"Этот великолепный храм - несравненное произведение искусства.
В догмах, которые он утверждает, нет ни черствости, ни беспорядка.
Это зенит стиля, работа художников, которые осознали и творчески переработали
опыт
своих предшественников, полностью овладели методами своего времени,
но использовали их, нигде не проявляя никакой чрезмерности.
Несомненно, что именно Жан Э'0рбе разработал общий план,
которого придерживались, по крайней мере в важнейших чертах, его последователи.
В этом заключается, одна из причин полной гармонии всего сооружения".
(Путеводитель по Рейнскому Собору)
Концептуальное единство
Отдельные части всех европейских соборов различаются по своему стилю, потому что они создавались разными поколениями строителей. Каждое новое поколение пыталось "улучшить" старый проект в соответствии с изменениями моды или же различиями индивидуальных вкусов. Спокойный норманский трансепт примыкает к парящему готическому нефу и одновременно противоречит ему, а целое демонстрирует как славу божью, так и самоуверенную гордыню строителей.
На этом фоне архитектурное единство Реймского собора производит, по контрасту, особенно сильное впечатление. Радость, которую испытывает зритель, вызвана в равной мере как единством проекта, так и отдельными его достоинствами. Как говорит путеводитель, этого единства удалось достичь благодаря самоотречению восьми поколений строителей, каждое из которых какую-нибудь свою идею приносило в жертву чистоте замысла. Результат провозглашает не только величие бога, но и величие людей, сумевших преодолеть свою гордыню.
Хотя создание систем программирования и не занимает несколько столетий, почти все они страдают отсутствием концептуального единства, причем в гораздо большей степени, нежели соборы. Обычно это вызвано не последовательной сменой главных разработчиков, а разбиением проекта на множество частей, выполняемых многими людьми.
Я продолжаю настаивать на том, что концептуальное единство является самым важным соображением при проектировании системы. Лучше иметь систему, не имеющую некоторых не слишком существенных свойств, но воплощающую в единое целое множество концепций проектирования, чем систему, содержащую много хороших, но независимых и нескоординированных идей.
В этой и двух последующих главах мы рассмотрим именно эту сторону создания систем программирования и попытаемся ответить на вопросы:
Как добиться концептуального единства проекта?
Не подразумевает ли такая постановка проблемы деления на элиту, т. е. аристократов-архитекторов, и серую массу плебеев-программистов, творческие таланты и идеи которых всячески подавляются?
Как удержать архитектора от витанпя в облаках, от создания нереализуемых или просто дорогих спецификаций?
Как добиться того, чтобы каждая, даже незначительная деталь спецификации, сделанной архитектором, дошла до исполнителя, была им правильно осмыслена и нашла свое место в конечном продукте?
Как добиться концептуального единства
Система программирования предназначена для того, чтобы облегчить пользование вычислительной машиной. С этой целью создаются -машинные языки и другие различные средства, являющиеся по существу программами. Обращение к ним и управление ими тоже выполняется с помощью машинного языка. Но эти средства весьма дороги: внешнее описание системы программирования стоит в десять-двадцать раз больше, чем внешнее описание самой вычислительной системы. Пользователю гораздо легче самому определить любую требуемую функцию, чем выбрать ц запомнить множество вариантов, форматов и т. п.
Пользование облегчается, если время, выигранное благодаря функциональным возможностям, больше времени, потерянного на изучение, запоминание и поиски в руководствах. В современных системах программирования этот выигрыш - больше затрат, хотя за последнее время отношение выигрыша к затратам уменьшилось в связи с появлением все более сложных функций. Я все еще вспоминаю, как просто было работать на машине IBM-650, даже без ассемблера и вообще без какого бы то ни было программного обеспечения.
Поскольку простота пользования - основная цель при проектировании, то соотношение между функциональными возможностями и концептуальной сложностью является высшим критерием системного проекта. Ни функциональность, ни простота сами по себе не гарантируют его высокого качества.
