Страница:
Инструментальщик. Благодаря возможности в любое время редактировать файлы и тексты и пользоваться службой интерактивной отладки команде редко требуется своя вычислительная машина и группа обслуживающего персонала. Но доступ к этим службам должен осуществляться с безусловной быстротой и надежностью. Только хирург может решать, удовлетворяет ли его работа имеющихся служб. Ему необходим инструментальщик, ответственный за обеспечение доступа к основным службам, а также за создание, поддержку и обновление специальных инструментов — в основном, интерактивных служб, которые требуются его команде. У каждой команды должен быть свой инструментальщик, независимо от качества и надежности имеющихся централизованных служб, и его дело обеспечить всем необходимым или желательным инструментом своего хирурга, а не другие команды. Инструментальщик обычно пишет специализированные утилиты,
каталогизированные процедуры, макробиблиотеки.
Отладчик. Хирургу потребуется набор подходящих контрольных примеров для отладки написанных им фрагментов кода, а затем и всей программы. Отладчик является, таким образом, как противником, разрабатывающим контрольные примеры для системного тестирования, исходя из функциональных спецификаций, так и помощником, готовящим данные для ежедневной отладки. Он также обычно планирует последовательность тестирования и создание среды для тестирования компонентов.
Языковед. Вскоре после появления Algol обнаружилось, что в большинстве вычислительных центров есть один-два человека, поражающих своим владением тонкостями языка программирования. Эти эксперты оказываются очень полезными, и с ними часто советуются. Здесь требуется иной талант, чем у хирурга, который является преимущественно системным проектировщиком и мыслит представлениями. Языковед может найти эффективные способы использования языка для решения сложных, неясных и хитроумных задач. Иногда ему требуется провести небольшое исследование (два-три дня) для нахождения удачной технологии. Один языковед может работать с двумя или тремя хирургами.
Вот таким образом 10 человек могут выполнять хорошо дифференцированные и специализированные роли в команде программистов, организованной по образцу операционной бригады.
Как это работает
Созданная нами бригада может достичь желаемой цели несколькими способами. Над задачей трудятся десять человек, семь из которых профессионалы, но система является продуктом одного ума, по крайней мере двух, действующих uno animo (как одно целое).
Обратите особое внимание на различие между группой из двух программистов с обычной организацией и группой типа «хирург — второй пилот». Во-первых, в обычной бригаде работники делят задачу между собой, и каждый из них отвечает за замысел и воплощение некоторой части. В операционной бригаде и хирург, и второй пилот находятся в ведении всего проекта и всего программного кода. Это сберигает затраты на распределение памяти, доступ к дискам и т.п., а также обеспечивает концептуальную целостность продукта.
Во-вторых, в обычной бригаде партнеры равны, и неизбежные разногласия должны разрешаться путем переговоров или компромиссов. Поскольку задача и ресурсы разделены, разногласия относятся к общей стратегии и интерфейсам, но к ним примешивается и противоположность интересов, например, чью память использовать для буфера. В хирургической бригаде различий интересов нет, а разногласия единолично решаются хирургом. Эти два различия — отсутствие разбиения задачи и отношение подчиненности — позволяют хирургической бригаде действовать uno animo.
Кроме того, решающее влияние на эффективность оказывает специализация функций остальных членов бригады, так как в результате осуществима значительно более простая схема контактов между сотрудниками, которая показана на рисунке 3.1.
В статье Бейкера [3] сообщается об одной проверке такой концепции бригады, проведенной в ограниченном масштабе. Как и предсказывалось, результаты оказались великолепными.
Масштабирование
До сих пор все было хорошо. Проблема, однако, состоит в том, как создавать продукты, на которые сейчас уходит не 20 или 30, а 5000 человеко-лет. Бригада из 10 человек может быть эффективна вне зависимости от своей организации, если задача целиком находится в ее компетенции. Но как использовать идею операционной бригады в задачах, для выполнения которых привлекаются сотни людей?
Успех при масштабировании обусловливается коренным улучшением концептуального единства каждого участка, ведь количество проектировщиков уменьшилось в семь раз. Поэтому можно привлечь к работе над задачей 200 человек, и необходимость координации умственных усилий потребуется всего для 20 из них — хирургов.
Рис. 3.1 Схема контактов между сотрудниками в бригаде из 10 человек
Однако задача координации требует использования особых методов, обсуждаемых в последующих главах. Пока достаточно сказать, что вся система в целом должна обладать концептуальным единством, и необходим системный архитектор, чтобы проектировать ее целиком, в нисходящем направлении. Для того чтобы этой работой можно было управлять, необходимо провести строгое разграничение архитектуры и воплощения, и системный архитектор должен добросовестно посвятить себя разработке архитектуры. Опыт показывает, что такое распределение ролей и такие методы осуществимы и оказываются весьма результативными.
Концептуальное единство
У большинства европейских соборов части, построенные разными поколениями строителей, имеют различия в планировке и архитектурном стиле. Более поздние строители испытывали соблазн «улучшить» проект своих предшественников, чтобы отразить новые веяния моды и свои личные вкусы. В итоге мирный норманнский трансепт создает конфликт с примыкающим к нему возносящимся в высь готическим нефом, и результат столь же служит восхвалению славы Господней, сколь и гордыни строителей.
