Кодеры за работой. Размышления о ремесле программиста - Питер Сейбел

Сейбел: Получается, есть свойства языков, которые делают труд программистов, освоивших эту неестественную работу, более продуктивным? Вы сейчас проектируете язык, у вас должно быть мнение на этот счет.

Стил: Я уже говорил: нельзя пренебрегать точностью. В то же время мы можем создавать инструменты для повышения точности. Мы не можем сделать эту процедуру тривиальной, но можем помочь избежать некоторых ошибок. Вместо того чтобы допускать циклическое переполнение 32-битных целых, можно сделать обнаружение арифметического переполнения или предоставить возможность работы с большими числами. Сейчас реализация всего этого обходится дороже, но я считаю, что работа с настоящими большими числами дает немного меньше ошибок для некоторых видов программирования. Программисты и создатели алгоритмов для операционных систем все время попадают в одну и ту же ловушку. Они говорят: “Нам нужно синхронизировать фазы, так что будем брать по одному числу. При начале новой фазы вычисления будем увеличивать на единицу какую-нибудь переменную, получать новое число - и тогда все участники будут уверены, что работают в одной и той же фазе, пока не начнется какая-нибудь операция”. Это работает на практике, но с 32-битными числами вы досчитаете до 4 миллиардов довольно быстро. Что будет в случае циклического переполнения? Все будет в порядке? Или нет? Многие подобные алгоритмы в компьютерной литературе содержат эту небольшую ошибку. Что если какой-нибудь поток застопорится со 2-й по 32-ю итерацию? Маловероятно, но все-таки возможно. Надо или как-то смягчить эту проблему в смысле корректности, или все просчитать и показать, что такой вариант настолько маловероятен, что беспокоиться не о чем. Или, возможно, для вас приемлем один компьютерный сбой в день. Суть в том, что надо проанализировать проблему, а не игнорировать ее. Тот факт, что счетчик может переполниться, - проблема еле заметная, большинство программистов она не затронет. Но для остальных это ловушка в их алгоритмах.

Сейбел: Кстати о сбоях. Какова худшая ошибка, с которой вы имели дело?

Стил: Не уверен, что назову худшую, но могу кое-что рассказать. Самые трудноуловимые ошибки порождаются параллельными процессами.

Когда я был зеленым программистом и работал на IBM 1130, решение, как исправить ошибку, однажды явилось мне во сне. Или сразу после пробуждения. Я бился над ней пару дней, ничего не получалось. И вот посреди ночи - озарение. Оказалось, я кое-что пропустил в спецификации интерфейса.

Это было связано с параллельными процессами. Я писал декомпилятор, чтобы декомпилировать и изучить дисковую оперативную систему машин IBM. Для этого надо было взять с диска данные в двоичном виде и распечатать их в разных форматах - как инструкции, как коды символов, как числа и так далее. Для преобразования символов я скармливал их разным функциям преобразования, одна из которых была предназначена для работы с кодом, считанным через устройство для чтения перфокарт. И я пропустил крохотное примечание в спецификации: “Прежде чем вызвать эту функцию, необходимо очистить младшие биты в буфере, в который будут считываться данные с перфокарты”. Или, наоборот, их надо было установить.

Так или иначе, 12 бит с карты записывались в старшие 12 бит 16-битного слова, а младшие разряды использовались для хитрого трюка: можно было запустить функцию чтения перфокарты асинхронно, и тогда буфер заполнялся тоже асинхронно, и при этом выполнялась функция преобразования. И этот младший разряд определял, была ли считана следующая колонка перфокарты. Если была, то выполнялось преобразование. Таким образом, почти сразу после считывания всей перфокарты преобразование завершалось - за счет того, что эти процессы перекрывали друг друга, получался выигрыш во времени. Я же скармливал в функцию сырые двоичные данные, которые не подчинялись этим ограничениям. Я просто не обратил внимания на примечание. Я думал, что это обычная функция преобразования, а оказалось, что в интерфейсе этой функции есть особенность: она задействовала младшие разряды, о которых обычно думать не приходится. Она обрабатывала буфер и говорила мне: “Данные еще не поступили из устройства для чтения перфокарт”. В принципе, я знал, что такое возможно, но тогда это мне в голову не пришло. А потом во сне меня озарило. Вот такой странный случай.

А вот другая занятная история. Я отвечал за Maclisp, a Maclisp поддерживал большие числа - целые числа произвольной точности. Они у нас были уже несколько лет, считалось, что они хорошо отлажены. Они широко использовались в Macsyma, пользователи Macsyma все время с ними работали. И вот приходит сообщение от Билла Госпера: “Частное двух этих целых чисел неверно”. Он заметил это, поскольку частное примерно равнялось Юл.

В каждом числе было знаков по сто, и вручную выследить ошибку было невозможно - программа деления была сложной, а числа - большими. Я стал смотреть на код - с виду ничего такого. Но взгляд зацепился за условный оператор, который я не понял.

Эти функции базировались на алгоритмах Кнута. Я достал с полки его книгу, прочел спецификацию и начал переводить алгоритм в код на языке ассемблера. Я увидел комментарий Кнута о том, что этот шаг выполняется редко - с вероятностью примерно два в степени минус размер машинного слова. У нас должно было выходить примерно один раз на четыре миллиарда случаев.

Я подумал, что функции отлажены, ошибка должна проявляться редко, то есть она где-то в коде, который редко выполняется. Я стал изучать этот код и понял, что структура данных копируется неверно. В итоге дальше по коду обнаружилась ошибка, возникшая в результате побочного эффекта: там что-то затиралось. Я исправил это, пропустил числа через функцию и получил верное значение. Госпер был доволен.

А неделю спустя он пришел с двумя числами - они были еще больше - со словами: “Эти тоже делятся неправильно”. Но я уже был готов: вернулся к тому самому маленькому куску из десятка инструкций и обнаружил вторую ошибку того же рода в том же самом коде. Я тщательно проверил весь код, убедился, что все копируется правильно, и больше проблем не было.

Сейбел: Как обычно - ошибка не ходит одна.

Стил: Вот я и вынес урок: ошибок может быть больше одной, и в первом случае надо было смотреть тщательнее на предмет других ошибок. Другой урок в том, что если ошибка проявляется редко, то надо смотреть участки кода, которые редко выполняются. И третий: желательно иметь хорошую документацию по алгоритму, в моем случае - книгу Кнута.

Сейбел: Кроме ночных озарений, каков ваш излюбленный метод отладки? Что вы предпочитаете - символьные отладчики, вывод на печать, утверждения, формальные доказательства или все сразу?