Языки, которые мы потеряли

Языки, которые мы потеряли

Крис Касперски

Позади нас осталось целое кладбище языков, не прижившихся парадигм, вымерших концепций, идей, опередивших свое время. Для будущего не осталось ничего. Все, что только было можно придумать, - уже придумано, реализовано, опробовано и... Выброшено на свалку за ненадобностью. Эпоха великих открытий давно прошла, и нам осталось лишь обезьянничать, двигаясь от золотого века в деградирующую тьму чудовищных лингвистических решений. Назад возврата нет. А все потому, что...

Язык определяет мышление, а мышление формирует язык, в результате чего язык начинает стремительно развиваться, приобретая новые, ранее не свойственные ему черты, не только позволяющие программисту выражать инженерную мысль во всей ее полноте, но и порождающие совершенно новые мысли, вытекающие из свойств языка.

Появление абстрактных типов переменных (не имеющих прямого машинного воплощения) —довольно наглядный тому пример. Программисты каменной эры, высекающие программы долотом (долотом в прямом смысле—на перфокартах), мыслили в конкретной плоскости—включить мотор дисковода, прочитать сектор, положить данные в ячейку размеров в N-слов, расположенную в памяти по адресу Р... Современные языки отошли от железа и мыслят категориями абстрактных концепций, позволяя сравнивать переменные А и В, одна из которых представляет файл на диске, а другая—сетевой локатор. Хорошо это или плохо?! Все намного хуже, чем вы предполагаете. Абстрактное мышление смертоносно, ибо провоцирует программиста на решение задачи в общем виде на сто тысяч строк исходного кода, в то время как частное решение (отвечающее ТЗ) уложилось бы и в десяток. Но это еще не самое страшное, истина в том, что...

Явление Си++ народу

Язык Си++ (а вместе с ним и его многочисленные «преемники») уже давно не является объектно-ориентированным языком и доэволюционировал до метапрограммирования, более известного как программирование с использованием шаблонов (хотя шаблоны — всего лишь одно из средств его реализации). Конечная цель метапрограммирования—создание программ, создающих другие программы как результат своей работы, т. е., другими словами, язык престает быть сущностью, полностью подчиненной авторскому замыслу, и приобретает определенную самостоятельность, значительно упрощающую решение поставленной задачи, но вместе с тем вносящую большую долю неопределенности и неуправляемости. Например, вместо того, чтобы писать десяток функций, сравнивающих переменные различных типов, достаточно запрограммировать один-единственный шаблон. Правда, тут же возникает вопрос: а как он себя поведет, если ему «скормить» нечисловые переменные? Ответ—шаблон вообще ничего не знает ни о типах, ни о размерностях. Он просто обращается к методам соответствующих классов, которые могут быть реализованы как угодно либо же не реализованы вовсе, и тогда программа даст сбой. До тех пор пока использовались только статические абстрактные типы, «перекладываемые» на машинное представление еще на стадии компиляции, транслятор легко отлавливал подобные ошибки, но с появлением динамических типов, обрабатываемых в реальном времени, язык стал вообще неконтролируемым и программы начали падать в случайное время.

