Страница:
По-видимому, нужно систематизировать и публиковать данные о производительности, о частоте ошибок, правила выведения оценок и т. д. Профессионалы только выиграют от возможности совместного использования таких данных.
До тех пор, пока методы оценки не станут более надежными, руководителям придется проявлять твердость характера и защищать собственные оценки, следуя своей интуиции.
Нарастающие катастрофы с графиком
Что нужно предпринять, когда важный программистский проект не укладывается в график? Естественно, добавить рабочей силы. Как видно на рисунках (2.1- 2.4), иногда это помогает, а иногда - нет.
Давайте рассмотрим пример3). Допустим, что трудоемкость задачи оценена в 12 человеко-месяцев и троим сотрудникам отвели на нее 4 месяца, причем установили количественные вехи А, В, С и D, которых в соответствии с графиком нужно достичь в конце каждого месяца (рис. 2.5).
Допустим теперь, что первая отмотка достигнута только через два месяца (рис. 2.6). Перед какими альтернативами оказался руководитель?
1. Допустим, что задачу нужно сделать вовремя. Допустим также, что неверно оценено только время выполнения первой части (см. рис. 2.6). Тогда остается 9 человеко-месяцев усилий и два месяца времени, т. е. задача требует 4,5 человека. Добавим двоих людей к трем первоначальным.
2. Допустим, что .задачу нужно сделать вовремя. Допустим также, что время выполнения было занижено, а реальное положение дел представлено на рис. 2.7. Тогда остается 18 человеко-месяцев работы и два месяца времени, т. е. понадобится 9 человек. Добавим шестерых к трем первоначальным работникам.
3. Составление нового графика. Мне нравится девиз П. Фагга, опытного инженера, специалиста по вычислительной технике: "Не исправляйте понемногу". Другими словами, делайте новый график достаточно свободным, чтобы работу можно было сделать тщательно и основательно без последующего перепланирования.
4. Ослабление задания. На практике это происходит довольно часто, когда рабочий коллектив вдруг обнаруживает отставание от графика. Если вторичная стоимость задержки очень высока, это является единственно приемлемым. У руководителя есть голько две возможности: или тщательно и формально сократить задание, составив новый график, или же просто наблюдать, как поспешное проектирование и незавершенная отладка мало-помалу сокращают объем задачи.
В двух первых случаях настаивать на том, чтобы задача бело всяких изменений была закончена за четыре месяца, по меньшей мере ошибочно. Рассмотрим, например, какие помехи возникают в первом случае (рис. 2.8).
Для того, чтобы ввести в курс дела двух новых людей, пусть даже вполне компетентных и опытных, нужен один старый работник. Если. ему на это потребуется месяц, то 3 человеко-месяца будут отданы работе, никак не учитывающейся первоначальными планами. Кроме того, задачу, ранее поделенную на три части, теперь придется поделить на пять частей, следовательно, часть уже проделанной работы пропадет, а комплексная отладка значительно удлинится. Значит, к концу третьего месяца останется больше 7 человеко-месяцев работы, 5 обученных людей и месяц времени. Как видно из рис. 2.8, сроки выполнения задания не сократились, несмотря па появление новых людей (см. рис. 2.6).
Чтобы выйти из положения, даже рассматривая только время на обучение и не учитывая перераспределения задачи и дополнительной отладки, потребовалось бы в конце второго месяца добавить не двоих, а четверых людей. Чтобы покрыть затраты на перераспределение и комплексную отладку, нужен еще один человек. Теперь, однако, рабочий коллектив состоит не из троих, а, по крайней мере, из семерых людей, и принципы организации работы, распределения заданий и прочее уже отличаются от прежних не только количественно, но и качественно.
Заметим, что к концу третьего месяца дела обстоят очень плохо. Отметка "I марта" все еще не достигнута, несмотря на усилия руководителя. Очень велик соблазн повторить весь цикл и привлечь дополнительных работников. Но это безумный путь.
В данном примере предполагалось, что только первая веха была установлена неправильно. Если же 1-го марта Припять более осторожное допущение, что весь график (см. рис. 2.7) слишком оптимистичен, то нужно к первоначальному коллективу добавить еще шесть человек. Предоставляем читателю в качестве упражнения вычислить, во что выльется обучение, перераспределение заданий, комплексная отладка. Но нет никаких сомнений в том, что полученный продукт будет хужо, а его осуществление потребует больше времени, чем в случае, когда исходная группа также состояла из 3 человек, но график был бы другим.
Крайне упрощая, мы сформулируем закон Брукса:
"Если программистский проект не укладывается в сроки, то добавление рабочей силы только задержит его окончание".