Архитектурное единство Реймского собора находится в прямой противоположности с таким смешением стилей. Источником наполняющей зрителя радости служат как цельность конструкции, так и отдельные образцы совершенства. Как сказано в путеводителе, цельность была достигнута благодаря самоотречению восьми поколений строителей собора, пожертвовавших своими идеями ради чистоты общего замысла. То что получилось в результате, служит восхвалению не только славы Господней, но и Его могущества, способного спасти грешных людей от их гордыни.
Хотя на создание программных систем не уходят века, в большинстве своем они демонстрируют меньшую согласованность концепций, чем в любом соборе. Обычно это происходит не оттого, что главные проектировщики сменяют друг друга, а потому, что проект расщепляется на ряд задач, выполняемых разными разработчиками.
Я убежден, что концептуальная целостность является важнейшей характеристикой системного проекта. Лучше убрать из системы отдельные необычные возможности и усовершенствования и реализовать единый набор конструктивных идей, чем оснастить ее многими хорошими, но невзаимосвязанными и несогласованными идеями. В этой и двух последующих главах мы изучим следствия этой концепции для проектирования программных систем:
• Как достичь концептуальной целостности?
• Не будет ли это требование причиной раскола на элиту, аристократический класс архитекторов — с одной стороны, и толпы плебеев-исполнителей, чьи творческие таланты и идеи подавляются, — с другой?
• Как удержать архитекторов от витания в облаках и разработки несущественных или чрезмерно дорогих спецификаций?
• Как добиться того, чтобы любая мелочь из созданной архитектором спецификации дошла до исполнителя, была им правильно понята и точно внедрена в продукт?
Достижение концептуальной целостности
Назначение системы программирования — облегчить использование компьютера. Для этого поставляются языки и различные средства, являющиеся, по сути, программами, вызываемыми и управляемыми возможностями языка. Но эти средства стоят денег: объем внешнего описания системы программирования в десять-двадцать раз больше описания собственно вычислительной системы. Пользователю оказывается значительно проще задать любую выбранную функцию, но выбор очень велик, и нужно помнить значительно больше вариантов и форматов.
Использование облегчается, только если выигрыш времени при задании функции превышает время, потраченное на обучение, запоминание и поиск руководств. Современные системы программирования дают такой выигрыш, но похоже, что в последние годы отношение выигрыша к затратам уменьшилось в результате добавления все более и более сложных функций. Я часто вспоминаю, как легко было использовать IBM 650, даже без ассемблера или вообще каких-либо программ.
Поскольку целью проектирования является простота использования, окончательную оценку проекта системы дает достигнутое отношение функциональности к сложности концепций. Ни функциональность, ни простота в отдельности не являются признаками хорошего проекта.
Это обстоятельство часто неправильно понимается. Operating System/360 превозносится своими создателями, как лучшая из когда-либо созданных, поскольку неоспоримо, что в ней больше функций. Функции, а не простота всегда служили критерием превосходства ее создателей. С другой стороны, создатели системы с разделением времени для PDP-10 превозносят ее превосходство ввиду простоты и немногочисленности положенных в основу идей. Однако по всем меркам ее функциональность ниже по классу, чем OS/360. Если в качестве критерия определена простота использования, становится очевидной несбалансированность этих систем, достигающих цели лишь наполовину.
Однако для некоторого заданного уровня функциональности лучшей оказывается та система, в которой можно работать с наибольшей простотой и непосредственностью. Простота — это еще не все. Язык TRAC, созданный Муером, и Algol 68 достигают простоты, если количественно измерять ее числом отдельных элементарных понятий. Непосредственность, однако, не характерна для них. Чтобы выразить свои намерения, часто требуется сочетать базовые средства сложным и неожиданным образом. Недостаточно изучить базовые элементы и правила их комбинирования, нужно изучить еще идиоматическое использование, целую область знаний о том, как на практике комбинировать элементы. Простота и непосредственность проистекают из концептуальной целостности. Во всех частях должны найти отражение единая философия и единообразные пропорции между желаемыми целями. В каждой части должны также использоваться одинаковый синтаксис и сходные семантические обозначения. Таким образом, простота использования требует единства проекта, концептуальной целостности.
Аристократия и демократия
Концептуальная целостность, в свою очередь, требует, чтобы проект исходил от одного разработчика, или небольшого числа их, действующих согласованно и в унисон.
С другой стороны, напряженность графика требует привлечения большого числа работников. Есть два метода разрешения этой дилеммы. Первый состоит в тщательном разделении труда между архитектурой и исполнением. Второй — новый способ организации бригад программистов-исполнителей, обсуждавшийся в предыдущей главе.
Отделение разработки архитектуры от реализации является эффективным способом достижения концептуальной целостности при работе над очень большими проектами. Я лично был свидетелем успешного его применения при создании IBM компьютера Stretch и серии продуктов System/360. Но он не сработал при разработке Operating System/360, поскольку недостаточно применялся.
Под архитектурой системы я понимаю полную и подробную спецификацию интерфейса пользователя. Для компьютера это руководство по программированию. Для компилятора это руководство по языку. Для управляющей программы это руководство по одному или нескольким языкам, используемым для вызова ее функций. Для системы в целом — это набор всех руководств, к которым должен обращаться пользователь при работе.
