Журнал «Компьютерра» - Цифровой журнал «Компьютерра» № 17 (170)

Главный вопрос: возможно ли такое в принципе? За пять лет работы команда Кея доказала, что ответ на этот вопрос может быть положительным. Систему методов, которые позволят это сделать, авторы называют STEPS. Это рекурсивный акроним, расшифровывающийся как STEPS Toward Expressive Programming Systems — «Шаги к выразительным системам программирования».

Руководствуясь принципами STEPS, в институте Кея создали прототип системы. Он называется Frank, а если полностью — «Франкенштейн». Такое имя выбрано не зря: система составлена из кусочков, каждый из которых ещё может быть заменён или переписан заново.

Вот как выглядит «Франкенштейн» с точки зрения пользователя.

Что может делать пользователь Frank? Всё то же, что мы обычно делаем за компьютером: создаём и редактируем текстовые документы, графику, видео, презентации и электронные таблицы, а также обмениваемся ими через сеть. Вся разница в том, что исследователи попытались полностью избавились от дублирования функций разными программами и максимально сократить исходный код.

Frank — это не операционная система, в которой работают приложения, а скорее, подобие Smalltalk или Squeak — большое приложение, которое можно расширять и дополнять, пока оно не станет делать всё, что нам нужно. Вместо приложений, в которых реализованы собственный интерфейс и функции, здесь присутствуют компоненты, имеющие сложные взаимосвязи.

Во Frank есть единое понятие «документ», в который могут быть включены и на месте изменены любые объекты, будь то изображения, таблицы или созданные пользователем скрипты. Презентация, например, — это документ, включающий в себя сценарий перехода вперёд и назад по страницам (или, если угодно, кадрам), а не файл, для открытия которого требуется специальная программа. Такая программа просто не нужна, потому что интерфейс для работы с изображениями и текстом идентичен тому, что используется для подготовки других документов.

То же и с электронной почтой: письмом во Frank считается любой документ, который был передан по Сети. Список писем — это результат поиска документов, полученных от других пользователей.

Ещё одно ценное качество системы Кея — универсальная отмена. Здесь может быть отменено действительно любое действие, а не как в сегодняшних программах — лишь некоторые, да и то не всегда. Для этого используется механизм «миров»: каждый раз, когда мы что-то меняем, система может запомнить, чем нынешний «мир» отличается от предыдущего, и в случае надобности вернуть всё, как было.

Интереснее всего то, как Кей предлагает переделать веб. Во Frank нет браузера, зато есть поддержка протокола TCP/IP (его код занимает 160 строк, и это, по словам Кея, не предел краткости). Вместо веб-страниц предлагается использовать те же самые документы, добавив в них объект нового типа — гиперссылку.

Поскольку код, содержащийся в документах, по сути, работает в виртуальной машине, это делает их загрузку извне не менее безопасной, чем исполнение JavaScript браузером. Получается, что объекты-страницы просто подгружаются через Сеть по мере необходимости. Кстати, делать такие «сайты» намного проще, чем обычные: можно пользоваться уже имеющимися в системе средствами — теми же самыми, при помощи которых редактируются текстовые документы, презентации и всё остальное.

Внешняя сторона Frank интересна уже хотя бы в качестве примера унифицированной среды, в которой нет ни разделения на приложения, ни традиционной файловой системы. Но настоящая чёрная программисткая магия скрыта внутри.

Сколько занимают разные части STEPS?

Как Frank уместился в двадцать тысяч строк кода? Ответ кроется за двумя терминами: метапрограммирование и предметно-ориентированные языки (DSL). Главная идея заключается в том, чтобы создавать языки под конкретные задачи и, хитроумно комбинируя их, писать элегантные и короткие программы. Эта идея не нова: на ней основан язык Forth, и она используется в написании программ на языке Lisp, которым Кей в своё время вдохновлялся при создании Smalltalk. Более современный пример — фреймворк Ruby on Rails, применяемый в качестве DSL для разработки бэкэндов веб-приложений. Но STEPS — это нечто куда большее, чем один язык, — это набор методов и языков, при помощи которых можно создавать сложные системы, используя минимум кода.