Таким образом, мы развеиваем миф о человеко-месяце. Число месяцев, отводимых на проект, зависит от ограничений на его линейность. Максимальное число людей зависит от числа независимых подзадач. Исходя из г"тпх двух величрга, можно построить график, рассчитанный на меньшее число людей и большее количество месяцев. (Единственная опасность заключается в том, что конечный продукт устареет.) Нельзя, однако, составить работоспособный график, используя больше людей и меньше месяцев. В большинстве программистских проектов дела шли скверно скорее всего из-за нехватки календарного времени, нежели по всем другим причинам, вместе взятым.
III. ХИРУРГИЧЕСКАЯ БРИГАДА
"Эти исследования обнаружили большие различия в пределах индивидуальной производительности - иногда даже на целый порядок".
(Сакмен, Эриксони Грант)
На конференциях по программированию непрерывно раздаются голоса молодых руководителей, утверждающих, что они предпочитают иметь дело с небольшой боевой группой первоклассных специалистов, нежели вести проект, в котором заняты сотни программистов среднего уровня. Так хотелось бы и всем нам.
Однако эта наивная формулировка альтернативы уводит от ответа на тяжелый вопрос - как построить большую систему в разумный срок? Рассмотрим каждую сторону этого вопроса более подробно.
В чем проблема?
Руководители программистских проектов давно уже поняли, как значительны различия в производительности хороших и плохих программистов. Тем не менее результаты точных измерений этой величины просто поражают. В одной из своих работ Сакмен, Эриксон и Грант измеряли производительность группы опытных программистов. Даже внутри этой группы отношение максимальной и минимальной производительности в среднем составило 10:1, а для времени работы программы и затрат памяти - 5:1. Короче говоря, производительность труда программиста, получающего 20 тыс. долларов в год, может быть в 10 раз больше, чем у того, кто зарабатывает 10 тыс. долларов. Обратное также может быть справедливо. Статистические данные утверждают, что нет никакой зависимости между опытом и производительностью. (Сомневаюсь, впрочем, чтобы это было верно всегда.)
Выше я уже доказал, что увеличение числа людей, занятых в проекте, повышает его стоимость, ибо основные затраты приходятся на обеспечение связи и на устранение последствий плохой организации этой связи (комплексная отладка). Это и приводит к Стремлению руководителей максимально ограничить число людей, работающих над системой.
Действительно, опыт создания почти всех больших систем программирования показал, что политика грубой силы дорого обходится, работа оказывается медленной и малоэффективной и приводит к системам, в которых отсутствует концептуальное единство:
OS/360, Exes-8, Scope-6600, Multics, TSS, SAGE - этот список можно существенно расширить.
Напрашивается вывод: если в проекте занято 200 человек и среди них - 25 руководителей, т. е. наиболее компетентных и опытных программистов, то следует уволить 175 исполнителей и заставить руководителей вернуться к программированию.
Давайте, однако, проверим это решение. С одной стороны, оно все же не соответствует идеальному представлению о небольшой боевой группе, которая, по общему мнению, не должна превышать 10 человек. Она слишком велика, так что потребует по меньшей мере двух уровней руководства, или около пяти руководителей. А это вызовет дополнительные потребности в финансах, сотрудниках, рабочих местах, секретарях и операторах ЭВМ.
С другой стороны, первоначальная группа в 200 человек не настолько велика, чтобы можно было сделать действительно большую систему методом грубой силы. Рассмотрим, например, операционную систему OS/360. В пиковые периоды над ней работало около 1000 человек - программисты, составители технической документации, операторы, лаборанты, секретари, руководители, вспомогательные службы и т. д. За период с 1963 по 1966 гг. около 5000 человеко-лет понадобилось на проектирование, реализацию этой системы и создание документации на нее. Нашей группе из 200 человек понадобилось бы 25 лет, чтобы довести систему до ее нынешнего состояния, да и то при условии, что люди и месяцы действительно взаимозаменяемы.
Вот тут-то и обнаруживается слабая сторона концепции маленькой энергичной группы: это слишком медленно для действительно больших систем. Посмотрим, что получилось бы, если бы создание операционной системы OS/360 поручили такой группе. Допустим, в ней 10 человек. Пусть благодаря энергии и опыту их производительность в программировании и создании документации в 7 раз выше, чем у средних программистов. Допустим, что OS/360 создавалась только средними программистами (но это, впрочем, очень далеко от истины). И допустим, наконец, что еще один коэффициент повышения производительности, равный 7, появился из-за уменьшения затрат на обеспечение взаимосвязи в меньшем коллективе. Допустим, также, что состав группы не менялся все это время. Тогда 5000/(10>Предложение Миллза
Харлан Миллз выдвинул оригинальное и творческое решение этой проблемы2'3). Он предлагает, чтобы над каждой частью большой задачи работала отдельная группа, и считает, что группа должна быть организована по принципу хирургической бригады, где операцию делает один, а остальные ему ассистируют.