Архитектор системы, как и архитектор здания, является представителем пользователя. Его задача — использовать все свои профессиональные и технические знания исключительно в интересах пользователя, а не продавца, изготовителя и т.п.[2]
Архитектура и разработка должны быть тщательно разделены. Как сказал Блау (Blaauw), «архитектура говорит, что должно произойти, а разработка — как сделать, чтобы это произошло».[3]В качестве простого примера он приводит часы, архитектура которых состоит из циферблата, стрелок и заводной головки. Ребенок, освоивший это архитектуру, с одинаковой легкостью может узнать время и по ручным часам, и по часам на колокольне. Исполнение же и его реализация описывают, что происходит внутри: передача усилий и управление точностью каждым из многих механизмов.
К примеру, в System/360 одна и та же архитектура компьютера совершенно по-разному реализована примерно в девяти моделях. Обратным образом, одна и та же реализация потока данных, памяти и микропрограмм из Model 30 использовалась в разное время в четырех различных архитектурах: System/360, мультиплексном канале с подключением до 224 логически независимых подканалов, селекторном канале и компьютере 1401.[4]
Такие же различия можно проводить в отношении систем программирования. Существует стандарт для Fortran IV. Это архитектура, используемая во многих компиляторах. В рамках этой архитектуры возможны разные реализации: текст в оперативной памяти или компилятор, быстрая или оптимизирующая, синтаксическая или ad hoc. Аналогично, любой язык ассемблера или язык управления заданиями допускает многие реализации ассемблера или планировщика.
Теперь мы можем заняться весьма чувствительным вопросом борьбы аристократии и демократии. Не стали ли архитекторы новой аристократией, интеллектуальной элитой, призванной разъяснить бедным безгласным исполнителям, что они должны делать? Не захватила ли эта элита всю творческую деятельность, сделав исполнителей лишь зубчиками в механизме? Не окажется ли, что более совершенный продукт можно получить, используя идеи всей бригады и исповедуя философию демократии, а не ограничивая круг разработчиков несколькими лицами?
Проще всего ответить на последний вопрос. Я, разумеется, не стану утверждать, что хорошие архитектурные идеи могут возникать только у архитекторов. Часто свежая идея исходит от исполнителя или пользователя. Однако весь личный опыт убеждает меня, и я пытался это показать, что простоту пользования системой определяет ее концептуальная целостность. Достойные внимания функции и идеи, которые не объединяются с основными концепциями системы, лучше оставить в стороне. Если таких важных, но несовместимых идей появляется слишком много, выкидывают всю система и начинают разработку целостной системы сначала, основывая ее на иных основополагающих концепциях.
Что касается обвинений в аристократизме, то ответ и положительный, и отрицательный. Положительный, потому что действительно должно быть несколько архитекторов, чьи результаты живут дольше, чем отдельные реализации, и архитектор находится в фокусе сил, которые он в конечном итоге должен использовать в интересах пользователя. Если вы хотите, чтобы система обладала концептуальной целостностью, то руководство концепциями должен взять кто-то один. Это аристократизм, который не нуждается в извинениях.
Ответ отрицательный, поскольку разработка проекта требует не меньше творчества, чем задание внешних спецификаций. Это тоже творческая работа, но другого характера. Разработка проекта для заданной архитектуры требует и допускает столько же творческой деятельности, новых идей, изобретательности, как и проект внешних спецификаций. Практически, коэффициент стоимость/эффективность созданного продукта больше зависит от исполнителя, а простота его использования — от архитектора.
Есть масса примеров, подсказанных другими искусствами и ремеслами, которые подводят к мнению, что дисциплина идет на пользу. Действительно, афоризм художника гласит, что «форма освобождает». Самые ужасны строения — это те, бюджет которых был слишком велик для поставленных целей. Творческую активность Баха едва ли могла подавлять необходимость еженедельная необходимость изготавливать кантату определенного вида. Я уверен, что архитектура компьютера Stretch стала бы лучше, если бы на нее наложили более жесткие ограничения; так, ограничения, наложенные бюджетом на System/360 Model 30, по моему мнению, принесли лишь пользу архитектуре Model 75.
Аналогично, я считаю, что получение архитектуры извне усиливает, а не подавляет творческую активность группы исполнителей. Они сразу сосредоточиваются на той части задачи, которой никто не занимался, и в результате изобретательность бьет ключом. В не ограничиваемой группе большая часть обдумывания и обсуждения посвящена архитектурным решениям в ущерб реализации.[5]
Этот многократно наблюдавшийся мной эффект подтвердил Р. У. Конвей (R. W. Conway), чья группа разработала в Корнельском университете компилятор PL/C для языка PL/I. Он говорит: «В конечном итоге мы решили реализовать язык без изменений и усовершенствований, поскольку обсуждение языка отняло бы у нас все силы.»[6]
Чем заняться разработчику, пока он вынужден ждать?
Очень неприятно совершить ошибку стоимостью в миллион долларов, но зато она надолго запоминается. Я отчетливо помню тот день, когда мы приняли решение о том, как практически организовать составление внешних спецификаций для OS/360. Менеджер по архитектуре, менеджер по реализации управляющей программы и я прорабатывали план, график и разделение обязанностей.
У менеджера по архитектуре было 10 хороших специалистов. Он утверждал, что они в состоянии написать спецификации и сделать это должным образом. Это должно было занять 10 месяцев — на три больше, чем отводилось по графику.
У менеджера по реализации управляющей программы было 150 человек. Он заявлял, что они могут подготовить спецификации, при этом группа архитекторов выполняла бы координирующие функции. Обещалось, что это будет сделано хорошо и практично, с соблюдением сроков. Более того, если оставить спецификации группе архитекторов, его 150 человек в течение десяти месяцев будут бить баклуши.
