Х. Абельсон, Дж. Дж. Сассман, Дж. Сассман - Структура и интерпретация компьютерных программ (1108516), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Мы моделируемсостояние при помощи внутренних переменных, и изменение состояния мы моделируемчерез присваивание этим переменным. Пойдя по этому пути, мы делаем время выполнения вычислительной модели временем мира, частью которого мы являемся, и так внашем компьютере возникают «объекты».Моделирование при помощи объектов — мощная и интуитивно понятная техника,во многом потому, что она соответствует восприятию взаимодействия с миром, частьюкоторого мы являемся. Однако, как мы неоднократно видели в этой главе, в таких моделях возникают неудобные вопросы управления порядком событий и синхронизациимножественных процессов. Возможность избежать этих проблем стимулировала развитие функциональных языков программирования (functional programming languages), вкоторых нет понятий присваивания и изменяемых данных.
В таком языке все процедуры реализуют точно определенные математические функции, поведение которых неменяется. Функциональный подход весьма привлекателен при работе с параллельнымисистемами74 .С другой стороны, при более внимательном взгляде мы обнаружим, что и функциональные модели не избавляют от проблем, связанных со временем. Одна из самыхболезненных возникает, когда нам нужно проектировать интерактивные системы, особенно такие, которые моделируют взаимодействие между независимыми сущностями.
Кпримеру, рассмотрим еще раз реализацию банковской системы, которая позволяет иметьсовместные счета. В традиционной системе с присваиванием и объектами информацияо том, что у Петра и Павла есть общий счет, моделировалась бы тем, что и Петр, и73 Подобнымобразом в физике, когда мы наблюдаем за движением частицы, мы говорим, что позиция (состояние) частицы изменяется.
Однако с точки зрения мировой линии частицы в пространстве-времени никакогоизменения нет.74 Джон Бэкус, изобретатель Фортрана, привлек внимание к функциональному программированию, когдав 1978 году получил премию Тьюринга Американской Ассоциации по Вычислительным Машинам (ACM).В своей инаугурационной речи (Backus 1978) он горячо отстаивал функциональный подход. Хороший обзорфункционального программирования дается в книгах Henderson 1980 и Darlington, Henderson, and Turner 1982.334Глава 3. Модульность, объекты и состояниеПавел посылали бы заказы на транзакции одному и тому же объекту-банковскому счету, как мы видели в разделе 3.1.3. С точки зрения потоков, где «объекты» сами по себене существуют, банковский счет, как мы уже указывали, может моделироваться в видепроцесса, работающего с потоком заказов на транзакции и порождающего поток реакций.
Соответственно, информация о том, что Петр и Павел совместно владеют счетом,может моделироваться путем смешения потока заказов Петра на транзакции с потокомПавла и направления слитого потока в процесс-поток банковского счета, как показанона рисунке 3.38.Проблему в этой формулировке вызывает понятие слияния (merge). Неверным решением будет просто брать по очереди один заказ от Петра и один от Павла. Допустим,что Павел очень редко обращается к счету.
Не следует заставлять Петра ждать, покаПавел обратится к счету, прежде чем он сможет осуществить вторую транзакцию. Какбы ни было реализовано слияние, оно должно чередовать потоки транзакций так, чтобысоответствовать «реальному времени» с точки зрения Петра и Павла, в том смысле, чтоесли Петр и Павел встретятся, то они могут согласиться, что определенные транзакциипроизошли до встречи, а определенные после75 Это в точности то же самое ограничение,с которым нам приходилось сталкиваться в разделе 3.4.1, где у нас возникла необходимость ввести явную синхронизацию, чтобы добиться «правильного» порядка событий припараллельной обработке объектов, обладающих состоянием.
Таким образом, при попыткеподдержать функциональный стиль необходимость сливать потоки ввода от различныхагентов опять привносит те самые проблемы, от которых функциональный стиль долженбыл нас избавить.В начале этой главы мы поставили цель научиться строить вычислительные модели,чья структура соответствует нашему восприятию реального мира, который мы моделируем. Мы можем моделировать мир либо как собрание ограниченных во времени взаимодействующих объектов, обладающих состоянием, либо же как единую, вневременную,лишенную состояния сущность. Каждая из этих точек зрения имеет свои преимущества,но ни одна из них не удовлетворяет нас полностью.