Заблуждения на этот счет распространены чрезвычайно широко. Создатели операционной системы OS/360 объявили ее лучшей из всех существующих на том основании, что она выполняет больше всех функций. Функциональные возможности, а не простота, всегда считались критерием ее качества. С другой стороны, система разделения времени для PDP-10 провозглашалась ее создателями наилучшей именно из-за ее простоты п немногочисленности идей, на которых она основывается. Однако по своим функциям система PDP-10 не может быть отнесена к тому же классу, что п OS/360. Коль скоро в качестве критерия выбирается простота в пользовании, то обе эти системы соответствуют идеалу только наполовину.
На заданном уровне функциональных возможностей следует, однако, признать наилучшей ту систему, в которой различные задания выражаются с максимальной простотой п непосредственностью. Только простоты недостаточно. Язык TRAC, разработанный Муерсом, и алгол-68 достигли простоты, если ее измерять числом различных элементарных понятий. Однако они не обладают непосредственностью. Для выражения требуемых функций там зачастую используются весьма неожиданные и запутанные комбинации основных средств. Недостаточно выучить только элементы и правила их сочетания; необходимо знать также случаи идиоматического употребления, целый свод сведений о том, как элементы сочетаются на практике. Простота и непосредственность вытекают из концептуального единства. Каждая часть должна следовать одним п тем же принципам и одной и той же балансировке наших потребностей. Каждая часть должна использовать одну и ту же технику синтаксиса и одинаковые понятия в семантике. Таким образом, простота в пользовании диктует требования единообразия, т. е. концептуального единства при проектировании.
Аристократия и демократия
Концептуальное единство, в свою очередь, требует, чтобы весь проект исходил из одной головы, или же из нескольких, работающих в полном согласии.
Однако график требует, чтобы система создавалась многими людьми. Существуют два метода решения этой дилеммы. Первый - это тщательное разделение труда между разработкой архитектуры и реализацией системы. Второй - это новый способ организации коллективов программистов, предложенный выше.
Отделение архитектурных проблем от реализации является весьма эффективным путем достижения концептуального единства очень больших проектов. Я убедился в этом на примере успешного создания фирмой IBM вычислительной машины Stretch и промышленной серии ЭВМ Системы 360.
Отсутствие такого подхода сказалось при разработке операционной системы OS/360.
Под архитектурой системы я понимаю полную и подробную спецификацию ее сопряжения с пользователем. Для вычислительной машины это руководство по программированию. Для транслятора - руководство по входному языку. Для управляющей программы - руководство по одному или нескольким языкам, используемым для обращения к ее функциям. Для системы в целом - это объединение всех тех руководств, к которым должен обращаться пользователь, чтобы решить свою задачу.
Архитектор системы, как и архитектор, проектирующий здание,- агент пользователя. Его работа заключается в том, чтобы использовать свои профессиональные и технические знания исключительно в интересах пользователя, в противоположность интересам коммивояжера, производителя и т. д. 2).
Необходимо тщательно отделять архитектуру от реализации. Как сказал Блау, "Там, где архитектура говорит, что происходит, разработка говорит, как это должно происходить"3). В качестве простого примера он приводит часы, архитектура которых - циферблат, стрелки и головка завода. Когда ребенок познакомится с этой архитектурой, он с одинаковой легкостью сможет определять время как по ручным часам, так и по башенным курантам. Разработка и реализация, однако, каждый раз описывают внутреннюю структуру - механизмы, приводящие часы в действие и обеспечивающие точность хода. В Системе 360, например, одна машинная архитектура реализована совершенно по-разному в каждой из девяти моделей, и наоборот, одна реализация, средства обмена, память и микропрограммы модели 360/30 используются в четырех различных архитектурах: серия ЭВМ Системы 360, мультиплексный канал с 224 логическими независимыми подканалами, селекторный канал и вычислительная машина IBM-1401 4).
Такое разграничение в равной степени применимо и к системам программирования. Существует стандартный фортран IV. Он является архитектурой для многих трансляторов. В рамках этой архитектуры возможны самые различные реализации: программа в оперативной памяти пли транслятор в оперативной памяти, быстрая трансляция или оптимизация, синтаксически ориентированный или "прямой" транслятор. Подобным образом любой язык ассемблера или язык управления задачами допускает разные реализации ассемблера или планировщика.