На это менеджер по архитектуре возразил, что если я сделаю ответственной за написание спецификаций группу управляющей программы, то результата в срок не будет: он все равно задержится на три месяца, но по качеству будет много хуже. Так оно и оказалось в действительности. Он оказался прав в обоих пунктах. Кроме того, из-за отсутствия концептуальной целостности создание и внесение изменений в систему оказались значительно более дорогостоящими, и, по моим оценкам, отладка удлинилась на год.
Конечно, многие факторы повлияли на принятие этого ошибочного решения, но определяющими были желание уложиться в график и стремление занять работой этих 150 человек. Пение этих сирен таит смертельные опасности, которые я и хочу сейчас показать.
Когда предлагается, чтобы все внешние спецификации для компьютерной или программной системы были составлены небольшой командой архитекторов, исполнители выдвигают три возражения:
• Спецификации будут перегружены функциями и не будут учитывать практических затрат на реализацию.
• Архитекторы получат все радости творчества и заблокируют изобретательность исполнителей.
• Многочисленным исполнителям придется ожидать в праздности, пока спецификации пройдут через узкое горлышко команды архитекторов.
Первое возражение отражает реальную опасность и будет рассмотрено в следующей главе. Остальные два являются чистым заблуждением. Как мы видели выше, разработка также является в высшей степени творческой деятельностью. Возможность проявить творчество и изобретательность при разработке незначительно ограничивается необходимостью работать в рамках заданных внешних спецификаций, и такая дисциплина может даже усилить степень творчества. Это, несомненно, верно для проекта в целом.
Последнее возражение касается планирования временных рамок и этапов. Проще всего воздержаться от найма исполнителей до завершения работы над спецификациями. Когда воздвигается здание, так и поступают.
Однако при создании компьютерных систем темпы выше, и желательно уплотнить график работ. В какой мере разработка спецификаций и разработка могут перекрываться?
Как отмечает Блау, всю программу создания составляют три отдельные стадии: архитектура, разработка и реализация. Оказывается, что на практике их можно начинать параллельно и продолжать одновременно.
Например, при проектировании компьютеров проектировщик может приступать к работе, имея относительно общие допущения в отношении руководства пользователя, несколько более ясные идеи относительно технологии и вполне определенные задачи по стоимости и рабочим характеристикам. Он может начать проектирование потоков данных, управляющих последовательностей, общих идей компоновки и т.д. Он разрабатывает или адаптирует необходимый инструментарий, особенно систему ведения учета, в том числе систему автоматизации проектирования.
В то же время на уровне реализации нужно спроектировать, усовершенствовать и описать микросхемы, платы, кабели, каркасы, блоки питания и устройства памяти. Эта работа протекает параллельно с архитектурой и разработкой.
То же самое справедливо при создании программных систем. Задолго до завершения внешних спецификаций проектировщик может найти себе достаточно работы. Он может приступить к делу, основываясь на грубом приближении функциональности системы, которая в конечном итоге будет воплощена во внешних спецификациях. У него должны быть ясно определенные цели в отношении памяти и временных параметров. Он должен изучить конфигурацию системы, на которой будет выполняться его продукт. Затем он может начать определение границ модулей, структур таблиц, расчленения на проходы или стадии алгоритмов и всевозможных инструментальных средств. Некоторое время он должен также посвятить общению с архитектором.
В то же время достаточно работы и на уровне реализации. У программирования своя технология. Если машина новая, много труда требуют соглашения по подпрограммам, технология работы с супервизором, алгоритмы поиска и сортировки.[7]
Концептуальная целостность требует, чтобы система отражала единую философию, и технические условия, в том виде, в котором они будут видны пользователю, проистекали от малого числа авторов. Это не означает, что спроектированная таким образом система создается дольше, поскольку используется действительное
разделение труда на архитектуру, разработку и реализацию. Опыт показывает обратное: цельная система продвигается быстрее и требует меньше времени для отладки. В результате широко распространенное горизонтальное разделение труда значительно сокращается за счет вертикального разделения, что влечет резкое уменьшение обмена информацией и улучшение концептуальной целостности.
Если ответственность за спецификацию функций отделить от ответственности за быстрое создание недорогого продукта, то чем сдержать изобретательский энтузиазм архитектора?
Принципиальное решение — обеспечение всестороннего, тщательного и доброжелательно обмена информацией между архитектором и разработчиком. Однако имеются и более тонкие решения, которые заслуживают внимания.
Дисциплина взаимодействия для архитектора
Архитектор, строящий здание, действует в рамках сметы, используя методы оценки, которые в последующем подтверждаются или корректируются заявками подрядчиков. Часто случается, что все предложения выходят за рамки сметы. Тогда архитектор пересматривает свои оценки в сторону увеличения сметы, а проект — в сторону сокращения, и цикл повторяется. Иногда он предлагает подрядчикам способы удешевления реализации его проекта в сравнении с избранными ими способами.
Сходные процессы происходят с архитектором компьютерных или программных систем. Однако у него есть то преимущество, что предложения подрядчика можно получить на ранних стадиях проектирования, часто — в любой момент. Недостатком обычно является то, что работа идет с единственным подрядчиком, который может менять цену в зависимости от степени своей удовлетворенности проектом. На практике, процесс общения, начатый на ранних этапах и продолжающийся непрерывно, может дать архитектору верную оценку стоимости, а разработчику — уверенность в проекте, не снимая при этом четкого разграничения сфер ответственности.