И ведь никто не виноват!!! Программист, реализующий шаблон, тут, естественно, не причем, ведь он написал, что-то вроде: IF (a>b) THEN RETURN A; ELSE RETURN В, переложив реализацию процедуры сравнения на разработчиков классов, которым, возможно, и в голову не могло прийти, что их классы кому-то понадобится сравнивать. Взять хотя бы класс shape, реализующий различные геометрические фигуры: отрезки, круги. треугольники... Можно ли сравнивать два экземпляра класса shape друг с другом? А почему бы и нет! Это может соответствовать длинам отрезков и площадям фигур. Но ведь... может и не соответствовать!!! Проблема объектного- и метапрограммирования в том, что абстрагируясь от «ненужных» технических подробностей, они скрывают информацию о своем поведении от программиста. Программист каменной эры, глядя на запись А=А+В, мог однозначно сказать, что она выдаст при любых значениях А и В (даже с учетом переполнения переменных). А сейчас? Возьмем две переменные типа «символ» и попытаемся их сложить. Вопрос: как поведет себя реализующий их класс? Будет ли он добавлять код одного символа к другому, оперируя с ними как с целочисленными переменными (поведение по умолчанию), или скомбинирует их в двухсимвольную строку? А если взять экземпляры класса share, то это вообще конец определенности. Математически можно складывать только отрезки (да и то с той лишь оговоркой, что задано их направление, т.е. мы оперируем с отрезком, как с вектором), но сложение квадрата с треугольником— бессмысленно. Зато в графическом аспекте сложение может быть уподоблено наложению, что, кстати говоря, тут же нарушит коммутативное свойство, т. е. А+В совсем не то же самое, что В+А! Вот и попробуй после этого вносить в программу изменения... У программистов каменной эпохи подобных проблем просто не возникало, поскольку язык не давал возможности оперировать абстрактными концепциями и в каждой точке программы приходилось выражать законченную техническую мысль. Конечно, это приводило к дублированию кода, снижало наглядность листинга, но зато исключало неоднозначности его интерпретации. Абстрагируясь от базовых концепций, мы усиливаем лексическую мощь языка (там где раньше приходилось писать тысячу команд, сейчас достаточно одной), но вместе с нею увеличиваем количество взаимодействий между различными компонентами, которые как-то нужно учитывать... В результате за кажущуюся легкость программирования приходится расплачиваться многократно возросшей сложностью проектирования. Язык невозможно осваивать последовательно, шаг за шагом, как это было раньше. Если на Бейсике первая программа состояла всего из одной строки «PRINT 'hello'», то теперь даже минимально работающая программа (с шаблонами, естественно) этих строк насчитывает десятки! Создавая новый экземпляр класса, мы должны обработать ситуацию с нехваткой памяти, установить обработчики исключений (ну или хотя бы «заглушки») и заблаговременно предусмотреть реакцию программы на ситуации, которые в рамках древнего процедурного программирования просто не возникали. Кстати, тот, кто считает, метапрограммирование достижением последних десятилетий, — жестоко ошибается. Да, в языке Си++ оно появилось совсем недавно и в полном объеме (описанном в последних редакциях Стандарта) не реализовано ни в одном реально существующем компиляторе, a Nemerle и R# (языки программирования для платформы .Net со встроенной поддержкой метапрограммирования)—вообще младенцы, но на самом деле концепция метапрограммирования возникла еще во времена палеолита. Lisp, появившийся в далеком 1958 г., —хороший пример языка, естественным образом поддерживающий метапрограммирование, одной из задач которого является создание программы, выводящей точную копию своего собственного исходного текста—так называемый куин (англ, quine). На Lisp'e он записывается так:

(funcall (lambda (x)

(append x (list (list 'quote x))))

'(funcall (lambda (x)

(append x (list (list 'quote x))))))

На Си так:

#include<stdio.h>

char*i="\\tinclude<stdio.h>",n='\ n',q="",*p=

«%s%cchar*i=%c%c%s%c,n='%cn',q='%c',*p= %c%c%s%c,*m=%c%c%s%c%c;%s%c",*m=

«int main () {returnIprintf (p,i+l,n,q,*i,i ,q,*i,q,n,q,p,q,n,q,m,q,n,m,n);}"

;int main(){return!printf(p,i+l,n,q,*i,i ,q,*i,q,n,q,p,q,n,q,m,q,n,m,n);}

Атеперь попробуйте реализовать тоже самое на Си++ с использованием шаблонов и посмотрите, насколько сильно они вам «помогут». Парадигма метапрограммирования, красиво реализованная в Lisp'e, была заброшена на полвека именно из-за потери управляемости языком, но затем восстала из пепла в ужасной реинкарнации, уходящей своими корнями в директивы препроцессора языка Си... Но это уже совсем другая история.

Язык Си++ оказал огромное влияние как на мышление программистов, так и на развитие всех последующих языков, став стандартом де-факто. Никто, естественно, не говорит, что ООП- и метапрограммирование— это плохо. Почему обязательно плохо?! Очень даже хорошо! Местами. Но вот мысль о том, что ООП — единственно правильный подход—ужасна. Самолеты и космические корабли мирно сосуществуют с велосипедами и автомобилями. Никому ведь и в голову не придет летать за сигаретами на ракете, особенно если сигареты продаются в киоске на соседнем углу.