Один из самых интересных компонентов STEPS — это объектно-ориентированный язык OMeta (pdf). Он предназначен для описания синтаксиса других языков. К примеру, на OMeta можно в несколько строк описать синтаксис калькулятора, а потом при помощи наследования расширить его и сделать научный калькулятор. Синтаксис OMeta при этом описан на самом OMeta.

Второй важный язык — это Nile (названный в честь реки Нил). Авторы STEPS называют его «языком исполняемой математики». Nile позволяет компактно описывать математические выражения и сделан таким образом, чтобы максимально облегчить параллельные вычисления. На нём написана графическая подсистема Frank, называемая Gezira. Gezira умещается в несколько сотен строк на Nile и умеет выводить растровую и векторную графику, поддерживает сглаживание и различные фильтры.

Самый низкий уровень во всей этой сложной системе — язык Nothing (переводится с английского как «Ничто»), «высокоуровневый язык с низкоуровневой семантикой». Nothing — это промежуточное звено между всеми языками в STEPS и машинными кодами. На Nothing не предполагается писать вручную, и нужен он лишь для возможности смотреть, что получается на выходе. Nothing, по словам исследователей, вдохновлён BCPL, использовавшимся в шестидесятые годы и вдохновившим авторов Си. На данный момент код на Nothing можно транслировать в Си для дальнейшего перевода в машинные коды или в JavaScript — чтобы система исполнялась в браузере. Предполагается, что в будущем из Nothing можно будет получать машинные коды напрямую.

В качестве промежуточного слоя, на котором написан пользовательский интерфейс, одно время использовался NotSqueak — упрощённый диалект Squeak. Но в последнем отчёте упоминаний о NotSqueak уже нет, зато появился новый объектно-ориентированный язык — Maru. Как и OMeta, он написан сам на себе и может использоваться как для описания высокоуровневого представления, так и для связи с низкоуровневыми функциями. На Maru может быть реализован парсер грамматики, и в 2011 году команда Кея была занята переносом Nile на Maru.

К сожалению, отчёты Кея и его команды (pdf) — это не пособие для программистов-суперменов и не справочник. Оно и понятно — STEPS пока что не готов, и каждый год во Viewpoints ставят разнообразные эксперименты, цель которых — не столько в создании законченной системы, сколько в том, чтобы отточить методы. «Франкенштейн» как цельная система здесь нужен лишь в качестве подопытного тела.

Если посмотреть отчёты Viewpoints за разные годы, то заметно, что здесь снова и снова изобретают языки программирования, делают их всё более самодостаточными (пока что кое-где ещё остаётся код на Си, но от него постепенно избавляются) и ставят смелые эксперименты.

Время от времени команда Кея пробует пробрасывать мостики в реальный мир, создавая, к примеру, виртуальную машину Squeak для Google Native Client или делая метаязык Tamacola на основе Tamarin VM, входящей во Flash. Эти методы могут позволить всей системе не просто работать в браузере, но исполняться быстрее, чем при трансляции в JavaScript.

Скорость, впрочем, не является целью Кея: по его оценке, в нынешнем виде Frank работает примерно на 30 процентов медленнее, чем если бы был написан традиционными методами. Оптимизацией исследователи занимаются лишь тогда, когда это не вредит компактности кода.

Понятно, что Frank не станет конкурентом современных ОС и вряд ли вообще будет доделан до необходимого для этого уровня. Тем не менее те методы, которые разрабатывает Алан Кей, могут повлиять на подход к программированию не меньше, чем в своё время повлиял Smalltalk.

К оглавлению

Опубликовано 24 апреля 2013

Мы все с интересом обсуждаем одежду со встроенными датчиками и пультами управления, кроссовки с шагомером, GPS и прочую носимую электронику. Однако стоит задаться вопросом: а от чего, собственно, должны питаться все эти полезные гаджеты? От сменных батареек? Тогда вся эта вшитая электроника становится ничем не лучше обычных «умных» коробочек, которые можно просто сунуть в карман. Это как если бы мы вместе с мобильным телефоном носили большой тяжёлый чемодан с аккумуляторами или заправляли автомобиль вязанкой дров.