Искусство программирования для Unix

Реймонд Эрик Стивен

В Unix поддерживается более широкий по сравнению с любой другой операционной системой диапазон языков прикладного программирования. Фактически Unix способна поддерживать больше различных языков, чем все вместе взятые операционные системы в истории вычислительной техники [117] .

Существует по крайней мере две весомые причины столь значительного разнообразия. Во-первых, широкое использование операционной системы Unix как исследовательской и обучающей платформы. Второй причиной (гораздо более значимой для работающих программистов) является тот факт, что подбор подходящего языка (или языков) для конструкции приложения может привести к огромным различиям в продуктивности программиста. Следовательно, Unix-традиции поддерживают

проектирование узкоспециальных языков (как было сказано в главах 7 и 9) и языков, которые в настоящее время обычно называются языками сценариев, разработанных специально для связывания между собой других приложений и инструментальных средств.

117

Подробности на странице <ftp://ftp.idiom.com/pub/compilers-list/free-compilers> (Список бесплатных компиляторов и интерпретаторов).

Понятие "язык сценариев" (scripting language), вероятно, происходит от термина "сценарий" (script), который применялся к заранее подготовленному вводу для программы, обычно работающей в интерактивном режиме, в частности, sh или ed — гораздо более уместный термин, чем "runcom", унаследованный Unix от предка, операционной системы CTSS. Слово "script" появляется в руководстве для системы V7 (1979). Я не помню, кто именно придумал это название.

Дуг Макилрой.

В действительности термин "язык сценариев" несколько неудобен. Многие из основных языков, обычно описываемых как языки сценариев (Perl, Tcl, Python и другие), уже переросли первоначальные задачи создания сценариев и в настоящее время являются самостоятельными универсальными языками программирования значительной мощности. Данный термин склонен срывать сильное сходство в стиле с другими языками, которые обычно не причисляются к этой группе, особенно с Lisp и Java. Единственным аргументом, оправдывающим нынешнее использование данного понятия, является тот факт, что лучшего термина еще никто не придумал.

Частично причиной того, что данные языки можно объединить в группу "языков сценариев" является то, что все они имеют почти совершенно идентичный онтогенез. Наличие динамической среды для интерпретации также сравнительно облегчает автоматизацию управления динамической памятью. Автоматизация управления динамической памятью требует использования ссылок (трудных для понимания адресов памяти, которые разработчик не в состоянии вычислять) вместо распространения копий значений или явных указателей. Использование ссылок делает динамический полиморфизм и ОО-методики следующим простым этапом.

Для того чтобы эффективно применять философию Unix, инструментарий программиста должен включать в себя не только С. Программисту потребуется изучить использование некоторых других языков в Unix (особенно языков сценариев), а также способы удобного сочетания нескольких языков, каждый из которых играет особую роль в крупных программных системах.

В данной главе рассматривается язык С и его наиболее важные альтернативы, обсуждаются их сильные и слабые стороны, а также виды задач, которым они наилучшим образом соответствуют. Ниже описываются языки С, С++, shell, Perl, Tcl, Python, Java и Emacs Lisp. Каждый обзорный раздел включает в себя учебные примеры приложений, написанных с использованием данных языков, а также ссылки на другие примеры и учебные материалы. Высококачественные реализации всех данных языков доступны в Internet в виде открытого исходного кода.

Внимание: выбор языка прикладного программирования является одним из основных идеологических вопросов в сообществе Internet/Unix. Люди сильно привязываются к данным средствам и иногда защищают их вопреки здравому смыслу. Если глава достигнет своей цели, то вполне может оскорбить фанатичных приверженцев всех языков, однако все остальные разработчики почерпнут из нее немало полезного.

14.2. Доводы против С

С — естественный язык операционной системы Unix. С начала 1980-х годов он стал доминировать в системном программировании почти повсеместно

в компьютерной индустрии. За пределами сокращающейся ниши Fortran в научных и инженерных вычислениях, а также исключая невидимую массу финансовых приложений на языке COBOL в банках и страховых компаниях, С и его потомок С++ уже более десяти лет доминируют в прикладном программировании.

Поэтому утверждение о том, что С и С++ почти всегда являются неподходящим связующим материалом для начала разработки новых приложений, может показаться неверным. Тем не менее, оно справедливо. С и С++ оптимизируют машинную эффективность ценой увеличения времени реализации и (особенно) отладки. Несмотря на то, что писать на С или С++ системные программы и чувствительные ко времени выполнения ядра приложений все еще имеет смысл, мир значительно изменился со времен возвышения этих языков в 1980-х годах. Сегодня процессоры в тысячи раз быстрее, модули памяти в тысячи раз больше, а диски в десять тысяч раз больше, причем примерно по тем же ценам [118] .

118

За пределами мира Unix этот прирост аппаратной производительности на три порядка в значительной мере затмевается соответствующим понижением производительности программ.

Падение цен фундаментально изменило экономику программирования. В большинстве обстоятельств уже не имеет смысла так экономить аппаратные ресурсы, как это позволяет С. Напротив, экономически оптимальный выбор состоит в минимизации времени отладки и максимизации возможности долгосрочного сопровождения кода. Следовательно, большинство видов реализации (включая создание прототипов приложений) лучше обслуживаются более новым поколением интерпретируемых языков и языков сценариев. Эта трансформация точно соответствует тем условиям, которые на предыдущем витке исторической спирали привели к восхождению C/C++ и снизили важность программирования на ассемблере.

Центральной проблемой С и С++ является то, что они требуют от программистов самостоятельно осуществлять управление памятью — объявлять переменные, явно управлять связными списками, определять размеры буферов, обнаруживать или предотвращать переполнение буферов, а также распределять и высвобождать динамическую память. Некоторые из указанных задач могут быть автоматизированы путем искусственных действий, таких как дополнение С программой сборки мусора, например, реализация Boehm-Weiser, однако конструкция С такова, что подобное решение не может быть совершенным.

Управление памятью в С — серьезный источник трудностей и ошибок. По оценкам одного исследования (цитата из [9]), 30 или 40% времени разработки отводится на управление памятью в программах, которые манипулируют сложными структурами данных. В это число даже не включаются затраты на отладку. Несмотря на отсутствие точных данных, многие опытные программисты уверены, что ошибки управления памятью являются единственным крупнейшим источником постоянных ошибок в реальном коде [119] . Переполнение буфера является обычной причиной аварий и брешей в системе безопасности. Управление динамической памятью особенно чревато порождением коварных и трудно отслеживаемых ошибок, таких как утечки памяти и проблемы недействительного указателя.

119

Серьезность данной проблемы подтверждается богатым сленгом, выработанным Unix-программистами для описания различных ее разновидностей: "псевдонимная ошибка" (aliasing bug), "нарушение выделенной области памяти" (arena corruption), "утечка памяти" (memory leak), "переполнение буфера" (buffer overflow), "разрушение стека" (stack smash), "отклонение указателя" (fandango on core), "недействительный указатель" (stale pointer), "подкачка памяти" (heap trashing), а также вызывающее справедливые опасения "вторичное повреждение" (secondary damage). Пояснения приведены в Словаре хакера <http://www.catb.org/~esr/jargon>.