Но ведь это же неправильно! Появление ракет должно перевернуть наше мышление! Поэтому—строим киоск за орбитой Плутона и каждому даем по ракете, чтобы туда летать, а горючее покупаем за деньги, вырученные от строительства космодромов и продаж ракет. Кто не может строить ракеты — пусть учит других, как на них летать. Сколько создается новых рабочих мест и главное, что все в бизнесе. Вот тут уж действительно, возврата в прошлое нет... Сигареты стоят миллиарды долларов, и деньги в индустрию вращаются просто огромные. Кто же захочет от них отказываться?! Напротив, ракеты будут стремительно «совершенствоваться», чтобы за сигаретами можно было летать даже на Альфу Центавра. Говорите, что это нелогично и невозможно? Но ведь именно такая ситуация сложилась с Си++. Судите сами—реализация компиляторов языка Си++ очень сложная и дорогостоящая задача, а сам язык настолько обширен и объемен, что его изучение требует невероятных усилий. Чтобы окупить средства, вложенные в разработку компиляторов, фирмы вынуждены «подсаживать» на него миллионы программистов, которые, пройдя длительный (и ужасно мучительный) путь обучения Си++, просто не могут признаться себе в том, что напрасно убили десять лет своей жизни (данной человеку лишь однажды!) и что стоящие передними задачи с ничуть не меньшей эффективностью реализуются на чистом Си и других процедурных языках, легко осваиваемых на ходу без отрыва от производства. Вот они и начинают убеждать остальных, что процедурные языки давно мертвы. Сложность ради сложности.

Впрочем, среди этого мрака есть и светлые пятна. При приеме в нормальную фирму за попытку решить задачу с применением шаблонов, там, где они не требуются, по головке не погладят и программу скорее всего не зачтут. Один из известных «подколов»—написать программу, выводящую сумму первых 100 натуральных чисел на экран, int а, Ь=0; for(a=1;a<101;a++) b+=a; printf(«%d\n»,b);— незачет, printf(«5050\n»)—зачет. Ключевое слово здесь—«выводящую», а не «вычисляющую». Чуть более жестокий вариант— вывод первой сотни простых чисел. Разумеется, сумму членов арифметической прогрессии можно вычислить и в уме, а найти простые числа без компьютера не то, чтобы нереально, просто... зачем мучаться, когда компьютер под рукой? Однако, программист—это прежде всего инженер, а инженер должен не только внимательно читать ТЗ, но и выбирать адекватные средства для решения задачи. В данном случае—написать программу, генерирующую программу, выводящую простые числа на экран, т. е. что-то вроде: рг::: 1,5,7...\n»), после чего первую программу можно смело стереть. Действительно, какой смысл обсчитывать одни и те же данные при каждом запуске программы, когда это достаточно сделать всего один раз?! Важно понять, что язык—это всего лишь средство выражения мыслей. Не стоит фетишизировать его. Умные мысли можно выразить и в машинном коде (там, где это оправданно), если же мыслей нет—не поможет никакой язык. Проблема, однако, в том, что программирование машины (т.е. задание последовательности операций, которая она должна выполнять) все больше превращается в диалог с ней. Программисты перестали обдумывать решения поставленных задач вдали от машины. Компьютер превратился в калькулятор, а программы—в «записки охотника». Именно поэтому, когда современный программист слышит «сумма ряда», он рефлекторно представляет себе цикл и машинально тянется к клавиатуре... Он утратил понимание того, что язык (машинный) тут и рядом не валялся. Это чисто математическая задача, а от машины требуются лишь средства ввода/ вывода для печати результата.

ООП в ретроспективе

Многие языки, возникшие задолго до появления термина ООП (например, уже упомянутый Лисп), вполне отвечают его критериям, возможно, даже в большей степени, чем «чистокровные» представители ООП, такие как Си++ или его прямые предшественники Симула (Simula) и Смолток (Smalltalk), созданные в 1967 и 1980 году соответственно. Кстати, о предшественниках. Язык Си++ часто критикуют за то, что обращение к методу класса в нем реализовано как вызов функции, в то время как Симула и Смолток позволяли объектам обмениваться сообщениями. Сторонники Си++ утверждают, что конкретный способ вызова метода класса - внутренняя кухня языка, скрытая от программиста и что посылка сообщения является частным случаем вызова функции, только прямой вызов намного более эффективен в плане накладных расходов и машинных затрат на такты и оперативную память.