По некотором размышлении видно, что идея, если удастся ее осуществить, будет вполне соответствовать нашим желаниям. Две - три головы заняты проектированием и разработкой, для реализации же их идей имеется необходимое множество рук. Но сможет ли работать такая бригада? Кто будет в ней анестезиологом, медицинской сестрой, и как распределить работу? Позвольте мне, свободно обращаясь с метафорами, предложить возможный вариант такой огранизации.
Хирург. Миллз называет его главным программистом. Он сам, лично, определяет функциональные си'-'-цификации и показатели производительности, разрабатывает программу, пишет, отлаживает ее и готовит документацию. Он пользуется структурированным языком программирования типа PL/I и имеет диалоговый доступ к вычислительной системе, которая не только пропускает его тесты, но и хранит различные версии его программы, позволяет легко модифицировать файлы и обеспечивает редактирование текстов для его документации. Он должен обладать замечательным талантом, десятилетним опытом работы н значительными системными и прикладными навыками.
Второй пилот. Он - правая рука хирурга, его второе "я", и способен выполнить любую часть работы, но не столь опытен. Он принимает участие в разрабог-ке, обсуждении и оценке проекта вместе с хирургом, который проверяет на нем свои идеи, но не обязательно следует его советам. Второй пилот представляет свою бригаду на дискуссиях, взаимодействует с другими бригадами. Он до тонкостей знает всю программу. Он ищет альтернативные стратегии проектирования. Очевидно, что второй пилот страхует дело от несчастья с хирургом. Он может даже программировать, но не отвечает ни за одну часть машинной программы.
Администратор. Хирург является начальником, п за ним остается последнее слово по вопросам персонала, оплаты, помещений и т. д. Но он должен посвящать всему этому как можно меньше времени. Поэтому нужен профессиональный администратор, который бы занимался деньгами, людьми, машинами, а также входил в контакты с администрацией всей организации.
Бейкер считает, что администратор будет занят весь рабочий день, только если взаимоотношения пользователя с разработчиком предъявляют значительные \ правовые, отчетные или финансовые требования к проекту. В противном случае один администратор может обслуживать две бригады.
Редактор. Хирург отвечает за создание документации - для максимальной ясности он должен сам ее написать. Причем это справедливо и для внешних, и для внутренних описаний. Редактор же получает рукопись хирурга и критикует ее, перерабатывает, снабжает ссылками и библиографией, возится с различными версиями и наблюдает за ее размножением и распространением.
Два секретаря. И администратору, и редактору нужны свои секретари; секретарь администратора будет вести корреспонденцию проекта и архивы.
Архивариус. Он отвечает за ведение всей технической документации в бригаде. Архивариус знаком с обязанностями секретаря и в его ведении информация, хранящаяся как в машине, так и на столах программистов.
Выход на машину осуществляется через архивариуса, выдачи также попадают к нему. Самые последние распечатки хранятся в рабочем журнале; все предыдущие - в архиве, в хронологическом порядке.
В концепциях Миллза жизненно необходимым является превращение программирования "из индивидуального в общественное дело", для чего нужно сделать все результаты выходов на машину открытыми для всех членов бригады п осознать, что программы п данные являются собственностью бригады, а не частной собственностью.
В функции архивариуса входит освобождение программистов от канцелярской поденщины, причем он должен выполнять эти обычно столь неприятные обязанности систематически и с высокой производительностью, тем самым способствуя появлению наиболее ценного результата работы бригады - рабочего продукта. Очевидно, что вышеописанная схема предполагает работу в пакетном режиме. Когда используются диалоговые терминалы, в частности, те, что позволяют работать без распечаток, обязанности, архивариуса не исчезают они изменяются. Теперь он вносит в общие копии программ все изменения с отдельных рабочих копий, по-прежнему выходит на машину с пакетом программ и использует свой собственный диалоговый терминал для контроля за полнотой и доступностью растущего продукта.