Теперь мы обратимся к более эмоциональной стороне проблемы: аристократия против демократии. Разве не образуют архитекторы своего рода аристократию, интеллектуальную элиту, которая указывает разработчикам, что им следует делать? Не отбирает ли эта элита всю творческую работу, отводя разработчикам роль "винтиков"? Может быть, конечный продукт улучшится, если, следуя принципам демократии, позволить всему коллективу генерировать идеи, а не ограничиваться спецификациями, разработанными всего несколькими людьми? Последний вопрос самый легкий. Я, естественно, не собираюсь настаивать на том, что только у архитекторов могут быть хорошие архитектурные идеи. Довольно часто свежая мысль исходит от разработчика пли от пользователя. Однако весь мой опыт убеждает меня в том, что именно концептуальное единство системы определяет легкость его использования, и я попытаюсь это показать. Предлагаемые средства и идеи сами по себе могут быть очень хороши, но если они не составляют единого целого с основными концепциями системы, от них лучше отказаться. Если же таких отличных, но несовместимых идей оказалось много, остается только выбросить в мусорную корзинку всю систему и заняться созданием новой, обладающей единством и построенной на других основных идеях.
Что касается вопроса о появлении новой аристократии, то следует ответить и да, и нет.
Да - в том смысле, что архитекторов всегда немного, а конечный продукт их деятельности живет дольше, чем результаты труда разработчиков, и архитектор находится в центре всех усилий по проектированию системы, защищая интересы пользователей. Если система должна обладать концептуальным единством, то необходим кто-то, следящий за этими концепциями. Это и есть та аристократия, которая не нуждается в извинениях.
Нет - потому что разработка внешних спецификаций - ничуть не более творческая работа, чем разработка проектов. Просто это другая работа. Разработка проекта, если архитектура уже имеется, требует от исполнителей и позволяет им в той же мере проявлять творческие способности и выдавать новые идеи, как и создание внешних спецификаций. По существу отношение стоимости продукта к его производительности в основном зависит от разработчика, в то время как простота пользования зависит от архитектора.
Существует множество примеров из других областей искусства и ремесла, заставляющих поверить в то, что дисциплина полезна. Как утверждает афоризм, распространенный среди художников, "форма освобождает". Хуже всего получаются сооружения, бюджет которых -больше, чем это нужно для достижения поставленной цели. Вряд ли необходимость каждую неделю писать по кантате отрицательно сказывалась на творческих возможностях Баха. Я уверен, что архитектура вычислительной машины Stretch много выиграла бы от введения более строгих ограничений; так, ограничения, накладываемые бюджетом модели 30 Системы 360, по моему мнению, положительно сказались на архитектуре модели 75. Аналогично я подметил, что заданная архитектура повышает, а не подавляет творческие возможности группы разработчиков. Они сразу же сосредоточиваются на той части проблемы, которой еще не занимались, и в результате появляются творческие находки. Если же на работу группы не накладывается никаких ограничений, то много времени и усилий, размышлений и обсуждений уйдет на архитектурные решения, а с самой реализацией они справятся очень быстро 5).
Существование этого эффекта, который я наблюдал неоднократно, подтверждает Р. Конвей - руководитель группы, создавшей транслятор PL/G с языка PL/I в Корнелльском университете. Он говорит: "В конце концов, мы решили реализовать язык без всяких изменений и улучшений, потому что дебаты по этому вопросу отняли бы у нас все силы"6).
Чем может заполнить разработчик период ожидания?
Ошибка, стоимостью в несколько миллионов долларов, служит очень горестным уроком, но запоминается надолго. Я живо помню тот вечер, когда мы принимали решение о написании внешних спецификации для OS/360. Руководитель группы архитекторов ЭВМ, руководитель отдела разработки управляющих программ и я бились над планом, графиком и распределением обязанностей.
В группе архитекторов было 10 отличных специалистов. Ее руководитель утверждал, что они могут написать спецификации, и сделают это хорошо. Но на это потребуется 10 месяцев, на три месяца больше, чем допускал график.