Все это так, но... Симула и Смолток естественным образом поддерживают многозадачность, многопоточность и распараллеливают вычисления на уровне языка. Посылка сообщений может быть как синхронной (объект посылает сообщение и ждет результата), так и асинхронной (объект посылает сообщение и продолжает заниматься своими делами). Это позволяет транслятору в кооперации с операционной системой равномерно раскидать объекты по процессорам или даже по целому кластеру. Конечно, содействие со стороны программиста крайне желательно (не все алгоритмы допускают эффективное распараллеливание), но в любом случае, программа, написанная на Симуле или Смолтоке, автоматически увеличивает свою производительность при добавлении новых процессоров.

Прямой вызов функции, напротив, всегда синхронен. Обращаясь к методу класса, текущий код передает ему бразды правления и получает их только после явного возврата, который может вообще никогда не произойти! Распараллеливать программу приходится на этапе ее создания, причем, реализовать динамический алгоритм, поддерживающий произвольное количество процессоров, в общем случае невозможно или крайне затруднительно, т. к. для этого фактически потребуется вручную реализовать Симула/Смолток-подобный «движок», натянув его поверх Си++, затратив кучу усилий и получив в итоге худшую производительность чем на чистой Симуле (Смолтоке). Вплоть до настоящего времени этот недостаток Си++ никого не беспокоил, поскольку многопроцессорные компьютеры встречались крайне редко, да и то большей частью на серверах, одновременно обрабатывающих множество запросов от пользователей и распараллеливание велось именно в этом направлении - один и тот же Си++ код выполнялся на нескольких процессорах одновременно, каждый экземпляр которого обслуживал «своего» пользователя и все были довольны. Но с появлением многоядерных процессоров в рабочих станциях и домашних компьютеров программистам пришлось заново учиться распараллеливать программы, что без поддержки со стороны языка сделать довольно затруднительно, так что появление новых языков (или доработка уже существующих) в исторической перспективе неизбежна, поскольку количество процессорных ядер будет только увеличиваться, причем по некоторым прогнозам весьма стремительно.

Полезные ссылки по теме

Why Pascal is Not My Favorite Programming Language

Аналитическая статья Брайна Керигана - одного из создателей языка Си - критикующего недостатки Паскаля, устраненные в Си, но заново возрожденные в Си++ и его потомках (на английском языке): www.lysator.liu.se/c/bwk-on-pascal.html

433 Examples in 132 (or 162*) programming languages

Исходные коды 433 простых программ («hello, world», факториал, поиск максимума, пузырьковая сортировка, etc) на 162 различных языках программирования, как существующих, так и давно умерших, - очень полезная штука для расширения кругозора (на английском языке): www.ntecs.de/old-hp/uu9r/lanq/html/lanq.en.html

List of hello world programs

Исходные коды «hello, world» программ на 190 языках программирования: http://en.wikibooks.Org/wiki/Transwiki:List of hello world programs

Эволюция программистов и языков программирования (шутка) www.ariel.com.au/iokes/The Evolution of a Programmer.html

Самомодификация в законе

В Лиспе (Lisp) и Форте (Forth), созданных в 1958 и 1970 годах соответственно, самомодификация была вынесена на уровне языка, что позволяло реализовывать высокоэффективные программы, построенные на динамических алгоритмах. Уникальнейшей особенностью Форта (не реализованная ни в каком другом языке) была и остается возможность «честной», модификации Форт-машины, то есть непосредственно самого транслятора, который при желании со стороны программиста можно вообще полностью переписать штатными средствами самого языка!

