«Чертовски глупое решение»: история появления языка C

Как ни сложно в это поверить, C не родился в виде истрёпанного руководства в бумажной обложке.

В том или ином виде, язык C повлиял на формирование практически каждого языка программирования, разработанного с 1980-х. Некоторые языки наподобие C++, C# и Objective C должны были стать прямыми наследниками C, а другие просто переняли и адаптировали его синтаксис. Программист, перешедший с Java, PHP, Ruby, Python или Perl, почти не испытает сложностей с пониманием простых программ на C, и в этом смысле C можно воспринимать как lingua franca программистов.

Однако C не возник из ниоткуда как единый монолит программирования. История C начинается в Англии, с коллеги Алана Тьюринга и программы, игравшей в шашки.

Боже, храни Короля

Кристофера Стрейчи называли «человеком, пищущим идеальные программы», как говорится в его длинном досье из журнала Annals of the History of Computing ^[1]. Такую репутацию он заработал в Вычислительном центра Манчестерского университета в 1951 году. Стрейчи оказался там благодаря работе над компьютером университета Ferranti Mark I и знакомству с Аланом Тьюрингом из Королевского колледжа в Кембридже.

Стрейчи родился в 1916 году в британском семействе, обладавшем хорошими связями — его дядя, Литтон Стрейчи, был одним из основателей Группы Блумсбери, а его отец, Оливер Стрейчи, сыграл важную роль в операциях союзников по взлому кодов в обеих мировых войнах.

То, что Стрейчи стал признанным экспертом в программировании и компьютерных науках, стало бы неожиданностью для его преподавателей из частной школы и Кембриджского университета. Стрейчи всегда демонстрировал таланты к наукам, но редко применял их.

Если он и имел надежды на карьеру в сфере научных исследований, то им был нанесён серьёзный удар непримечательными результатами его выпускных экзаменов. Поэтому вместо этого во время Второй мировой войны Стрейчи работал в британской фирме по производству электроники, а позже стал школьным учителем, в конечном итоге оказавшись в одной из самых престижных частных школ Лондона Хэрроу.

В 1951 году у Стрейчи впервые появился шанс поработать с компьютерами — его познакомили с Майком Вуджером из Национальной физической лаборатории Великобритании. Потратив один день своих рождественских выходных на знакомство с Pilot ACE лаборатории, в свободное время в Хэрроу он разбирался с тем, как научить компьютер играть в шашки. По словам Мартина Кэмпбелла-Келли ^[1], ставшего в дальнейшем коллегой Стрейчи, «любой другой с бОльшим опытом и меньшей уверенностью был бы доволен просто таблицей из квадратов».

Первая попытка не принесла плодов: у компьютера Pilot ACE просто не было достаточно памяти для игры в шашки, но она показала один аспект интересов Стрейчи, который окажется важнейшим для разработки языков, впоследствии приведших к созданию C. Во времена, когда компьютеры в основном ценились за их способность быстрого решения уравнений, Стрейчи больше интересовала их способность выполнять логические задачи (как он позже признался в 1952 году на собрании Association for Computing Machinery ^[2]).

Следующей весной он узнал, что в Манчестерском университете установили компьютер Ferranti Mark I. В этом университете помощником директора компьютерной лаборатории был Алан Тьюринг. Тьюринг написал учебник для программистов, и Стрейчи достаточно хорошо знал его по совместной работе в Кембридже, чтобы попросить один экземпляр.

В июле 1951 года Стрейчи довелось посетить Манчестер и обсудить лично с Тьюрингом его программу для шашек. Впечатлённый Тьюринг предложил в качестве первого шага написать программу, позволяющую Ferranti Mark I симулировать себя. Симулятор позволит программистам пошагово наблюдать за тем, как компьютер будет исполнять программу. Такая программа «трассировки» выявит части, в которых программа создаёт «узкие места» или работает неэффективно. В то время и память, и процессорные такты компьютера стоили целое состояние, поэтому это было важным аспектом программирования.

