых чисел.

Если вас напугало упоминание бесконечных списков, не волнуйтесь. В действительности программа создаст только первые 25 элементов этих бесконечных списков. Дело в том, что новые элементы бесконечных списков не создаются, пока программа не обратится к ним.

Если все вышесказанное показалось вам запутанным и непонятным, тогда можете отложить эту книгу и прекрасно провести время, изучая функциональное программирование и язык Clojure. В этой книге я не буду рассматривать эти темы, так как не это является моей целью.

Моя цель – показать важнейшее отличие между программами на Clojure и Java. В программе на Java используется изменяемая переменная – переменная, состояние которой изменяется в ходе выполнения программы. Это переменная i – переменная цикла. В программе на Clojure, напротив, нет изменяемых переменных. В ней присутствуют инициализируемые переменные, такие как x, но они никогда не изменяются.

В результате мы пришли к удивительному утверждению: переменные в функциональных языках не изменяются.

Почему этот аспект важен с архитектурной точки зрения? Почему архитектора должна волновать изменчивость переменных? Ответ на этот вопрос до нелепого прост: все состояния гонки (race condition), взаимоблокировки (deadlocks) и проблемы параллельного обновления обусловлены изменяемостью переменных. Если в программе нет изменяемых переменных, она никогда не окажется в состоянии гонки и никогда не столкнется с проблемами одновременного изменения. В отсутствие изменяемых блокировок программа не может попасть в состояние взаимоблокировки.

Иными словами, все проблемы, характерные для приложений с конкурирующими вычислениями, – с которыми нам приходится сталкиваться, когда требуется организовать многопоточное выполнение и задействовать вычислительную мощность нескольких процессоров, исчезают сами собой в отсутствие изменяемых переменных.

Вы, как архитектор, обязаны интересоваться проблемами конкуренции. Вы должны гарантировать надежность и устойчивость проектируемых вами систем в многопоточном и многопроцессорном окружении. И один из главных вопросов, которые вы должны задать себе: достижима ли неизменяемость на практике?

Ответ на этот вопрос таков: да, если у вас есть неограниченный объем памяти и процессор с неограниченной скоростью вычислений. В отсутствие этих бесконечных ресурсов ответ выглядит не так однозначно. Да, неизменяемость достижима, но при определенных компромиссах.

Рассмотрим некоторые из этих компромиссов.

Один из самых общих компромиссов, на которые приходится идти ради неизменяемости, – деление приложения или служб внутри приложения на изменяемые и неизменяемые компоненты. Неизменяемые компоненты решают свои задачи исключительно функциональным способом, без использования изменяемых переменных. Они взаимодействуют с другими компонентами, не являющимися чисто функциональными и допускающими изменение состояний переменных (рис. 6.1).

Изменяемое состояние этих других компонентов открыто всем проблемам многопоточного выполнения, поэтому для защиты изменяемых переменных от конкурирующих обновлений и состояния гонки часто используется некоторая разновидность транзакционной памяти.

Транзакционная память интерпретирует переменные в оперативной памяти подобно тому, как база данных интерпретирует записи на диске. Она защищает переменные, применяя механизм транзакций с повторениями.

Простым примером могут служить атомы в Clojure:

(def counter (atom 0)); инициализировать счетчик нулем

(swap! counter inc); безопасно увеличить счетчик counter.

Рис. 6.1. Изменяемое состояние и транзакционная память

В этом фрагменте переменная counter определяется как атом (с помощью функции atom). Атом в языке Clojure – это особая переменная, способная изменяться при очень ограниченных условиях, соблюдение которых гарантирует функция swap!.

Функция swap! показанная в предыдущем фрагменте, принимает два аргумента: атом, подлежащий изменению, и функцию, вычисляющую новое значение для сохранения в атоме. В данном примере атом counter получит значение, вычисленное функцией inc, которая просто увеличивает свой аргумент на единицу.

Функция swap! реализует традиционный алгоритм сравнить и присвоить. Она читает значение counter и передает его функции inc. Когда inc вернет управление, доступ к переменной counter блокируется и ее значение сравнивается со значением, переданным в inc. Если они равны, в counter записывается значение, которое вернула функция inc, и блокировка освобождается. Иначе блокировка освобождается и попытка повторяется.

Механизм атомов эффективен для простых приложений. Но, к сожалению, он не гарантирует абсолютную защищенность от конкурирующих обновлений и взаимоблокировок, когда в игру вступает несколько взаимозависимых изменяемых переменных. В таких ситуациях предпочтительнее использовать более надежные средства.

Суть в том, что правильно организованные приложения должны делиться на компоненты, имеющие и не имеющие изменяемых переменных. Такое деление обеспечивается использованием подходящих дисциплин для защиты изменяемых переменных.

Со стороны архитекторов было бы разумно как можно больше кода поместить в неизменяемые компоненты и как можно меньше – в компоненты, допускающие возможность изменения.