В Фортране, Алголе, Паскале, Си/Си++ и прочих «хороших и разных», клонах (включая Бейсик) самомодификация возможна лишь теоретически - путем варварской правки машинного кода в оперативной памяти. Почему «варварской».? Да потому, что язык к этому не имеет никакого отношения, более того, самомодификация опирается на недокументированные возможности языка, закладываясь на логику конкретных трансляторов, что чревато развалом программы при переходе на другой компилятор, не говоря уже о том, что машинный код - штука понятная лишь небольшому кругу избранных, но даже Великий Гуру не сможет написать самомодифицирующуюся программу, работающую более чем на одном процессоре. В конечном счете, самомодификация попала в черный список дурных приемов программирования, а сами программы «распались», на код и данные, обрабатываемые этим кодом, инвариантным по отношению к самим данным. Другими словами - один и тот же код обрабатывает разные данные, что не есть правильно. Машина Тьюринга вообще не имела таких понятий. В ней код был неотделим от обрабатываемых им данных. Вернее, поступающие данные задавали методы их обработки (естественно, в рамках заложенных в машину алгоритмов).

К счастью, в последнее время предпринято несколько попыток реабилитации самомодификации. Во-первых, это Java со своей виртуальной машиной, байт-код которой не меняется от процессора к процессору, а, значит, самомодификация не ухудшает переносимость программы (правда, если быть честным, Java не предоставляет для самомодификации никаких языковых средств и программисту приходится работать с низкоуровневыми командами чтения/записи памяти). Во-вторых, Си++, Nemerle и RW поддерживают (и активно продвигают) парадигму метапрограммирования, позволяя писать программы, создающие другие программы, которые в свою очередь создают третьи... Это, конечно, не совсем самомодификация, но нечто на нее похожее. Однако, реализация метапрограммирования крайне тяжеловесна, логика и синтаксис - запутаны, сложны для понимания и абсолютно непрозрачны, а возможности существенно уступают Форту и Лиспу. В общем, муть и мрак.

Вавилонское столпотворение

Всякий раз, когда появляется очередной новый язык, о котором говорят, как об «окончательном и безальтернативном», предрекая скорую смерть всех остальных, мне становится смешно.

Сам по себе язык в отрыве от среды программирования —малоинтересен, да и все языки крутятся вокруг одного и того же набора концепций и парадигм, просто разные языки смешивают этот коктейль в различных комбинациях. Популярность Си++ отчасти вызвана тем, что он вобрал в себя все существующие парадигмы, допускающие эффективную реализацию. Остальные языки либо неэффективны, либо представляют собой подмножество Си++. Да, есть совершенно иные классы языков, в частности логические языки (ярким примером которых является Prolog), основанные на выводе новых фактов из заложенных в них данных согласно установленной системе логических правил, работающей в замкнутом мире фактов. Другими словами, если определить объекты «вода», «чайник», «газ», «огонь», то Prolog'y достаточно дать задание «вскипятить воду», чтобы он поставил чайник на огонь. Но... насколько же медленно он это сделает! И сколько времени уйдет на формирование «базы знаний» об объектах окружающего мира. В отличие от Си++, придерживающегося парадигм декларативного программирования, описывающих процесс вычисления в виде инструкций, изменяющих состояние программы, функциональные языки (самый популярный из которых Haskell) не представляют собой последовательность инструкций и не имеют глобального состояния, вместо этого они определяют, что нужно вычислять, а как это делать—забота транслятора. Вот только эффективных трансляторов декларативных языков упорно не наблюдается. Увы, машина не может мыслить, а ответ на вопрос «как это сделать?» предполагает активную творческую деятельность. Таким образом, благополучию Си++ ничего не угрожает. Сколько бы языков ни создавалось и какие бы усилия ни предпринимались для продвижения их на рынок, мы получим либо урезанный вариант Си++, либо страшный тормоз. Ни то, ни другое программистам даром не нужно. Разумеется, это не означает, что Си++— венец эволюции. Скорее, это свалка всех идей, демонстрирующих хорошую эрудицию его создателей, но нарушающих целостность языка, из-за чего, собственно, с завидной регулярностью появляются «претенденты на престол», пытающиеся отобрать лучшие из конструкций Си++, скомпоновав их в гармоничный «букет», но... новые языки приходят и уходят, а Си++ вбирает в себя все удачные решения своих конкурентов, становясь целым миром. И навряд ли найдется хоть один вменяемый программист, который осмелится утверждать, что он владеет этим миром во всей его полноте. Максимум на что он может претендовать — на ту малую часть, которую вмещает ум отдельно взятого индивидуума.