Написанная Стрейчи программа трассировки содержала более тысячи команд — на тот момент это была самая длинная программа, написанная для Ferranti Mark I. Проработав всю ночь, Стрейчи смог запустить её, а при завершении программа, по словам Кэмпбелла-Келли ^[1], воспроизводила гимн «Боже, храни Короля» через динамик компьютера.

Это достижение, реализованное любителем, привлекло внимание лорда Хэлсбери, директора-распорядителя Национальной корпорации по исследованиям и разработкам, который вскоре нанял Стрейчи, чтобы тот управлял правительственной работой по продвижению практических применений быстро развивающихся в британских университетах компьютерных наук.

Именно в этой должности он узнал о кембриджском проекте, которым занималось трио программистов по имени Дэвид.

Давид и ГолиафТитан

Вычислительный центр Кембриджского университета имел сильную ориентированность на обслуживание учёных. Первые компьютеры Лаборатории математики, EDSAC и EDSAC 2, стали доступны исследователям всего университета. Они писали программы, пробиваемые на бумажных лентах и вводимые в машину.

В вычислительном центре такие перфоленты прицеплялись к бельевым верёвкам и одна за другой выполнялись в рабочие часы. Такую очередь ожидающих программ стали называть «очередью заданий» (job queue), и этот термин до сих пор используется для описания гораздо более сложных способов упорядочивания вычислительных задач.

На отметке 6:55 можно увидеть «очередь заданий» EDSAC.

Всего спустя два года после ввода EDSAC 2 в эксплуатацию в университете осознали, что вскоре понадобится гораздо более мощная машина, и для решения этой задачи придётся покупать коммерческий мейнфрейм. Университет рассмотрел варианты IBM 7090 и Ferranti Atlas, но не мог позволить себе ни одну из этих машин. В 1961 году менеджер отдела Ferranti Питер Холл предложил совместно с Кембриджским университетом разработать урезанную версию компьютера Atlas. Кембридж получит его прототип под названием Titan, а Ferranti сможет продавать новый компьютер заказчикам, для которых Atlas слишком дорог.

Чтобы предоставлять вычислительные услуги остальной части университета, этому компьютеру понадобится и операционная система, и хотя бы один язык программирования высокого уровня.

Почти сразу же отказались от идеи расширения языка, разработанного для EDSAC 2. «В начале 1960-х обычно считалось так: „мы создаём новый компьютер, поэтому нам нужен новый язык программирования“», — вспоминал Дэвид Хартли в подкасте 2017 года ^[3]. Вместе с Дэвидом Уилером и Дэвидом Бэрроном Хартли участвовал в первых этапах разработки нового языка программирования этого компьютера.

«Создание новое операционной системы было неизбежным», — рассказывал Хартли, но не новый язык программирования. «Мы думали, что у нас появилась возможность поэкспериментировать с новым языком. Оглядываясь назад, кажется, что это было чертовски глупым решением».

Морис Уилкс, руководивший проектом Titan, считал, что необходимость в новом языке программирования отсутствует. Основной предполагаемой задачей Titan было предоставление вычислительных услуг Кембриджскому университету, и для этого было бы оптимальнее как можно быстрее изготовить и запустить машину, оснастив её языком, который уже знаком пользователям.

Прежде чем одобрить предложение о разработке нового языка, Уилкс затребовал анализ существующих языков программирования. «Мы выбирали их очень тщательно», — вспоминает Хартли, — «чтобы он решил, что ни один язык не подходит». Примечательно, что рабочая группа, оценивавшая перспективы Fortran IV, даже не обратилась к пользователям Fortran из Кембриджа, которые могли рассказать о дополнительных возможностях, имеющихся в других разновидностях Fortran. Из-за этого, как вспоминает Хартли ^[3], группа была убеждена, что «мы можем спроектировать и разработать что-то значительно лучшее», однако спустя несколько лет эта затея окончилась провалом.

Трио подготовило к июню 1962 года статью, утверждавшую о необходимости нового языка, и, как говорит Хартли, «нам сошло это с рук».