Инструментальщик. Редактирование файлов, редактирование текстов и служба диалоговой отладки теперь имеются почти всюду, так что нет никакой необходимости каждой бригаде иметь свою собственную машину и группу ее обслуживания, но тем не менее нужен свой инструментарий, набор вспомогательных средств, преимущественно диалоговых. Их приобретение, эксплуатация и усовершенствованно составят круг обязанностей опытного системного программиста - инструментальщика. Каждой бригаде понадобится такой инструментальщик, независимо от качества и надежности централизованного обслуживания. В своей работе он должен руководствоваться нуждами пли желаниями хирурга; требования других бригад его не касаются. В обязанности разработчика инструментария входит создание специализированных служебных программ, каталогизированных процедур, библиотек макрокоманд и т. д.
Контролер. Хирургу необходимо иметь набор подходящих тестов для отладки частей своей программы по мере ее написания и для отладки программы как единого целого. Контролер, таким образом, одновременно и враг, изобретающий системные тесты, руководствуясь функциональными спецификациями, и друг, предлагающий тестовые данные для повседневной оч-ладки. Он должен также планировать последовательность тестов и подготавливать оснастку для комплексной отладки.
Языковед. Со времени появления языка алгол-60 выяснилось, что при работе с большинством вычислительных систем нужны один-два профессионала, посвященных во все тонкости языка программирования. Эти специалисты оказались очень полезными, к ним постоянно обращались за консультациями. Они должны обладать совершенно другими талантами, чем хирург, который по самой своей сути является разработчиком систем. Хирург мыслит образами, языковед же может найти красивый и эффективный способ использования языка в трудных, темных или запутанных ситуациях. Зачастую ему придется посвятить два-три дня небольшим исследованиям в поисках хорошего метода. Один языковед может обслуживать двоих или троих хирургов.
Итак, мы предложили способ организации группы программистов, состоящей из 10 человек, и распределение ролей внутри этой группы, используя в качестве модели хирургическую бригаду.
Как она работает? Многие идеи предложенного выше принципа организации коллектива соответствуют нашим требованиям. Десять человек, из них семь профессионалов, работают над проблемой, но система является продуктом одного человека, в крайнем случае - двоих, выступающих как одно целое.
Отметим, в частности, различия между обычным коллективом программистов из двух человек и группой "хирург - второй пилот". Во-первых, в обычных коллектпвах вся работа разделена между сотрудниками, и каждый из них отвечает за разработку и реализацию своей части. В хирургической бригаде и хирург, и BW рой пилот в курсе всего проекта и всей программы. Это снимает проблему дележа памяти, обращений R дискам и т. п. И, кроме того, сохраняется концептуальное единство работы. Во-вторых, в обычных коллективах все сотрудники равны, и неизбежные различия в оценках требуют постоянных обсуждений и компромиссов. Поскольку работа и ресурсы разделены, различия в суждениях, конечно, подчинены общей стратегии и правилам взаимодействия, но они усугубляются противоположностями интересов,- например, чья часть памяти будет использоваться для буфера. В хирургической бригаде нет различий в интересах, а противоречия в мнениях разрешаются самим хирургом единолично. Эти два обстоятельства - единство задачи п связь только по принципу подчинения - позволяют хирургической бригаде действовать как одно целое.
Рис. 3.1. Структура связей в коллективе программистов из 10 человек.
Таким образом, строгое распределение функции между сотрудниками бригады является ключом к повышению ее производительности, поскольку оно, обеспечивает гораздо более простую структуру связей между сотрудниками, как это видно на рис. 3.1.
В статье Бейкера3) рассказывается о проверке принципа хирургической бригады в процессе выполнения одного небольшого проекта. Бригада работала так, как и предполагалось в этом случае, и с очень хорошими результатами.
"Экскалация". Пока все хорошо. Проблема, однако, заключается в том, что же делать с проектами, создание которых требует не 20 или 30, а 5000 человеко-лет. Группа из 10 сотрудников может работать эффективно и независимо от того, как она организована, если только вся задача находится в сфере ее действия. Но как использовать концепцию хирургической бригады применительно к большой задаче, в решении которой принимают участие несколько сот человек?
Залог успеха "эскалации" заключается в том, что нами уже обеспечена высокая степень концептуального единства на уровне частей - в каждой из них число умов, определяющих проект, сократилось в семь раз. Тогда можно отдать всю работу 200 сотрудникам, но проблемы координации поручить 20 хирургам.
Для проблемы координации, однако, надо использовать специальные методы, которые подробно обсуждаются в следующих разделах. Пока же достаточно сказать, что вся система тоже должна обладать концептуальным единством, а ее разработкой должен заниматься системный архитектор. Чтобы обеспечить руководство проектом, необходимо провести четкое различие между архитектурой и реализацией, и системный архитектор должен посвятить себя исключительно архитектуре. Такое распределение ролей и такая методика полностью оправдали себя и оказались очень эффективными.