В отделе управляющих программ было 150 человек. Ее руководитель говорил, что, взаимодействуя с архитекторами, они смогут подготовить практичные спецификации высокого качества и при этом уложиться в график. Если же этим займутся архитекторы, то его 150 человек будут десять месяцев бить баклуши. На это архитектор отвечал, что если я поручу написание спецификаций отделу управляющих программ, то мы не только не дождемся результатов вовремя, но получим их на три месяца позже и они окажутся гораздо хуже. Так ц получилось. Архитектор был прав во всех отношениях. Кроме того, отсутствие концептуального единства увеличило стоимость создания и модификации системы п, по моим оценкам, удлинило срок отладки по меньшей мере па год.
Много факторов, конечно, повлияло на принятие этого ошибочного решения, но главными были график п желание дать работу 150 разработчикам. Сирены пели мне именно эту песню, ц теперь-то я вижу всю ее смертельную опасность.
Когда речь заходит о том, чтобы поручить маленькой группе архитекторов создание всех внешних спецификаций для вычислительной машины или системы программирования, разработчики выдвигают три возражения:
спецификации будут слишком разнообразны по функциям, но не учтут практическую стоимость реализации;
архитекторы сделают всю творческую часть работы, лишив разработчиков возможности что-либо придумать самим;
большому числу разработчиков придется простаивать, в то время как спецификации будут проходить через игольное ушко, называемое группой архитекторов.
Первое представляет реальную опасность и подробнее будет рассматриваться в следующей главе. Два других возражения - не более, чем мираж. Как мы уже убедились, разработка - тоже творческая деятельность. Возможности для творчества и проявления изобретательности при разработке не уменьшаются сколько-нибудь значительно из-за необходимости работать с заданными внешними спецификациями, а степень проявления творческой активности может даже возрасти благодаря дисциплине. Конечный же продукт, вне всякого сомнения, от этого только выиграет.
Последнее возражение касается распределения времени и этапов работы. Первый ответ, приходящий на ум, заключается в том, что не нужно нанимать разработчиков до тех пор, пока не будут готовы спецификации. Именно так поступают при строительстве здания.
Однако в системном программировании темпы выше и график очень уплотнен. Насколько можно совместить этапы создания спецификаций и самого строительства?
Как подчеркивает Блау, в творческой деятельности выделяются три различные этапа: архитектура, разработка и реализация. На практике оказывается, что все этапы могут начинаться одновременно и проходить параллельно.
При проектировании вычислительной машины, например, разработчик уже может начинать работу, даже если он имеет довольно смутные представления о принципах действия, несколько более ясные технологические идеи и четко определенные понятия о стоимости и производительности. Он может начать проектировать информационные связи, управляющие последовательности, принципы компоновки п т.д. Он придумывает пли совершенствует средства, которые ему потребуются, особенно систему документирования, включая систему автоматизации проектирования.
Одновременно может проходить разработка и устранение недостатков у интегральных схем, плат, кабелей, стоек, источников питания, запоминающих устройств и т. д., и составляться документация для них.
Эта работа выполняется параллельно с созданием архитектуры и ее реализацией.
Аналогично обстоит дело и при проектировании систем программирования. Задолго до того, как завершены спецификации, у разработчика уже много дел. Обладая некоторыми приблизительными сведениями о функциях системы, которые получат свое отражение во внешних спецификациях, он уже может действовать. Он должен точно знать поставленные ему сроки и отведенные средства. Он должен знать машину, на которой будут пропускаться его программы. Далее он может приступить к разработке сопряжения модулей, структуры таблиц, алгоритмов, распределению работы по фазам. Некоторое время следует затратить на установление контактов с архитекторами.
Кроме того, и здесь на уровне реализации также много параллельной работы. В программировании тоже есть технология. Если машина новая, то предстоит большая работа с подпрограммами, супервизором, алгоритмами поиска и сортировки 7).
Концептуальное единство действительно требует, чтобы система отражала единую философию и чтобы спецификации в том виде, в каком они доходят до пользователя, исходили от нескольких человек. Реалъное разделение труда на архитектуру, разработку и реализацию вовсе не означает, чуб на создание системы в целом, спроектированной таким образом, потребуется больше времени. Опыт показывает обратное, а именно, отдельные модули быстрее объединяются в систему, и на се отладку требуется меньше времени. Таким образом, широко распространенное горизонтальное разделение труда сокращается за счет вертикального разделения труда, при этом существенно упрощается обеспечение связи и повышается концептуальное единство проекта.