Этот новый язык программирования назвали CPL (Cambridge Programming Language), и к 1963 году работа над ним уже активно велась. К программистам Кембриджа присоединились Джон Бакстон и Эрик Никсон из Лондонского университета, а аббревиатура CPL теперь стала означать Combined Programming Language. Проект рос, и Уилкс решил привлечь к его руководству Кристофера Стрейчи. Вскоре, по словам Кэмпбелла-Келли ^[1], связанные с проектом люди стали расшифровывать CPL как «Christopher’s Programming Language».

Группа работающих над языком исследователей встречалась в Кембридже или в Лондоне, а также в Лондонском университете, но иногда они собирались в мастерской кенсингтонского таунхауса, в котором Стрейчи жил со своей сестрой. Комната в задней части дома была уставлена викторианскими стульями, на полу лежали подушки, а стены были украшены портретами членов Группы Блумсбери, нарисованными одним из родственников Стрейчи. Именно там Стрейчи «устраивал приём при дворе», иногда одетый в домашний халат, и, как Дэвид Бэррон вспоминал несколько лет спустя, «мы спорили о том, как изменить мир к лучшему, а вечером расходились по домам».

К тому времени Дэвид Уилер перешёл на другие проекты, покинув пятёрку своих коллег: Хартли, Бэррона, Бакстона, Никсона и Стрейчи.

Хартли нравилось работать над CPL: «это на самом деле была довольно интересная работа», — вспоминает он. Собрания были довольно неформальными. «Мы очень горячо обсуждали разные темы и со временем начинали даже кидаться друг в друга бумажными самолётиками».

Группа начала со спецификаций ALGOL 60, поставив задачу написания «идеального» языка, который был бы практичен в использовании для разных пользователей, но в то же время эстетичен и эффективен.

Почти сразу же начались сложности с расстановкой приоритетов. Как говорил Дэвид Бэррон про Стрейчи, «для него было характерно отстаивать свою точку зрения по незначительным разногласиям с той же силой, что и по важным аспектам». Одним из таких незначительных разногласий было возражение Стрейчи против грамматики конструкций «IF … THEN … ELSE». «Я не могу позволить, чтобы моё имя было связано с рекомендацией использовать безграмотно неправильный английский», — такой, по воспоминаниям Хартли для Annals of the History of Computing ^[4], была его точка зрения. Стрейчи предпочитал «OR», что противоречило тому, как «OR» использовалось практически во всех остальных существующих языках. Тем не менее, его предпочтения победили, и в справочном руководстве по CPL ^[5] «OR» используется там, где пользователи ожидали бы увидеть «ELSE».

Руководство по CPL, которое, естественно, можно найти онлайн ^[5].

Ценное время также было потрачено на разработку способа, позволяющего избежать использования звёздочки для обозначения операции умножения. В этом случае эстетические соображения привели к усложнениям, замедлившим реализацию практического языка программирования, поскольку пришлось разрабатывать сложные правила, позволяющие различать «3a», означающее «3 * a», и «3a» как имени переменной.

Тем временем пользователей Кембриджа всё больше раздражало отсутствие практического языка программирования для нового компьютерах университета Atlas. Спецификации языка в основном были закончены, но компилятора ещё не существовало. Рабочая группа сделала CPL столь сложным, что первые попытки написания компилятора в машинном коде оказались невероятно неэффективными.

Начиная с раскрутки

В 1965 году Стрейчи уехал на несколько месяцев в Массачусетский технологический институт (MIT), а по возвращении занял должность директора Оксфордской группы по исследованию программирования. Тем временем в Кембридже к проекту CPL присоединился Мартин Ричардс. Он приступил к разработке урезанной версии CPL, с которой могли бы работать пользователи. Этому языку BCPL («B» от слова «Basic», «простой») нужен был эффективный компилятор.

Находясь в MIT, Стрейчи помог Мартину Ричардсу получить двухлетний академический отпуск в этом институте, и в 1966 году Ричардс взял BCPL с собой в Массачусетс, где смог поработать над компилятором.

BCPL — это «bootstrap»-язык, потому что его компилятор способен к самокомпиляции. По сути, небольшая часть компилятора BCPL написана на ассемблере или машинном коде, а остальная часть компилятора пишется на соответствующем подмножестве BCPL. Часть компилятора, написанная на BCPL, передаётся в ассемблерную часть, а получившуюся программу компилятора можно использовать для компиляции любой программы, написанной на BCPL.

