Программирование ≠ информатика

в 11:37, , рубрики: Алгоритмы, информатика, математика, Программирование, разработка по, тезис Чёрча-Тюринга

Разработка программного обеспечения как будто в худшую сторону отличается от других дисциплин информатики.

Несколько лет назад я изучал алгоритмы и сложность. Восхитительно чистая область, где каждая концепция чётко определена, каждый результат построен на предыдущих доказательствах. Когда узнаёшь факт в этой области, ты можешь на него положиться, поскольку сама математика вывела его. Даже у несовершенных результатов, как приближение и вероятностные алгоритмы, есть строгий анализ их несовершенства. Другие дисциплины информатики, вроде сетевой топологии и криптографии, имеют такой же удовлетворительный статус.

А теперь я работаю с разработкой ПО, и это невыносимо скользкая тема. Ни одна концепция точно не определена. Результаты оцениваются с характеристиками «обычно» или «в целом». Сегодняшние исследования могут или не могут помочь завтрашней работе. Новые подходы часто опровергают предыдущие методы, а сами ярко горят недолгое время, а потом выходят из моды, когда всплывают их ограничения. Мы верили в структурное программирование. Затем начали верить в языки четвёртого поколения, потом в объектно-ориентированные методы, потом в экстремальное программирование, а теперь, может быть, в open source.

Но программирование — это именно то место, где происходит контакт шины с асфальтом. Мало кого волнует, действительно ли $P$ равняется $NP$, чисто ради красоты вопроса. Компьютерная область имеет дело с компьютерами. Это написание программ для решения реальных человеческих проблем и работа этих программ на реальных машинах. Согласно тезису Чёрча-Тюринга, всё компьютерное оборудование по существу эквивалентно. Так что пока компьютерная архитектура классная, реальным ограничением в информатике остаётся проблема создания программного обеспечения. Нам нужны программы, которые можно собрать за разумное время и за разумную стоимость, которые работают примерно так, как планировали дизайнеры, и работают без ошибок.

Имея такую цель, я всегда был озабочен одним вопросом (как и многие другие исследователи): почему программисты не могут получить более строгие результаты, как в других областях информатики? Если спросить иначе, «Какую часть архитектуры и конструкции программ можно сделать формальной и доказумой?» Ответ на этот вопрос находится на рисунке 1.

Программирование ≠ информатика - 3
Рисунок 1: Яркая линия в информатике

Темы выше этой линии принадлежат к разработке программного обеспечения. Области исследования ниже этой линии — основные предметы информатики. У последних есть ясные, формальные результаты. Для открытых проблем в этой области мы ожидаем получения новых результатов, которые будут формально сформулированы. Эти темы основаны друг на друге: криптография на сложности, а компиляторы на алгоритмах, например. Более того, мы верим, что доказанные результаты в этих областях останутся таковыми и через 100 лет.

Так что это за яркая линия, и почему ниже неё нет ни одной из тем программирования? Линия — это качество под названием «прямое человеческое участие». У разработки ПО есть такое качество, а у традиционной информатики его нет. Результаты из дисциплин ниже линии могут быть использованы людьми, но эти результаты напрямую не подвержены влиянию людей.

У разработки ПО есть неотъемлемый человеческий компонент. Например, эксплуатационная надёжность ПО представляет собой возможность понимания, нахождения и исправления человеком дефектов программной системы. На эксплуатационную надёжность могут влиять некоторые формальные понятия информатики — может быть, цикломатическая сложность графа контроля программного обеспечения. Но эксплуатационная надёжность критически зависит от людей и их способности постигать значение и замысел исходного кода. На вопрос, обладает ли конкретная программная система высокой эксплуатационной надёжностью, невозможно ответить просто механически изучив ПО.

То же самое с безопасностью. Исследователи использовали некоторые формальные методы, чтобы узнать влияние программной системы на здоровье и собственность людей. Но никакая дискуссия о безопасности программ не может считаться завершённой без обращения к человеческому компоненту изучаемой системы. Аналогично для разработки требований. Мы можем разработать любые техники опроса, чтобы добиться от заинтересованных сторон точных требований, и можем создать различные системы для их записи. Но никакой объём исследований в этой области не изменит того факта, что сбор требований часто предусматривает разговор или наблюдение за людьми. Иногда эти люди сообщают нам правильную информацию, а иногда — нет. Иногда люди лгут, возможно, по уважительным причинам. Иногда люди честно пытаются передать правильную информацию, но не могут этого сделать.