IV. АРИСТОКРАТИЯ, ДЕМОКРАТИЯ И СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
"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.
До тех пор, пока методы оценки не станут более надежными, руководителям придется проявлять твердость характера и защищать собственные оценки, следуя своей интуиции.
Нарастающие катастрофы с графиком
Что нужно предпринять, когда важный программистский проект не укладывается в график? Естественно, добавить рабочей силы. Как видно на рисунках (2.1- 2.4), иногда это помогает, а иногда - нет.
Давайте рассмотрим пример3). Допустим, что трудоемкость задачи оценена в 12 человеко-месяцев и троим сотрудникам отвели на нее 4 месяца, причем установили количественные вехи А, В, С и D, которых в соответствии с графиком нужно достичь в конце каждого месяца (рис. 2.5).
Допустим теперь, что первая отмотка достигнута только через два месяца (рис. 2.6). Перед какими альтернативами оказался руководитель?
1. Допустим, что задачу нужно сделать вовремя. Допустим также, что неверно оценено только время выполнения первой части (см. рис. 2.6). Тогда остается 9 человеко-месяцев усилий и два месяца времени, т. е. задача требует 4,5 человека. Добавим двоих людей к трем первоначальным.
2. Допустим, что .задачу нужно сделать вовремя. Допустим также, что время выполнения было занижено, а реальное положение дел представлено на рис. 2.7. Тогда остается 18 человеко-месяцев работы и два месяца времени, т. е. понадобится 9 человек. Добавим шестерых к трем первоначальным работникам.
3. Составление нового графика. Мне нравится девиз П. Фагга, опытного инженера, специалиста по вычислительной технике: "Не исправляйте понемногу". Другими словами, делайте новый график достаточно свободным, чтобы работу можно было сделать тщательно и основательно без последующего перепланирования.
4. Ослабление задания. На практике это происходит довольно часто, когда рабочий коллектив вдруг обнаруживает отставание от графика. Если вторичная стоимость задержки очень высока, это является единственно приемлемым. У руководителя есть голько две возможности: или тщательно и формально сократить задание, составив новый график, или же просто наблюдать, как поспешное проектирование и незавершенная отладка мало-помалу сокращают объем задачи.
В двух первых случаях настаивать на том, чтобы задача бело всяких изменений была закончена за четыре месяца, по меньшей мере ошибочно. Рассмотрим, например, какие помехи возникают в первом случае (рис. 2.8).
Для того, чтобы ввести в курс дела двух новых людей, пусть даже вполне компетентных и опытных, нужен один старый работник. Если. ему на это потребуется месяц, то 3 человеко-месяца будут отданы работе, никак не учитывающейся первоначальными планами. Кроме того, задачу, ранее поделенную на три части, теперь придется поделить на пять частей, следовательно, часть уже проделанной работы пропадет, а комплексная отладка значительно удлинится. Значит, к концу третьего месяца останется больше 7 человеко-месяцев работы, 5 обученных людей и месяц времени. Как видно из рис. 2.8, сроки выполнения задания не сократились, несмотря па появление новых людей (см. рис. 2.6).
Чтобы выйти из положения, даже рассматривая только время на обучение и не учитывая перераспределения задачи и дополнительной отладки, потребовалось бы в конце второго месяца добавить не двоих, а четверых людей. Чтобы покрыть затраты на перераспределение и комплексную отладку, нужен еще один человек. Теперь, однако, рабочий коллектив состоит не из троих, а, по крайней мере, из семерых людей, и принципы организации работы, распределения заданий и прочее уже отличаются от прежних не только количественно, но и качественно.
Заметим, что к концу третьего месяца дела обстоят очень плохо. Отметка "I марта" все еще не достигнута, несмотря на усилия руководителя. Очень велик соблазн повторить весь цикл и привлечь дополнительных работников. Но это безумный путь.
В данном примере предполагалось, что только первая веха была установлена неправильно. Если же 1-го марта Припять более осторожное допущение, что весь график (см. рис. 2.7) слишком оптимистичен, то нужно к первоначальному коллективу добавить еще шесть человек. Предоставляем читателю в качестве упражнения вычислить, во что выльется обучение, перераспределение заданий, комплексная отладка. Но нет никаких сомнений в том, что полученный продукт будет хужо, а его осуществление потребует больше времени, чем в случае, когда исходная группа также состояла из 3 человек, но график был бы другим.
Крайне упрощая, мы сформулируем закон Брукса:
"Если программистский проект не укладывается в сроки, то добавление рабочей силы только задержит его окончание".