Компиляторы с bootstrapping (раскруткой) значительно упрощают процесс портирования языка с одного компьютера или операционной системы на другую. Для того, чтобы компилятор мог запускаться на другом компьютере, достаточно переписать одну относительно небольшую часть компилятора, написанную в коде, специфичным для конкретного компьютера.

Пока Ричардс работал в MIT над компилятором BCPL, институт начал участвовать в проекте Multics совместно с Bell Labs и GE. Для поддержки проекта была создана сеть, соединяющая MIT и Bell Labs.

Хотя сетевое соединение между двумя организациями номинально предназначалась для упрощения работы над Multics, Кен Томпсон сообщил нам, что социально приемлемо было «бродить» по мейнфреймам MIT в поисках других проектов, и именно так он обнаружил код и документацию BCPL. Он скачал их на мейнфрейм Bell Labs и начал над ними работать. «Я искал тот язык, на котором можно делать нужные мне вещи», — вспоминает Томпсон. «Программирование в ту эпоху проприетарных операционных систем на огромных машинах было очень сложным занятием».

Примерно во время экспериментов Томпсона с BCPL корпорация Bell Labs вышла из консорциума Multics, а у кафедры компьютерных наук, на которой работал Томпсон, временно не осталось никаких компьютеров.

Когда она наконец получила компьютер, это был подержанный PDP-7, не особо мощный даже по стандартам той эры. Тем не менее, Томпсону удалось создать и запустить на этой машине первую версию Unix.

PDP-7 имел 8192 «слова» в памяти (слово в данном случае состояло из 18 бит — отрасль ещё не стандартизировала 8-битный «байт»). Unix занимал первые 4 тысяч слов, оставляя 4 тысячи для запуска программ.

Томпсон ужал свою копию BCPL (которая сама являлась CPL с урезанной функциональностью) чтобы она поместилась в свободные 4 тысячи слов памяти PDP-7. В процессе сжатия он заимствовал части языка, с которым столкнулся в студенчестве в Калифорнийском университете в Беркли. Этот язык SMALGOL был подмножеством ALGOL 60, предназначенным для работы на менее мощных компьютерах.

Язык, который Томпсон в результате использовал на PDP-7, был, по его собственному описанию «семантикой BCPL с большой частью синтаксиса SMALGOL», то есть он выглядел как SMALGOL и работал как BCPL. Поскольку этот новый язык состоял только из тех аспектов BCPL, которые Томпсон посчитал наиболее полезными и способными уместиться в ограничения PDP-7, он решил сократить название BCPL до просто «B».

Ранее Томпсон писал Unix для PDP-7 на ассемблере, но даже в 1969 году это был неидеальный способ создания операционной системы. На PDP-7 это сработало, потому что компьютер был довольно простым, а Томпсон писал операционную систему в основном для развлечения.

Любую операционную систему, которая должна была поддерживаться и обновляться несколькими программистами, а также работать на более сложном оборудовании того времени, нужно было писать на языке программирования высокого уровня.

Поэтому когда Bell Labs приобрела для кафедры в 1971 году PDP-11, Томпсон решил, что настало время переписать Unix на языке программирования высокого уровня. Он рассказывал об этом Брайану Кернигану на сцене VCF 2019 ^[6].

В то же время Деннис Ритчи позаимствовал B и адаптировал его для работы на более мощных компьютерах. Одним из первых аспектов, которые он снова добавил в язык B, была возможность «типизации» переменных. Поскольку память PDP-7 состояла из 18-битных слов, B можно было упростить, обрабатывая каждую переменную или как одно слово памяти, или как последовательность слов, ссылка на которую указывалась её расположением в памяти системы. В языке не было десятичных чисел с фиксированной или плавающей запятой, целых чисел или строк. Как сказал Томпсон, «всё это были только слова».