каталогизированные процедуры, макробиблиотеки.
Отладчик. Хирургу потребуется набор подходящих контрольных примеров для отладки написанных им фрагментов кода, а затем и всей программы. Отладчик является, таким образом, как противником, разрабатывающим контрольные примеры для системного тестирования, исходя из функциональных спецификаций, так и помощником, готовящим данные для ежедневной отладки. Он также обычно планирует последовательность тестирования и создание среды для тестирования компонентов.
Языковед. Вскоре после появления Algol обнаружилось, что в большинстве вычислительных центров есть один-два человека, поражающих своим владением тонкостями языка программирования. Эти эксперты оказываются очень полезными, и с ними часто советуются. Здесь требуется иной талант, чем у хирурга, который является преимущественно системным проектировщиком и мыслит представлениями. Языковед может найти эффективные способы использования языка для решения сложных, неясных и хитроумных задач. Иногда ему требуется провести небольшое исследование (два-три дня) для нахождения удачной технологии. Один языковед может работать с двумя или тремя хирургами.
Вот таким образом 10 человек могут выполнять хорошо дифференцированные и специализированные роли в команде программистов, организованной по образцу операционной бригады.
Как это работает
Созданная нами бригада может достичь желаемой цели несколькими способами. Над задачей трудятся десять человек, семь из которых профессионалы, но система является продуктом одного ума, по крайней мере двух, действующих uno animo (как одно целое).
Обратите особое внимание на различие между группой из двух программистов с обычной организацией и группой типа «хирург — второй пилот». Во-первых, в обычной бригаде работники делят задачу между собой, и каждый из них отвечает за замысел и воплощение некоторой части. В операционной бригаде и хирург, и второй пилот находятся в ведении всего проекта и всего программного кода. Это сберигает затраты на распределение памяти, доступ к дискам и т.п., а также обеспечивает концептуальную целостность продукта.
Во-вторых, в обычной бригаде партнеры равны, и неизбежные разногласия должны разрешаться путем переговоров или компромиссов. Поскольку задача и ресурсы разделены, разногласия относятся к общей стратегии и интерфейсам, но к ним примешивается и противоположность интересов, например, чью память использовать для буфера. В хирургической бригаде различий интересов нет, а разногласия единолично решаются хирургом. Эти два различия — отсутствие разбиения задачи и отношение подчиненности — позволяют хирургической бригаде действовать uno animo.
Кроме того, решающее влияние на эффективность оказывает специализация функций остальных членов бригады, так как в результате осуществима значительно более простая схема контактов между сотрудниками, которая показана на рисунке 3.1.
В статье Бейкера [3] сообщается об одной проверке такой концепции бригады, проведенной в ограниченном масштабе. Как и предсказывалось, результаты оказались великолепными.
Масштабирование
До сих пор все было хорошо. Проблема, однако, состоит в том, как создавать продукты, на которые сейчас уходит не 20 или 30, а 5000 человеко-лет. Бригада из 10 человек может быть эффективна вне зависимости от своей организации, если задача целиком находится в ее компетенции. Но как использовать идею операционной бригады в задачах, для выполнения которых привлекаются сотни людей?
Успех при масштабировании обусловливается коренным улучшением концептуального единства каждого участка, ведь количество проектировщиков уменьшилось в семь раз. Поэтому можно привлечь к работе над задачей 200 человек, и необходимость координации умственных усилий потребуется всего для 20 из них — хирургов.
Однако задача координации требует использования особых методов, обсуждаемых в последующих главах. Пока достаточно сказать, что вся система в целом должна обладать концептуальным единством, и необходим системный архитектор, чтобы проектировать ее целиком, в нисходящем направлении. Для того чтобы этой работой можно было управлять, необходимо провести строгое разграничение архитектуры и воплощения, и системный архитектор должен добросовестно посвятить себя разработке архитектуры. Опыт показывает, что такое распределение ролей и такие методы осуществимы и оказываются весьма результативными.
Этот величественный храм является выдающимся произведением искусства. В принципах, которые он излагает, нет ни сухости, ни беспорядка…
Это вершина стиля, труд художников, которые поняли и восприняли все достижения своих предшественников, в совершенстве владея техникой своего века, но пользовались ей, избегая нескромного показа или необоснованной демонстрации мастерства.
Несомненно, замысел общего плана здания принадлежит д’Орбе, и те, кто его сменил, придерживались этого плана, по крайней мере, в существенных чертах. Это одна из причин удивительной гармоничности и единства здания.
ПУТЕВОДИТЕЛЬ ПО РЕЙМСКОМУ СОБОРУ[1]
Концептуальное единство
У большинства европейских соборов части, построенные разными поколениями строителей, имеют различия в планировке и архитектурном стиле. Более поздние строители испытывали соблазн «улучшить» проект своих предшественников, чтобы отразить новые веяния моды и свои личные вкусы. В итоге мирный норманнский трансепт создает конфликт с примыкающим к нему возносящимся в высь готическим нефом, и результат столь же служит восхвалению славы Господней, сколь и гордыни строителей.
Архитектурное единство Реймского собора находится в прямой противоположности с таким смешением стилей. Источником наполняющей зрителя радости служат как цельность конструкции, так и отдельные образцы совершенства. Как сказано в путеводителе, цельность была достигнута благодаря самоотречению восьми поколений строителей собора, пожертвовавших своими идеями ради чистоты общего замысла. То что получилось в результате, служит восхвалению не только славы Господней, но и Его могущества, способного спасти грешных людей от их гордыни.