Время великого объединения покане настало76 .75 Заметим, что для любых двух потоков в принципе существует более одного возможного способа чередования. Так что с технической точки зрения «слияние» не функция, а отношение — ответ не являетсядетерминистской функцией аргументов. Мы уже упоминали (в примечании 39), что недетерминизм имеет существенное значение при работе с параллельными процессами. Отношение слияния показывает тот же самыйнедетерминизм с функциональной точки зрения. В разделе 4.3 мы рассмотрим еще одну точку зрения нанедетерминизм.76 Объектная модель строит приближенное описание мира, разделяя его на отдельные фрагменты. Функциональная модель не проводит границ модулей по границам объектов. Объектная модель полезна тогда, когдараздельное состояние «объектов» намного больше, чем состояние, общее для всех или некоторых из них.Примером области, где объектный взгляд не работает, является квантовая механика, где попытки думать обобъектах как отдельных частицах ведут к парадоксам и недоразумениям.
Объединение объектного взглядас функциональным может иметь отношение не столько к программированию, сколько к фундаментальнымвопросам эпистемологии.ГЛАВА 4МЕТАЯЗЫКОВАЯАБСТРАКЦИЯ. . . Именно в словах кроется магия — втаких, как «абракадабра», «Сезам,откройся» и проч., — но магическиеслова из одной истории перестают бытьтаковыми в следующей.
Настоящаямагия состоит в том, чтобы понять, когдаи для чего слово сработает; трюк в том,чтобы выучить трюк.. . . А слова эти состоят из букв нашегоалфавита: пара дюжин закорючек,которые мы способны черкнуть пером.Вот где ключ. . . ! И сокровище тоже,если только мы сумеем его заполучить!Как будто. . .
как будто ключ ксокровищу и есть само сокровище!Джон Барт.«Химера»(Перевод Виктора Лапицкого)Исследуя науку проектирования программ, мы видели, что программисты-экспертыуправляют сложностью своих программ при помощи тех же общих методик, какимипользуются проектировщики всех сложных систем. Они сочетают элементарные единицы, получая при этом составные объекты, с помощью абстракции составных объектовформируют строительные блоки высших порядков, и при этом с целью сохранения модульности выбирают наиболее удобный общий взгляд на структуру системы.
Демонстрируя эти методы, мы использовали Лисп как язык для описания процессов и дляпостроения вычислительных объектов данных, и процессы — для моделирования сложных явлений реального мира. Однако по мере того, как мы сталкиваемся со все болеесложными задачами, мы обнаруживаем, что Лиспа, да и любого заранее заданного языкапрограммирования, недостаточно для наших нужд. Чтобы эффективнее выражать своимысли, постоянно приходится обращаться к новым языкам. Построение новых языковявляется мощной стратегией управления сложностью в инженерном проектировании; часто оказывается, что можно расширить свои возможности работы над сложной задачей,приняв новый язык, позволяющий нам описывать (а следовательно, и обдумывать) задачу новым способом, используя элементы, методы их сочетания и механизмы абстракции,специально подогнанные под стоящие перед нами проблемы1 .1 Та же самая идея встречается во всех областях техники.
Например, у инженеров-электронщиков существует множество языков для описания схем. Два из них — это язык электрических сетей и язык электрическихсистем. Язык сетей делает акцент на физическом моделировании устройств в терминах дискретных электриче-336Глава 4. Метаязыковая абстракцияПрограммирование изобилует языками. Есть физические языки, например, языки машинных кодов для конкретных компьютеров. Основным вопросом для них является представление данных и управления через отдельные биты памяти и машинные команды.Пишущий программы на машинном языке озабочен тем, чтобы при помощи данной аппаратуры создать системы и инструменты для эффективной реализации вычисления приограниченных ресурсах.
Языки высокого уровня, возводимые поверх машинных, скрывают вопросы конкретной реализации данных в виде набора битов и представления программ как последовательности машинных команд. В этих языках присутствуют средствакомбинации и абстракции, например определения функций, которые подходят для болеекрупномасштабной организации систем.Метаязыковая абстракция (metalinguistic abstraction), то есть построение новыхязыков, играет важную роль во всех отраслях инженерного проектирования.
Для компьютерного программирования она особенно важна, поскольку в программировании мыможем не только формулировать новые языки, но и реализовывать их через построениевычислителей. Вычислитель (evaluator) (или интерпретатор (interpreter)) для языкапрограммирования — это процедура, которая, будучи примененной к выражению языка,производит действия, необходимые для вычисления этого выражения.Без преувеличения можно сказать, что самая основополагающая идея в программировании такова:Вычислитель, который определяет значение выражений в языке программирования — всего лишь обычная программа.С этой мыслью приходит и новое представление о себе самих: мы начинаем видеть всебе разработчиков языков, а не просто пользователей языков, придуманных другими.На самом деле, почти любую программу можно рассматривать как вычислитель длякакого-то языка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