Таким образом, мы развеиваем миф о человеко-месяце. Число месяцев, отводимых на проект, зависит от ограничений на его линейность. Максимальное число людей зависит от числа независимых подзадач. Исходя из г"тпх двух величрга, можно построить график, рассчитанный на меньшее число людей и большее количество месяцев. (Единственная опасность заключается в том, что конечный продукт устареет.) Нельзя, однако, составить работоспособный график, используя больше людей и меньше месяцев. В большинстве программистских проектов дела шли скверно скорее всего из-за нехватки календарного времени, нежели по всем другим причинам, вместе взятым.
III. ХИРУРГИЧЕСКАЯ БРИГАДА
"Эти исследования обнаружили большие различия в пределах индивидуальной производительности - иногда даже на целый порядок".
(Сакмен, Эриксони Грант)
На конференциях по программированию непрерывно раздаются голоса молодых руководителей, утверждающих, что они предпочитают иметь дело с небольшой боевой группой первоклассных специалистов, нежели вести проект, в котором заняты сотни программистов среднего уровня. Так хотелось бы и всем нам.
Однако эта наивная формулировка альтернативы уводит от ответа на тяжелый вопрос - как построить большую систему в разумный срок? Рассмотрим каждую сторону этого вопроса более подробно.
В чем проблема?
Руководители программистских проектов давно уже поняли, как значительны различия в производительности хороших и плохих программистов. Тем не менее результаты точных измерений этой величины просто поражают. В одной из своих работ Сакмен, Эриксон и Грант измеряли производительность группы опытных программистов. Даже внутри этой группы отношение максимальной и минимальной производительности в среднем составило 10:1, а для времени работы программы и затрат памяти - 5:1. Короче говоря, производительность труда программиста, получающего 20 тыс. долларов в год, может быть в 10 раз больше, чем у того, кто зарабатывает 10 тыс. долларов. Обратное также может быть справедливо. Статистические данные утверждают, что нет никакой зависимости между опытом и производительностью. (Сомневаюсь, впрочем, чтобы это было верно всегда.)
Выше я уже доказал, что увеличение числа людей, занятых в проекте, повышает его стоимость, ибо основные затраты приходятся на обеспечение связи и на устранение последствий плохой организации этой связи (комплексная отладка). Это и приводит к Стремлению руководителей максимально ограничить число людей, работающих над системой.
Действительно, опыт создания почти всех больших систем программирования показал, что политика грубой силы дорого обходится, работа оказывается медленной и малоэффективной и приводит к системам, в которых отсутствует концептуальное единство:
OS/360, Exes-8, Scope-6600, Multics, TSS, SAGE - этот список можно существенно расширить.
Напрашивается вывод: если в проекте занято 200 человек и среди них - 25 руководителей, т. е. наиболее компетентных и опытных программистов, то следует уволить 175 исполнителей и заставить руководителей вернуться к программированию.
Давайте, однако, проверим это решение. С одной стороны, оно все же не соответствует идеальному представлению о небольшой боевой группе, которая, по общему мнению, не должна превышать 10 человек. Она слишком велика, так что потребует по меньшей мере двух уровней руководства, или около пяти руководителей. А это вызовет дополнительные потребности в финансах, сотрудниках, рабочих местах, секретарях и операторах ЭВМ.
С другой стороны, первоначальная группа в 200 человек не настолько велика, чтобы можно было сделать действительно большую систему методом грубой силы. Рассмотрим, например, операционную систему OS/360. В пиковые периоды над ней работало около 1000 человек - программисты, составители технической документации, операторы, лаборанты, секретари, руководители, вспомогательные службы и т. д. За период с 1963 по 1966 гг. около 5000 человеко-лет понадобилось на проектирование, реализацию этой системы и создание документации на нее. Нашей группе из 200 человек понадобилось бы 25 лет, чтобы довести систему до ее нынешнего состояния, да и то при условии, что люди и месяцы действительно взаимозаменяемы.
Вот тут-то и обнаруживается слабая сторона концепции маленькой энергичной группы: это слишком медленно для действительно больших систем. Посмотрим, что получилось бы, если бы создание операционной системы OS/360 поручили такой группе. Допустим, в ней 10 человек. Пусть благодаря энергии и опыту их производительность в программировании и создании документации в 7 раз выше, чем у средних программистов. Допустим, что OS/360 создавалась только средними программистами (но это, впрочем, очень далеко от истины). И допустим, наконец, что еще один коэффициент повышения производительности, равный 7, появился из-за уменьшения затрат на обеспечение взаимосвязи в меньшем коллективе. Допустим, также, что состав группы не менялся все это время. Тогда 5000/(10>Предложение Миллза
Харлан Миллз выдвинул оригинальное и творческое решение этой проблемы2'3). Он предлагает, чтобы над каждой частью большой задачи работала отдельная группа, и считает, что группа должна быть организована по принципу хирургической бригады, где операцию делает один, а остальные ему ассистируют.