Хотя на создание программных систем не уходят века, в большинстве своем они демонстрируют меньшую согласованность концепций, чем в любом соборе. Обычно это происходит не оттого, что главные проектировщики сменяют друг друга, а потому, что проект расщепляется на ряд задач, выполняемых разными разработчиками.
Я убежден, что концептуальная целостность является важнейшей характеристикой системного проекта. Лучше убрать из системы отдельные необычные возможности и усовершенствования и реализовать единый набор конструктивных идей, чем оснастить ее многими хорошими, но невзаимосвязанными и несогласованными идеями. В этой и двух последующих главах мы изучим следствия этой концепции для проектирования программных систем:
• Как достичь концептуальной целостности?
• Не будет ли это требование причиной раскола на элиту, аристократический класс архитекторов — с одной стороны, и толпы плебеев-исполнителей, чьи творческие таланты и идеи подавляются, — с другой?
• Как удержать архитекторов от витания в облаках и разработки несущественных или чрезмерно дорогих спецификаций?
• Как добиться того, чтобы любая мелочь из созданной архитектором спецификации дошла до исполнителя, была им правильно понята и точно внедрена в продукт?
Достижение концептуальной целостности
Назначение системы программирования — облегчить использование компьютера. Для этого поставляются языки и различные средства, являющиеся, по сути, программами, вызываемыми и управляемыми возможностями языка. Но эти средства стоят денег: объем внешнего описания системы программирования в десять-двадцать раз больше описания собственно вычислительной системы. Пользователю оказывается значительно проще задать любую выбранную функцию, но выбор очень велик, и нужно помнить значительно больше вариантов и форматов.
Использование облегчается, только если выигрыш времени при задании функции превышает время, потраченное на обучение, запоминание и поиск руководств. Современные системы программирования дают такой выигрыш, но похоже, что в последние годы отношение выигрыша к затратам уменьшилось в результате добавления все более и более сложных функций. Я часто вспоминаю, как легко было использовать IBM 650, даже без ассемблера или вообще каких-либо программ.
Поскольку целью проектирования является простота использования, окончательную оценку проекта системы дает достигнутое отношение функциональности к сложности концепций. Ни функциональность, ни простота в отдельности не являются признаками хорошего проекта.
Это обстоятельство часто неправильно понимается. Operating System/360 превозносится своими создателями, как лучшая из когда-либо созданных, поскольку неоспоримо, что в ней больше функций. Функции, а не простота всегда служили критерием превосходства ее создателей. С другой стороны, создатели системы с разделением времени для PDP-10 превозносят ее превосходство ввиду простоты и немногочисленности положенных в основу идей. Однако по всем меркам ее функциональность ниже по классу, чем OS/360. Если в качестве критерия определена простота использования, становится очевидной несбалансированность этих систем, достигающих цели лишь наполовину.
Однако для некоторого заданного уровня функциональности лучшей оказывается та система, в которой можно работать с наибольшей простотой и непосредственностью. Простота — это еще не все. Язык TRAC, созданный Муером, и Algol 68 достигают простоты, если количественно измерять ее числом отдельных элементарных понятий. Непосредственность, однако, не характерна для них. Чтобы выразить свои намерения, часто требуется сочетать базовые средства сложным и неожиданным образом. Недостаточно изучить базовые элементы и правила их комбинирования, нужно изучить еще идиоматическое использование, целую область знаний о том, как на практике комбинировать элементы. Простота и непосредственность проистекают из концептуальной целостности. Во всех частях должны найти отражение единая философия и единообразные пропорции между желаемыми целями. В каждой части должны также использоваться одинаковый синтаксис и сходные семантические обозначения. Таким образом, простота использования требует единства проекта, концептуальной целостности.
Аристократия и демократия
Концептуальная целостность, в свою очередь, требует, чтобы проект исходил от одного разработчика, или небольшого числа их, действующих согласованно и в унисон.
С другой стороны, напряженность графика требует привлечения большого числа работников. Есть два метода разрешения этой дилеммы. Первый состоит в тщательном разделении труда между архитектурой и исполнением. Второй — новый способ организации бригад программистов-исполнителей, обсуждавшийся в предыдущей главе.
Отделение разработки архитектуры от реализации является эффективным способом достижения концептуальной целостности при работе над очень большими проектами. Я лично был свидетелем успешного его применения при создании IBM компьютера Stretch и серии продуктов System/360. Но он не сработал при разработке Operating System/360, поскольку недостаточно применялся.
Под архитектурой системы я понимаю полную и подробную спецификацию интерфейса пользователя. Для компьютера это руководство по программированию. Для компилятора это руководство по языку. Для управляющей программы это руководство по одному или нескольким языкам, используемым для вызова ее функций. Для системы в целом — это набор всех руководств, к которым должен обращаться пользователь при работе.
Архитектор системы, как и архитектор здания, является представителем пользователя. Его задача — использовать все свои профессиональные и технические знания исключительно в интересах пользователя, а не продавца, изготовителя и т.п.[2]
Архитектура и разработка должны быть тщательно разделены. Как сказал Блау (Blaauw), «архитектура говорит, что должно произойти, а разработка — как сделать, чтобы это произошло».[3]В качестве простого примера он приводит часы, архитектура которых состоит из циферблата, стрелок и заводной головки. Ребенок, освоивший это архитектуру, с одинаковой легкостью может узнать время и по ручным часам, и по часам на колокольне. Исполнение же и его реализация описывают, что происходит внутри: передача усилий и управление точностью каждым из многих механизмов.