Это наблюдение приводит к Тезису Коннелла:

Разработка программного обеспечения никогда не будет строгой дисциплиной с подтверждёнными результатами, поскольку в неё вовлечена деятельность человека.

Это экстра-математическое утверждение о границах формальных систем. Я не имею никаких доказательств за или против. Но факт в том, что человеческие проблемы остаются центральными вопросами разработки программного обеспечения:

  • Что должна делать эта программа? (требования, юзабилити, безопасность)
  • Как должна выглядеть программа внутри, чтобы её легко было починить и модифицировать? (архитектура, дизайн, масштабируемость, переносимость, расширяемость)
  • Как долго займёт её написание? (оценка)
  • Как мы должны её разрабатывать? (кодирование, тестирование, измерение, конфигурация)
  • Как следует эффективно организовать работу команды? (менеджмент, процесс, документация)

Все эти проблемы вращаются вокруг людей.

Мой тезис объясняет, почему разработка ПО настолько трудная и такая скользкая. Проверенные методы одной команды программистов не работают для других команд. Исчерпывающий анализ прошлых проектов может быть бесполезен для хорошей оценки следующего. Каждый из революционных инструментов разработки помогает по чуть-чуть, а затем не соответствует своим великим обещаниям. Причина в том, что люди слишком мягкие, разочаровывающие и непредсказуемые.

Прежде чем перейти к последствиям моего утверждения, рассмотрим три вероятных возражения:

Тезис реализует сам себя. Если какая-то область разработки программного обеспечения вдруг решена строго, то вы можете просто изменить определение разработки ПО, чтобы исключить из него эту проблему.

В чём-то это возражение верное, но не во всём. Я утверждаю, что набор дисциплин, обычно называемый разработкой программного обеспечения, будет и дальше по существу бросать вызов строгому решению. Узкие аспекты некоторых проблем могут поддаваться формальному подходу, но их успех будет лишь на периферии ключевых проблем разработки.

Статистические результаты в программировании уже опровергают этот тезис.

Эти методы в целом решают проблему оценки и включают в себя Function Point Counting, COCOMO II, PROBE и другие. Несмотря на свой математический вид, эти методы не являются доказательствами или формальными результатами. Такая статистика — просто попытка квантифицировать субъективный человеческий опыт по прошлым софтверным проектам и экстраполировать его на будущие проекты. Иногда работает. Но внешне строгие формулы в этих схемах — это свинья с губной помадой, если использовать современное выражение. Например, одна из формул в COCOMO II выглядит так: $PersonMonths=2.94 × Size^B$, где $B=0.91 + 0.01 × Σ SF_i$, а $SF$ — это набор из пяти факторов масштабирования, таких как «гибкость разработки» и «сплочённость команды». Сама формула выглядит строго, но в ней доминирует показатель, составленный из человеческих факторов.

Формальные процессы разработки, такие как метод «чистой комнаты», постепенно находят строгие, доказуемые методы. Они поднимают яркую линию, чтобы перенести под неё ранее размытые темы.

Действительно, исследователи формальных процессов демонстрируют прогресс в решении разных проблем. Но их можно уличить в нарушении самого первого возражения в этом списке: они слишком узко определяют разработку ПО, чтобы она поддалась строгому решению. Формальные методы просто удобно для себя истолковывают любую проблему, которая основана на человеческом участии и интерпретации. Например, ключевым элементом формальных методов разработки является создание строгих, недвусмысленных спецификаций. Эти спецификации затем используются для проведения (и доказательства) последующих этапов разработки. Конечно, формальный метод может содержать недвусмысленную схему семантической нотации. Но никакой формальный метод не содержит точного рецепта, как перевести в недвусмысленное состояние смутные мысли людей о том, что должна делать программа.