По некотором размышлении видно, что идея, если удастся ее осуществить, будет вполне соответствовать нашим желаниям. Две - три головы заняты проектированием и разработкой, для реализации же их идей имеется необходимое множество рук. Но сможет ли работать такая бригада? Кто будет в ней анестезиологом, медицинской сестрой, и как распределить работу? Позвольте мне, свободно обращаясь с метафорами, предложить возможный вариант такой огранизации.
Хирург. Миллз называет его главным программистом. Он сам, лично, определяет функциональные си'-'-цификации и показатели производительности, разрабатывает программу, пишет, отлаживает ее и готовит документацию. Он пользуется структурированным языком программирования типа PL/I и имеет диалоговый доступ к вычислительной системе, которая не только пропускает его тесты, но и хранит различные версии его программы, позволяет легко модифицировать файлы и обеспечивает редактирование текстов для его документации. Он должен обладать замечательным талантом, десятилетним опытом работы н значительными системными и прикладными навыками.
Второй пилот. Он - правая рука хирурга, его второе "я", и способен выполнить любую часть работы, но не столь опытен. Он принимает участие в разрабог-ке, обсуждении и оценке проекта вместе с хирургом, который проверяет на нем свои идеи, но не обязательно следует его советам. Второй пилот представляет свою бригаду на дискуссиях, взаимодействует с другими бригадами. Он до тонкостей знает всю программу. Он ищет альтернативные стратегии проектирования. Очевидно, что второй пилот страхует дело от несчастья с хирургом. Он может даже программировать, но не отвечает ни за одну часть машинной программы.
Администратор. Хирург является начальником, п за ним остается последнее слово по вопросам персонала, оплаты, помещений и т. д. Но он должен посвящать всему этому как можно меньше времени. Поэтому нужен профессиональный администратор, который бы занимался деньгами, людьми, машинами, а также входил в контакты с администрацией всей организации.
Бейкер считает, что администратор будет занят весь рабочий день, только если взаимоотношения пользователя с разработчиком предъявляют значительные \ правовые, отчетные или финансовые требования к проекту. В противном случае один администратор может обслуживать две бригады.
Редактор. Хирург отвечает за создание документации - для максимальной ясности он должен сам ее написать. Причем это справедливо и для внешних, и для внутренних описаний. Редактор же получает рукопись хирурга и критикует ее, перерабатывает, снабжает ссылками и библиографией, возится с различными версиями и наблюдает за ее размножением и распространением.
Два секретаря. И администратору, и редактору нужны свои секретари; секретарь администратора будет вести корреспонденцию проекта и архивы.
Архивариус. Он отвечает за ведение всей технической документации в бригаде. Архивариус знаком с обязанностями секретаря и в его ведении информация, хранящаяся как в машине, так и на столах программистов.
Выход на машину осуществляется через архивариуса, выдачи также попадают к нему. Самые последние распечатки хранятся в рабочем журнале; все предыдущие - в архиве, в хронологическом порядке.
В концепциях Миллза жизненно необходимым является превращение программирования "из индивидуального в общественное дело", для чего нужно сделать все результаты выходов на машину открытыми для всех членов бригады п осознать, что программы п данные являются собственностью бригады, а не частной собственностью.
В функции архивариуса входит освобождение программистов от канцелярской поденщины, причем он должен выполнять эти обычно столь неприятные обязанности систематически и с высокой производительностью, тем самым способствуя появлению наиболее ценного результата работы бригады - рабочего продукта. Очевидно, что вышеописанная схема предполагает работу в пакетном режиме. Когда используются диалоговые терминалы, в частности, те, что позволяют работать без распечаток, обязанности, архивариуса не исчезают они изменяются. Теперь он вносит в общие копии программ все изменения с отдельных рабочих копий, по-прежнему выходит на машину с пакетом программ и использует свой собственный диалоговый терминал для контроля за полнотой и доступностью растущего продукта.
Инструментальщик. Редактирование файлов, редактирование текстов и служба диалоговой отладки теперь имеются почти всюду, так что нет никакой необходимости каждой бригаде иметь свою собственную машину и группу ее обслуживания, но тем не менее нужен свой инструментарий, набор вспомогательных средств, преимущественно диалоговых. Их приобретение, эксплуатация и усовершенствованно составят круг обязанностей опытного системного программиста - инструментальщика. Каждой бригаде понадобится такой инструментальщик, независимо от качества и надежности централизованного обслуживания. В своей работе он должен руководствоваться нуждами пли желаниями хирурга; требования других бригад его не касаются. В обязанности разработчика инструментария входит создание специализированных служебных программ, каталогизированных процедур, библиотек макрокоманд и т. д.