К примеру, в System/360 одна и та же архитектура компьютера совершенно по-разному реализована примерно в девяти моделях. Обратным образом, одна и та же реализация потока данных, памяти и микропрограмм из Model 30 использовалась в разное время в четырех различных архитектурах: System/360, мультиплексном канале с подключением до 224 логически независимых подканалов, селекторном канале и компьютере 1401.[4]
Такие же различия можно проводить в отношении систем программирования. Существует стандарт для Fortran IV. Это архитектура, используемая во многих компиляторах. В рамках этой архитектуры возможны разные реализации: текст в оперативной памяти или компилятор, быстрая или оптимизирующая, синтаксическая или ad hoc. Аналогично, любой язык ассемблера или язык управления заданиями допускает многие реализации ассемблера или планировщика.
Теперь мы можем заняться весьма чувствительным вопросом борьбы аристократии и демократии. Не стали ли архитекторы новой аристократией, интеллектуальной элитой, призванной разъяснить бедным безгласным исполнителям, что они должны делать? Не захватила ли эта элита всю творческую деятельность, сделав исполнителей лишь зубчиками в механизме? Не окажется ли, что более совершенный продукт можно получить, используя идеи всей бригады и исповедуя философию демократии, а не ограничивая круг разработчиков несколькими лицами?
Проще всего ответить на последний вопрос. Я, разумеется, не стану утверждать, что хорошие архитектурные идеи могут возникать только у архитекторов. Часто свежая идея исходит от исполнителя или пользователя. Однако весь личный опыт убеждает меня, и я пытался это показать, что простоту пользования системой определяет ее концептуальная целостность. Достойные внимания функции и идеи, которые не объединяются с основными концепциями системы, лучше оставить в стороне. Если таких важных, но несовместимых идей появляется слишком много, выкидывают всю система и начинают разработку целостной системы сначала, основывая ее на иных основополагающих концепциях.
Что касается обвинений в аристократизме, то ответ и положительный, и отрицательный. Положительный, потому что действительно должно быть несколько архитекторов, чьи результаты живут дольше, чем отдельные реализации, и архитектор находится в фокусе сил, которые он в конечном итоге должен использовать в интересах пользователя. Если вы хотите, чтобы система обладала концептуальной целостностью, то руководство концепциями должен взять кто-то один. Это аристократизм, который не нуждается в извинениях.
Ответ отрицательный, поскольку разработка проекта требует не меньше творчества, чем задание внешних спецификаций. Это тоже творческая работа, но другого характера. Разработка проекта для заданной архитектуры требует и допускает столько же творческой деятельности, новых идей, изобретательности, как и проект внешних спецификаций. Практически, коэффициент стоимость/эффективность созданного продукта больше зависит от исполнителя, а простота его использования — от архитектора.
Есть масса примеров, подсказанных другими искусствами и ремеслами, которые подводят к мнению, что дисциплина идет на пользу. Действительно, афоризм художника гласит, что «форма освобождает». Самые ужасны строения — это те, бюджет которых был слишком велик для поставленных целей. Творческую активность Баха едва ли могла подавлять необходимость еженедельная необходимость изготавливать кантату определенного вида. Я уверен, что архитектура компьютера Stretch стала бы лучше, если бы на нее наложили более жесткие ограничения; так, ограничения, наложенные бюджетом на System/360 Model 30, по моему мнению, принесли лишь пользу архитектуре Model 75.
Аналогично, я считаю, что получение архитектуры извне усиливает, а не подавляет творческую активность группы исполнителей. Они сразу сосредоточиваются на той части задачи, которой никто не занимался, и в результате изобретательность бьет ключом. В не ограничиваемой группе большая часть обдумывания и обсуждения посвящена архитектурным решениям в ущерб реализации.[5]
Этот многократно наблюдавшийся мной эффект подтвердил Р. У. Конвей (R. W. Conway), чья группа разработала в Корнельском университете компилятор PL/C для языка PL/I. Он говорит: «В конечном итоге мы решили реализовать язык без изменений и усовершенствований, поскольку обсуждение языка отняло бы у нас все силы.»[6]
Чем заняться разработчику, пока он вынужден ждать?
Очень неприятно совершить ошибку стоимостью в миллион долларов, но зато она надолго запоминается. Я отчетливо помню тот день, когда мы приняли решение о том, как практически организовать составление внешних спецификаций для OS/360. Менеджер по архитектуре, менеджер по реализации управляющей программы и я прорабатывали план, график и разделение обязанностей.
У менеджера по архитектуре было 10 хороших специалистов. Он утверждал, что они в состоянии написать спецификации и сделать это должным образом. Это должно было занять 10 месяцев — на три больше, чем отводилось по графику.
У менеджера по реализации управляющей программы было 150 человек. Он заявлял, что они могут подготовить спецификации, при этом группа архитекторов выполняла бы координирующие функции. Обещалось, что это будет сделано хорошо и практично, с соблюдением сроков. Более того, если оставить спецификации группе архитекторов, его 150 человек в течение десяти месяцев будут бить баклуши.
