Глава 9 Два в одном

Автору стоит присмотреться к Ною и… поучиться на примере Ковчега, как в очень маленькое пространство втиснуть очень много.
СИДНЕЙ СМИТ, «ЭДИНБУРГСКОЕ РЕВЮ»

Размер программы как стоимость

Какова стоимость программы? Если не считать времени выполнения, то помять, занимаемая программой, составляет главные издержки. Это верно даже для собственных разработок, когда пользователь платит автору существенно меньше, чем стоит разработка. Возьмем интерактивную систему IBM APL. Плата за ее использование составляет $400 в месяц. При работе она требует не меньше 160 Кбайт памяти. У машины Model 165 ежемесячная аренда 1 Кбайта памяти стоит около $12. Если пользоваться программой круглосуточно, то месячная плата составит $400 за пользование программой и $1920 за память. Если пользоваться системой APL лишь четыре часа в день, то месячная плата составит $400 за пользование программой и $320 за использование памяти.

Нередко можно встретить человека, выражающего ужас по поводу того, что в машине, имеющей 2 Мбайт памяти, под операционную систему может быть отведено 400 Кбайт. Это столь же глупо, как ругать Боинг-747 за то, что он стоит 27 миллионов долларов. Надо же спросить: «А что она делает?» Какую, собственно, простоту в использовании и производительность (посредством эффективного использования системы) получаешь за потраченные деньги? Нельзя ли вложенные в аренду памяти $4800 в месяц израсходовать с большей пользой — на другие аппаратные средства, программистов, прикладные программы?

Проектировщик системы отводит часть всех аппаратных ресурсов программам, резидентно находящимся в памяти, если считает, что пользователю это нужнее, чем сумматоры, диски и т.д. Нельзя критиковать программную систему за размер как таковой, и в то же время последовательно пропагандировать тесную интеграцию проектирования аппаратного и программного обеспечения.

Поскольку размер определяет значительную долю того, во что обходится пользователю системный программный продукт, изготовитель должен планировать размер, контролировать его и разрабатывать технологии, уменьшающие размер, подобно тому, как изготовитель аппаратной части планирует количество деталей, контролирует его и разрабатывает методы сокращения количества деталей. Как и для всякой цены, плох не большой размер как таковой, а размер, не вызываемый необходимостью.

Управление размером

Для менеджера проекта управление размером является отчасти технической, отчасти административной задачей. Чтобы устанавливать размеры предлагаемых систем, необходимо изучать пользователей и используемые ими приложения. Затем системы должны разлагаться на компоненты, для которых определяются проектные размеры. Поскольку варьировать соотношением скорости и размера можно лишь достаточно большими скачками, планирование размера является непростым делом, требующим знания возможных компромиссов для каждой части. Опытный менеджер сделает себе также «заначку», которую можно будет использовать в процессе работы.

Все же при работе над OS/360 пришлось извлечь несколько горьких уроков, несмотря на то, что все описанные меры были приняты.

Прежде всего, недостаточно установить размер памяти, нужно взвесить размер со всех сторон. Большинство прежних операционных систем размещалось на магнитных лентах, и большое время поиска на ленте не располагало к частой загрузке программных сегментов. OS/360 располагалась на диске, как и ее непосредственные предшественники — операционная система Stretch и дисковая операционная системы 1410-7010. Ее создатели получили свободу легкого обращения к диску. Первоначально это обернулось катастрофой для производительности.

При определении размеров памяти компонентов мы не установили одновременно бюджетов доступа. Как и следовало ожидать, программист, выходивший за рамки определенной ему памяти, разбивал программу на оверлеи. В результате и суммарный размер увеличивался, и выполнение замедлялось. Хуже то, что наша система административного контроля не смогла это обнаружить. Каждый программист сообщал, сколько памяти он использовал, и так как он укладывался в задание, никто не беспокоился.

К счастью, вскоре настал день, когда заработала система моделирования технических характеристик OS/360. Первые результаты показали наличие серьезных проблем. Моделирование компиляции с Fortran H на машине Model 65 с барабанами дало результат пять операторов в минуту! Анализ показал, что все модели управляющей программы делали множество обращений к диску. Даже интенсивно используемые модули супервизора часто обращались к диску, и результат по звуку весьма напоминал шелест перелистываемой книги.

Первая мораль ясна: планировать нужно как размер резидентной части, так и общий размер. Помимо планирования этих размеров нужно планировать и количество обращений к диску для обратной записи.

Второй урок был аналогичен. Ресурсы памяти устанавливались прежде, чем для каждого модуля было определено точное распределение памяти для функций. В результате каждый программист, не укладывавшийся в размеры, искал, что из его кода можно выкинуть через забор в память соседу. Поэтому буфера управляющей программы стали частью памяти пользователя. Что хуже, так же поступали все управляющие блоки, и в результате были полностью скомпрометированы безопасность и защита системы.

Поэтому второй вывод тоже совершенно ясен: при задании размера модуля нужно точно определить, что он должен делать.