Вопреки этим возражениям я заявляю, что разработка ПО по существу отличается от традиционной, формальной информатики. Первая зависит от людей, а вторая — нет. Это приводит нас к Заключению Коннелла:

Следует прекратить попытки доказать фундаментальные результаты в разработке ПО и признать, что существенные достижения в этой области будут лишь общими рекомендациями.

Например, Дэвид Парнас в 1972 году написал замечательную научную статью «О критериях разложения системы на модули». Она описывает простой эксперимент, который Парнас провёл с альтернативными стратегиями дизайна ПО, одна с сокрытием информации, а другая с глобальной видимостью данных. Затем на основе этого маленького эксперимента он вывел несколько заключений и привёл рекомендации. Ничего в статье не является доказанным, и Парнас не гарантирует, что следуя рекомендациям каждый получит аналогичный результат. Но статья содержит мудрые советы и сильно повлияла на популярность объектно-ориентированных языков программирования.

Другой пример — это огромная работа Института программной инженерии в Университете Карнеги — Меллон, известная как CMMI. CMMI начиналась как модель процесса разработки ПО, а теперь разрослась и включила в себя также другие типы проектов. Объём CMMI примерно 1000 страниц — не считая примеров, интерпретаций и обучающих материалов — и она представляет более 1000 человеко-лет работы. Многие крупные организации использовали её и добились значительного прогресса в своих процессах разработки ПО и продуктах. Но в CMMI нет ни единого твёрдо доказанного результата. Это просто набор (хорошо проработанных) предложений, как организовать софтверный проект на основе методов, которые были эффективны для других организаций в прошлом. На самом деле Институт программной инженерии констатирует, что CMMI — это даже не процесс, а скорее мета-процесс, детали которого заполняются каждой организацией.

Другие области исследований в том же духе — это паттерны дизайна, стили архитектуры, рефакторинг на основе сомнительных методов, гибкая методология разработки и визуализация данных. Эти дисциплины могут частично содержать проверенные результаты, но в целом нацелены на системы, которые изначально содержат человеческое участие. Чтобы внести ясность: ключевые темы информатики (ниже яркой линии) — жизненно важные инструменты для любого разработчика. Знания алгоритмов важны при проектировании высокопроизводительных приложений. Теория массового обслуживания помогает проектировать ядро операционной системы. Методология «чистой комнаты» тоже полезна в некоторых ситуациях. Анализ статистики может пригодиться при планировании похожих проектов с похожей группой участников. Но формализм — это просто необходимое, а не достаточное условие для хорошей разработки. Давайте для примера рассмотрим строительство и архитектуру (то есть дома и здания).

Представьте блестящего инженера-строителя, лучшего в мире эксперта по строительным материалам, зависимости деформаций от напряжений, распределению нагрузок, защите от сдвига ветров и подземных толчков, и т. д. Этот парень занесён в записные книжки архитекторов во всех странах, чтобы звонить ему для консультаций по каждому строительному проекту. Будет ли этот мифический инженер-строитель настолько же хорош в проектировании зданий, которые он анализирует? Совсем нет. Он может теряться в разговорах с клиентами, неспособен проектировать приятные для проживания места, его фантазии не хватает, чтобы придумать решения для новых проблем, и он до чёртиков скучен. Техника строительства полезна для реальных архитекторов, но её недостаточно для хорошего проекта. Удачная архитектура требует креативности, концепции, междисциплинарного мышления и гуманизма.

Таким же образом и классическая информатика полезна в разработке ПО, но её никогда не будет достаточно. Проектирование хорошего программного обеспечения тоже требует креативности, концепции, междисциплинарного мышления и гуманизма. Это наблюдение освобождает исследователей процесса разработки программного обеспечения. Они могут тратить время на изучение успешных методов — накапливая совокупность коллективных знаний для будущих практиков. Мы не должны втискивать разработку ПО в рамки расширения информатики на математической основе. Это не сработает и может отвлечь нас от полезных открытий, которые ещё ждут своего времени.

Выражение признательности
Благодарю Стива Гомера за дискуссию, которая разожгла мой интерес к этому вопросу.

Автор: m1rko

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля