Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

Хорошая нотация обладает тонкостью и выразительностью, которая со временем делает ее почти похожей на живого учителя.

The World of Mathematics (1956) —Бертранд Рассел (Bertrand Russell)

Одним из самых последовательных результатов крупномасштабных исследований ошибок в программировании является то, что уровень ошибок программиста, выраженный в количестве дефектов на 100 строк кода, почти не зависит от языка, на котором написана программа[76]. Высокоуровневые языки, которые позволяют добиться больших результатов, используя меньшее количество строк, также означают меньшее количество ошибок.

В Unix имеется давняя традиция поддержки небольших языков, предназначенных для определенной прикладной области, языков, которые могут способствовать в радикальном сокращении количества строк кода в программах. Примеры узкоспециальных (domain-specific) языков включают в себя многочисленные языки разметки текстов (troff, eqn, tbl, pic, grap), утилиты оболочки (awk, sed, dc, bc) и средства разработки программного обеспечения (make, уасс, lex). Невозможно провести четкие границы между узкоспециальными языками и более гибким видом файлов конфигурации программ (sendmail, BIND, X), или форматами файлов данных, или языками сценариев (которые рассматриваются в главе 14).

В сообществе Unix для таких языков узкоспециального назначения исторически определилось название "малые языки" или "мини-языки" , поскольку ранние их примеры были небольшими и имели небольшую сложность по сравнению с универсальными языками (в настоящее время широко используются все 3 термина для данной категории). Однако если предметная область сложна (тем, что имеет множество различных примитивных операций или включает в себя манипуляцию сложными структурами данных), то для нее может понадобиться прикладной язык, гораздо более сложный, чем некоторые универсальные языки. В данной книге используется традиционный термин "мини-язык" (minilanguage), для того чтобы подчеркнуть, что мудрое решение обычно заключается в сохранении данных конструкций небольшими и простыми насколько это возможно.

Узкоспециальный небольшой язык — чрезвычайно мощная конструкторская идея. Он позволяет определить собственный высокоуровневый язык для указания соответствующих методов, правил и алгоритмов, направленных на разрешение ближайшей задачи, сокращая глобальную сложность по сравнению с конструкцией, в которой для тех же целей используется жестко встроенный низкоуровневый код. Прийти к использованию мини-языка можно как минимум тремя путями, два из которых хороши, а один опасен.

Один из верных путей заключается в том, чтобы заранее осознать возможность использования конструкции на основе мини-языка, для того чтобы поднять данную спецификацию проблемы программирования на уровень выше к форме записи, которая является более компактной и выразительной, чем нотация, поддерживаемая в универсальном языке. Как и в случае с генерацией кода и создания программ, управляемых данными, мини-язык позволяет извлечь практическое преимущество из того факта, что количество ошибок в программном обеспечении будет почти не зависеть от уровня используемого языка; использование более выразительных языков означает более короткие программы и меньшее количество ошибок.

Второй правильный путь — заметить, что один из файловых форматов разрабатываемой спецификации очень похож на мини-язык, т.е. в нем развиваются сложные структуры и подразумеваются действия в контролируемом приложении. Можно ли с помощью данного языка попытаться описать управляющую логику так же, как форматы данных? Если это так, то, возможно, настало время перевести управляющую логику из неявного вида в явный в языке спецификации.

Ошибочный путь к конструкции мини-языка — это растягивать путь к нему, постепенно добавляя заплатки и сложные функции. На этом пути файл спецификации содержит задатки более скрытой управляющей логики и более замысловатых специализированных структур до тех пор, пока незаметно не станет сложным уникальным языком. Несколько "легендарных кошмаров встают" на этом пути. Каждый Unix-гуру вздрогнет при упоминании конфигурационного файла sendmail.cf, связанного с почтовым транспортом sendmail.

К сожалению, большинство разработчиков создают свой первый мини-язык ошибочным способом и только позднее осознают, насколько он запутан. Как очистить мини-язык? Иногда ответ предполагает переосмысление конструкции всего приложения. Другим печально известным примером был редактор TECO, в котором возник первый макрос, а затем появились циклы и условные операторы по мере того, как программисты хотели использовать его для упаковки редактирующих подпрограмм с возрастающей сложностью. Созданная в результате уродливая конструкция была в конечном итоге исправлена путем переработки всего редактора, основанного на заранее продуманном языке. Так развивался Emacs Lisp (который рассматривается ниже).

Все достаточно сложные файлы спецификаций поднимаются до уровня мини- языков. Поэтому часто единственный способ обезопасить себя от создания плохого мини-языка заключается в том, чтобы знать, как создать хороший мини-язык. Это не должно быть сопряжено с неимоверными трудностями и наличием особых знаний относительно формальной теории языков. Вполне достаточно практического проектирования с помощью современных инструментов, изучения немногих относительно простых технических приемов и ознакомления с хорошими примерами.

В данной главе рассматриваются все виды мини-языков, обычно поддерживаемых в Unix. Кроме того, ниже определяются ситуации, в которых каждый из них представляет эффективное конструктивное решение. При этом данная глава не является исчерпывающим каталогом Unix-языков, а скорее направлена на выявления принципов конструирования, задействованных в структурировании приложений вокруг мини-языка. Универсальные языки программирования более подробно рассматриваются в главе 14.

Начать следует с небольшой классификации, которая поможет лучше понять дальнейший материал.

8.1. Классификация языков

Все языки, представленные на рис. 8.1, описываются в учебных примерах этой или других глав данной книги. Описание универсальных интерпретаторов, показанных в правой части схемы, приведено в главе 14.

В главе 5 рассматривались Unix-соглашения для файлов данных. В них имеется определенный спектр сложности. На самом низком уровне находятся файлы, в которых создаются простые ассоциации между именами и свойствами, хорошими примерами таких форматов являются файлы /etc/passwd и .newsrc. Далее представлены форматы, которые осуществляют маршалинг или сериализацию структур данных. Одинаково хорошими примерами в данном случае являются форматы PNG и SNG.

Структурированные форматы файлов данных начинаются на границе мини-языков, когда они выражают не только структуру, но и действия, выполняемые в некоторой интерпретирующей среде (т.е. памяти за пределами самого файла данных). XML-разметка стремится "перешагнуть" эту границу. Примером такого мини-языка, представленным в данной главе, является Glade, генератор кода для создания GUI-интерфейсов. Форматы, которые одновременно разработаны для чтения и записи человеком (скорее человеком, чем программами) и используются для генерации кода, прочно укрепились в области мини-языков. Классическими примерами являются утилиты yacc и lex. Программы glade, yacc и lex описываются в главе 9.

Макропроцессор Unix, m4 представляет собой другой очень простой декларативный мини-язык (т.е. язык, в котором программа выражается как набор желаемых связей или ограничений, а не как явные действия). Он часто используется в качестве препроцессора для других мини-языков.

Рис. 8.1. Классификация языков

make-файлы Unix, предназначенные для автоматизации процесса сборки, выражают зависимости между исходными и производными файлами[77], а также команды, необходимые для создания каждого производного файла из его исходного кода. При выполнении команда make использует данные объявления для обхода предполагаемого дерева зависимостей, выполняя наименьшую необходимую работу для обновления сборки. Подобно спецификациям yacc и lex, make-файлы являются декларативным мини-языком. Они устанавливают ограничения, которые предполагают действия, выполняемые в интерпретирующей среде (в данном случае в той части файловой системы, где расположены исходные и сгенерированные файлы), make-файлы дополнительно рассматриваются в главе 15.

Язык XSLT, который используется для описания трансформаций XML-файлов, соответствует верхнему уровню сложности декларативных мини-языков. Он довольно сложен для того, чтобы рассматривать его как мини-язык, однако разделяет некоторые важные характеристики таких языков, которые подробнее рассматриваются ниже при изучении XSLT.