И третий, более серьезный урок, который нужно извлечь из этого опыта. Проект был слишком велик, а общение между менеджерами недостаточным, чтобы многочисленные участники могли почувствовать себя добывающими зачетные очки для команды, а не создателями программных продуктов. Каждый оптимизировал свой личный участок, чтобы решить поставленные задачи, и мало кто задумывался над тем, как это отразится на заказчике. Потеря ориентации и связи представляют собой главную опасность для больших проектов. В течение всей разработки системные архитекторы должны поддерживать постоянную бдительность для обеспечения постоянной целостности системы. Однако такая стратегия зависит от позиции самих разработчиков. Едва ли не главнейшей функцией менеджера программного проекта должно быть воспитание позиции заботы об общей системе, ориентировки на пользователя.

Технологии сбережения памяти

Никакое распределение ресурсов памяти и контроль не сделают программу маленькой. Для этого требуется изобретательность и мастерство.

Очевидно, что чем больше функций, тем больше требуется памяти при том же самом быстродействии. Поэтому первой областью, где нужно приложить мастерство, является нахождение компромисса между функциональностью и размером. Здесь мы сразу сталкиваемся с важной стратегической проблемой. В какой мере этот выбор можно предоставить пользователю? Можно разработать программу со многими факультативными функциями, каждая из которых требует памяти. Можно сконструировать генератор, просматривающий список опций и соответствующим образом адаптирующий программу. Но цельная программа, соответствующая каждому отдельному списку опций, заняла бы меньше памяти. Это как в автомобиле: если подсветка карты, прикуриватель и часы входят в прейскурант как единая статья, их стоимость окажется ниже, чем если порознь выбирать каждый из предметов. Поэтому проектировщику следует определить степень детализации опций пользователя.

Если система проектируется для работы с памятью разного объема, возникает другой важный вопрос. Диапазон приспособляемости нельзя сделать произвольно широким — даже при разбиении программы на очень мелкие модули. В маленькой системе большинство модулей перегружается. Значительная часть резидентной памяти маленькой системы должна быть отведена для временной или страничной памяти, в которую загружаются другие части. Ее размер ограничивает размер каждого модуля. А разбиение функций на мелкие модули влечет потери и производительность, и памяти. Поэтому в большой системе, где временная память в двадцать раз больше, она лишь позволяет уменьшить количество обращений. Из-за маленьких размеров модулей система все-таки теряет в скорости и расходовании памяти. По этой причине эффективность системы, которую можно построить их модулей маленькой системы, ограничена.

Второй областью приложения мастерства является нахождение компромисса между памятью и быстродействием. Для отдельной функции увеличение памяти влечет за собой рост быстродействия, что справедливо в удивительно широком диапазоне величин. Этот факт делает возможным установление ресурсов памяти.

Чтобы облегчить своей команде поиск правильного соотношения между памятью и производительностью, менеджер может сделать две вещи. Во-первых, организовать обучение технике программирования, а не просто полагаться на природный ум и предшествующий опыт. Это особенно важно, если машина или язык новые. Особенности их эффективного использования нужно быстро изучить и сделать общим достоянием, возможно, присуждая особые призы за освоение новой техники.

Во-вторых, нужно понять, что у программирования есть технология и компоненты нужно собирать из готовых частей. В каждом проекте должен иметься набор хороших процедур или макросов для обработки очередей, поиска, хеширования и сортировки, причем не менее чем в двух вариантах: одном быстром, другом экономящем память. Разработка такой технологии является важной задачей реализации, которую можно решать параллельно с разработкой системной архитектуры.

Представление — суть программирования

За мастерством стоит изобретательность, благодаря которой появляются экономичные и быстрые программы. Почти всегда это является результатом стратегического прорыва, а не тактического умения. Иногда таким стратегическим прорывом является алгоритм, как, например, быстрое преобразование Фурье, предложенное Кули и Тьюки, или замена n[2]сравнений на n log n при сортировке.

Гораздо чаще стратегический прорыв происходит в результате представления данных или таблиц. Здесь заключена сердцевина программы. Покажите мне блок-схемы, не показывая таблиц, и я останусь в заблуждении. Покажите мне ваши таблицы, и блок-схемы, скорей всего, не понадобятся: они будут очевидны.

Примеры мощи, которой обладает представление, легко умножить. Я вспоминаю одного молодого человека, занимавшегося созданием усовершенствованного консольного интерпретатора для IBM 650. Ему удалось вместить его в поразительно малое пространство благодаря разработке интерпретатора для интерпретатора и пониманию того, что взаимодействие человека с машиной происходит медленно и редко, а память дорога. Элегантный маленький компилятор с Fortran фирмы Digitek использует особое очень плотное представление кода самого компилятора, благодаря чему не требуется внешней памяти. Время, которое тратится на распаковку кода, десятикратно окупается за счет отсутствия ввода-вывода. (Упражнения в конце главы 6 книги Брукса и Иверсона «Автоматическая обработка данных»[1]включает подборку таких примеров, как и многие упражнения у Кнута.[2])

Программист, ломающий голову по поводу нехватки памяти, часто поступит лучше всего, оставив в покое свой код, вернувшись назад и хорошенько посмотрев свои данные. Представление — суть программирования.

Оглавление