На это менеджер по архитектуре возразил, что если я сделаю ответственной за написание спецификаций группу управляющей программы, то результата в срок не будет: он все равно задержится на три месяца, но по качеству будет много хуже. Так оно и оказалось в действительности. Он оказался прав в обоих пунктах. Кроме того, из-за отсутствия концептуальной целостности создание и внесение изменений в систему оказались значительно более дорогостоящими, и, по моим оценкам, отладка удлинилась на год.
Конечно, многие факторы повлияли на принятие этого ошибочного решения, но определяющими были желание уложиться в график и стремление занять работой этих 150 человек. Пение этих сирен таит смертельные опасности, которые я и хочу сейчас показать.
Когда предлагается, чтобы все внешние спецификации для компьютерной или программной системы были составлены небольшой командой архитекторов, исполнители выдвигают три возражения:
• Спецификации будут перегружены функциями и не будут учитывать практических затрат на реализацию.
• Архитекторы получат все радости творчества и заблокируют изобретательность исполнителей.
• Многочисленным исполнителям придется ожидать в праздности, пока спецификации пройдут через узкое горлышко команды архитекторов.
Первое возражение отражает реальную опасность и будет рассмотрено в следующей главе. Остальные два являются чистым заблуждением. Как мы видели выше, разработка также является в высшей степени творческой деятельностью. Возможность проявить творчество и изобретательность при разработке незначительно ограничивается необходимостью работать в рамках заданных внешних спецификаций, и такая дисциплина может даже усилить степень творчества. Это, несомненно, верно для проекта в целом.
Последнее возражение касается планирования временных рамок и этапов. Проще всего воздержаться от найма исполнителей до завершения работы над спецификациями. Когда воздвигается здание, так и поступают.
Однако при создании компьютерных систем темпы выше, и желательно уплотнить график работ. В какой мере разработка спецификаций и разработка могут перекрываться?
Как отмечает Блау, всю программу создания составляют три отдельные стадии: архитектура, разработка и реализация. Оказывается, что на практике их можно начинать параллельно и продолжать одновременно.
Например, при проектировании компьютеров проектировщик может приступать к работе, имея относительно общие допущения в отношении руководства пользователя, несколько более ясные идеи относительно технологии и вполне определенные задачи по стоимости и рабочим характеристикам. Он может начать проектирование потоков данных, управляющих последовательностей, общих идей компоновки и т.д. Он разрабатывает или адаптирует необходимый инструментарий, особенно систему ведения учета, в том числе систему автоматизации проектирования.
В то же время на уровне реализации нужно спроектировать, усовершенствовать и описать микросхемы, платы, кабели, каркасы, блоки питания и устройства памяти. Эта работа протекает параллельно с архитектурой и разработкой.
То же самое справедливо при создании программных систем. Задолго до завершения внешних спецификаций проектировщик может найти себе достаточно работы. Он может приступить к делу, основываясь на грубом приближении функциональности системы, которая в конечном итоге будет воплощена во внешних спецификациях. У него должны быть ясно определенные цели в отношении памяти и временных параметров. Он должен изучить конфигурацию системы, на которой будет выполняться его продукт. Затем он может начать определение границ модулей, структур таблиц, расчленения на проходы или стадии алгоритмов и всевозможных инструментальных средств. Некоторое время он должен также посвятить общению с архитектором.
В то же время достаточно работы и на уровне реализации. У программирования своя технология. Если машина новая, много труда требуют соглашения по подпрограммам, технология работы с супервизором, алгоритмы поиска и сортировки.[7]
Концептуальная целостность требует, чтобы система отражала единую философию, и технические условия, в том виде, в котором они будут видны пользователю, проистекали от малого числа авторов. Это не означает, что спроектированная таким образом система создается дольше, поскольку используется действительное
разделение труда на архитектуру, разработку и реализацию. Опыт показывает обратное: цельная система продвигается быстрее и требует меньше времени для отладки. В результате широко распространенное горизонтальное разделение труда значительно сокращается за счет вертикального разделения, что влечет резкое уменьшение обмена информацией и улучшение концептуальной целостности.
Adde parvum parvo magnus acervus erit. (Складывай малое с малым, и получишь большую кучу.)
ОВИДИЙ
Если ответственность за спецификацию функций отделить от ответственности за быстрое создание недорогого продукта, то чем сдержать изобретательский энтузиазм архитектора?
Принципиальное решение — обеспечение всестороннего, тщательного и доброжелательно обмена информацией между архитектором и разработчиком. Однако имеются и более тонкие решения, которые заслуживают внимания.
Дисциплина взаимодействия для архитектора
Архитектор, строящий здание, действует в рамках сметы, используя методы оценки, которые в последующем подтверждаются или корректируются заявками подрядчиков. Часто случается, что все предложения выходят за рамки сметы. Тогда архитектор пересматривает свои оценки в сторону увеличения сметы, а проект — в сторону сокращения, и цикл повторяется. Иногда он предлагает подрядчикам способы удешевления реализации его проекта в сравнении с избранными ими способами.
Сходные процессы происходят с архитектором компьютерных или программных систем. Однако у него есть то преимущество, что предложения подрядчика можно получить на ранних стадиях проектирования, часто — в любой момент. Недостатком обычно является то, что работа идет с единственным подрядчиком, который может менять цену в зависимости от степени своей удовлетворенности проектом. На практике, процесс общения, начатый на ранних этапах и продолжающийся непрерывно, может дать архитектору верную оценку стоимости, а разработчику — уверенность в проекте, не снимая при этом четкого разграничения сфер ответственности.