Контролер. Хирургу необходимо иметь набор подходящих тестов для отладки частей своей программы по мере ее написания и для отладки программы как единого целого. Контролер, таким образом, одновременно и враг, изобретающий системные тесты, руководствуясь функциональными спецификациями, и друг, предлагающий тестовые данные для повседневной оч-ладки. Он должен также планировать последовательность тестов и подготавливать оснастку для комплексной отладки.
Языковед. Со времени появления языка алгол-60 выяснилось, что при работе с большинством вычислительных систем нужны один-два профессионала, посвященных во все тонкости языка программирования. Эти специалисты оказались очень полезными, к ним постоянно обращались за консультациями. Они должны обладать совершенно другими талантами, чем хирург, который по самой своей сути является разработчиком систем. Хирург мыслит образами, языковед же может найти красивый и эффективный способ использования языка в трудных, темных или запутанных ситуациях. Зачастую ему придется посвятить два-три дня небольшим исследованиям в поисках хорошего метода. Один языковед может обслуживать двоих или троих хирургов.
Итак, мы предложили способ организации группы программистов, состоящей из 10 человек, и распределение ролей внутри этой группы, используя в качестве модели хирургическую бригаду.
Как она работает? Многие идеи предложенного выше принципа организации коллектива соответствуют нашим требованиям. Десять человек, из них семь профессионалов, работают над проблемой, но система является продуктом одного человека, в крайнем случае - двоих, выступающих как одно целое.
Отметим, в частности, различия между обычным коллективом программистов из двух человек и группой "хирург - второй пилот". Во-первых, в обычных коллектпвах вся работа разделена между сотрудниками, и каждый из них отвечает за разработку и реализацию своей части. В хирургической бригаде и хирург, и BW рой пилот в курсе всего проекта и всей программы. Это снимает проблему дележа памяти, обращений R дискам и т. п. И, кроме того, сохраняется концептуальное единство работы. Во-вторых, в обычных коллективах все сотрудники равны, и неизбежные различия в оценках требуют постоянных обсуждений и компромиссов. Поскольку работа и ресурсы разделены, различия в суждениях, конечно, подчинены общей стратегии и правилам взаимодействия, но они усугубляются противоположностями интересов,- например, чья часть памяти будет использоваться для буфера. В хирургической бригаде нет различий в интересах, а противоречия в мнениях разрешаются самим хирургом единолично. Эти два обстоятельства - единство задачи п связь только по принципу подчинения - позволяют хирургической бригаде действовать как одно целое.
Рис. 3.1. Структура связей в коллективе программистов из 10 человек.
Таким образом, строгое распределение функции между сотрудниками бригады является ключом к повышению ее производительности, поскольку оно, обеспечивает гораздо более простую структуру связей между сотрудниками, как это видно на рис. 3.1.
В статье Бейкера3) рассказывается о проверке принципа хирургической бригады в процессе выполнения одного небольшого проекта. Бригада работала так, как и предполагалось в этом случае, и с очень хорошими результатами.
"Экскалация". Пока все хорошо. Проблема, однако, заключается в том, что же делать с проектами, создание которых требует не 20 или 30, а 5000 человеко-лет. Группа из 10 сотрудников может работать эффективно и независимо от того, как она организована, если только вся задача находится в сфере ее действия. Но как использовать концепцию хирургической бригады применительно к большой задаче, в решении которой принимают участие несколько сот человек?
Залог успеха "эскалации" заключается в том, что нами уже обеспечена высокая степень концептуального единства на уровне частей - в каждой из них число умов, определяющих проект, сократилось в семь раз. Тогда можно отдать всю работу 200 сотрудникам, но проблемы координации поручить 20 хирургам.
Для проблемы координации, однако, надо использовать специальные методы, которые подробно обсуждаются в следующих разделах. Пока же достаточно сказать, что вся система тоже должна обладать концептуальным единством, а ее разработкой должен заниматься системный архитектор. Чтобы обеспечить руководство проектом, необходимо провести четкое различие между архитектурой и реализацией, и системный архитектор должен посвятить себя исключительно архитектуре. Такое распределение ролей и такая методика полностью оправдали себя и оказались очень эффективными.
IV. АРИСТОКРАТИЯ, ДЕМОКРАТИЯ И СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
"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.