Такой подход был эффективным на простой машине с очень малым объёмом памяти и небольшой базой пользователей, но в более сложных системах со сложными программами и множеством пользователей это могло привести к специфическим способам определения того, является ли переменная строкой или числом, а также к неэффективному использованию памяти.

Согласно второму изданию History of Programming Languages ^[7] Томаса Бергина и Ричарда Гибсона, Ритчи назвал этот модифицированный язык NB («New B»). Он был установлен на мейнфреймах вычислительного центра в Мюррей-Хилл, который стал доступен пользователям через Bell Labs.

Естественно, когда Томпсон решил переписать Unix на ЯВУ, он начал с NB. Первые три попытки завершились провалом, и «из-за своей эгоистичности я винил в этом язык», вспоминал с усмешкой Томпсон на VCF.

После каждого провала Ритчи добавлял в NB возможности, которые казались нужными ему и Кену. Однажды он добавил структуры — переменные, хранящие множество отдельных значений связанным или «структурированным» образом, после чего Томпсон смог написать Unix на этом новом языке. Ритчи и Томпсон посчитали добавление структур, которых не было в B, SMALGOL, BCPL и CPL, достаточно значительным изменением, чтобы переименовать язык, и B превратился в C.

Жизнь под знаком C

Кристофер Стрейчи в 1955 году с Ferranti Mark 1 (также известным как Manchester Electronic Computer).

C сбежал из Bell Labs почти так же, как это произошло с Unix. Он способствовал тому, что PDP-11 быстро стал одним из наиболее успешных мини-компьютеров на рынке, однако наиболее привлекательной его делала цена Unix. Любой вычислительный центр с PDP-11 мог установить на него Unix по стоимости носителя и почтовой пересылки, а вместе с Unix поставлялся и C.

Присутствие C в таком большом количестве университетских городков стало, по мнению Томпсона, главной причиной его успеха. В письме он написал, что «из них выпустилось множество ребят, знавших C».

Дальнейшим стимулом успеха C стала публикация в 1978 году The C Programming Language Денниса Ритчи и Брайана Кернигана. Небольшая книга из 228 страниц стала даже по меркам того времени примечательно простой и доступной работой.

Широкое знание синтаксиса C повлияло на развитие многих последовавших за ним языков, мало похожих или вообще непохожих внутри на C. Скриптовые языки наподобие PHP и JavaScript содержат фрагменты обозначений программирования, которые Томпсон изначально разработал, чтобы уместить B в малый объём памяти PDP-7. Например, это операторы инкремента "++" и декремента "--". Когда у тебя есть всего 4 тысячи слов для работы, сокращение «x=x+1» до «x++» экономит приличное количество места.

Томпсон никогда не полагал, что C получит такое широкое распространение. «Вокруг было множество совершенно разных, очень интересных и полезных языков», — рассказывал Томпсон. «Моё эстетическое чутьё подсказывало мне, что один язык не сможет покрыть все потребности во вселенной».

Как и Unix, язык C стал успехом, родившимся из провала. В обоих случаях программисты взяли лучшие части проектов, которые были обречены, потому что от них требовали слишком многого. Multics, породившая Unix, на пике своей популярности использовалась примерно лишь в 80 компьютерах, а CPL, который в конечном итоге привёл к созданию C, так и не был завершён и кембриджские исследователи забросили его в 1967 году.

Когда Кристофер Стрейчи организовал в Оксфорде группу по исследованию программирования, он сказал: «разделение работы на практическую и теоретическую искусственно и вредоносно».
И хотя CPL должен был сочетать в себе практические и теоретические стороны, в реализации он оказался слишком теоретическим. Рабочая группа, проектировавшая CPL, не пыталась программировать на CPL.

Однако пусть даже Стрейчи не смог достичь в CPL синтеза между теорией и практикой, его настрой определённо был правильным. «C был написан, чтобы писать Unix», — вспоминает Томпсон. А «Unix был написан, чтобы все мы могли писать программы».

На правах рекламы

Недорогие серверы ^[8] для любых задач — это про наши эпичные серверы. Создайте собственный тариф в пару кликов, максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.

Автор: Mikhail

Источник ^[9]