***

Заключение или есть ли свет в конце тоннеля?

Первые языки программирования были крайне простыми, изучались они быстро и легко, а потому при обучении основное внимание уделялось концептуальным понятиям — архитектуре, алгоритмам и т. д., однако языковые средства того времени были недостаточно выразительными для записи мыслей в наглядной удобочитаемой форме и код быстро превращался в «спагетти», которое было невозможно ни отлаживать, ни сопровождать, ни развивать. При достижении определенных размеров программы буквально «рушились» под собственной тяжестью и проще было переписать их заново, чем добавить пару строк в уже существующий код, что, естественно, не устраивало ни пользователей, ни программистов. Языки последующих поколений совершили качественный рывок вперед, избавившись от множества недостатков своих предшественников, но... при этом они так усложнились, что язык из инструмента для решения проблем сам по себе превратился в проблему, образовав предметную область шириной во всю жизнь. Алгоритмы оттеснились на задний план, и вузы стали выпускать молодых людей с кашей в голове и программирующих на Си++ еще хуже, чем на Бейсике—с кучей глобальных переменных и десятками классов, там где и трех функций хватило бы с избытком. .. Программирование усложнилось так, что стало уделом избранных. Появились консультанты по языку (не умеющие программировать вообще, но знающие Стандарт как отче наш, это что-то вроде искусствоведов, не нарисовавших ни одной картины, но с умным видом рассуждающих о правилах композиции, восходящих и нисходящих мажорных и минорных линиях и т. д.) При этом ни Си++, ни его последователи не решили поставленных перед ними проблем. Напротив, они открыли множество новых возможностей испортить дизайн программы так, что потом его никакими средствами уже не исправить. Если программу, написанную на процедурном языке, можно переписывать по частям, исправляя ее структуру путем декомпозиции, то с Си++ этот номер так просто не пройдет. Иерархия классов жестко задается на этапе проектирования и закладывается в программу точно железобетонный каркас, расширяемый только в одном направлении — в направлении наслаивания нового кода. В результате нас окружают программы-монстры, а программисты утрачивают возможность понимать друг друга. Изобилие языковых средств приводит к тому, что использование всех конструкций языка одновременно становится затруднительно и неоправданно. Даешь каждому программисту по парадигме! Ну и что с того, что остальные ни строчки не понимают! Никто же ведь и не обещал, что программировать—легко! А почему, собственно, программировать должно быть тяжело?! Почему мы ссылаемся на авторитеты всякий раз, когда чувствуем себя недостаточно компетентными?! Откуда вообще взялась слепая вера в то, что профессиональный программист обязан идти в ногу с прогрессом, осваивая новые библиотеки, языки и т. д.? И уже совсем не понятно, почему программирование превращается в соревнование, кто напишет самую непонятную программу с использованием новейших языковых средств. Программирование идет по пути непрерывного наращивания сложности, и эта гонка «вооружений» ничего хорошего в себе не несет. В мире есть только одна причина, способная поддерживать движение этой машины —деньги. Программное обеспечение невероятно дорого, и разработчикам хочется, чтобы оно было еще дороже. Программировать быстро, красиво и эффективно становится просто невыгодно, вот индустрия и движется к собственному краху огромными прыжками.

Остановить этот суицид очень просто—достаточно на законодательном уровне потребовать от производителей отвечать за свой продукт, выплачивая неустойку за каждую критическую ошибку. Программисты мгновенно одумаются и выкинут из программы все лишние узлы, а оставшиеся перепишут с использованием «легких» языковых средств, выбросив «заумные» и «тяжелые» в топку.

Впрочем, процесс упрощения языков пошел уже и без того. При всей моей нелюбви к С#, я все-таки вынужден признать, что это большой шаг вперед, поскольку из него выкинули кучу конструкций Си++, которые были слишком сложны для рядовых программистов. В результате на С# намного меньше шансов написать уродливую программу, и это вселяет надежду, что свет в конце тоннеля все-таки есть. Или это всего лишь встречный? Вопрос риторический, а значит, безответный.

Список литературы

IT спец № 07 ИЮЛЬ 2007