Питер Сейбел - Кодеры за работой. Размышления о ремесле программиста

Сейбел:Давайте сменим тему. Можете ли вы припомнить худшую из ошибок, которую вам довелось отлавливать?

Айк:Худшие ошибки связаны с многопоточностью. В Silicon Graphics я делал работу, связанную с ядром UNIX. Как и все тогдашние UNIX-ядра, оно представляло собой монолитный монитор, который завершался после вхождения в ядро через системный вызов. Исключая прерывания, оно гарантированно работало вплоть до завершения, и блокировка вашей структуры данных никогда не наступала. Прекрасно и просто.

Но вот в SGI пришли блестящие молодые умы из HP. Настала эпоха симметричной мультипроцессорной обработки данных. Старая группа, которая занималась ядром, распалась. Теперь ядро делали новые ребята. Темп работы сильно ускорился, но какие у них были инструменты? Си, семафоры, блокировки, возможно, также мониторы, условные переменные. Все коды написаны от руки. Тысячи ошибок. Полный кошмар.

Мне предложили тогда съездить в Австралию и Новую Зеландию - я описал все это в своем блоге. Мы тогда как раз исправляли ошибку в полевых условиях. Это было страшно тяжело - найти ее и исправить, потому что ошибка была такого свойства: код для однопроцессорного ядра помещался в ядро, созданное для симметричной мультипроцессорной обработки данных, и мы совсем не беспокоились насчет определенных условий гонки. Поэтому для исправления пришлось создавать контрольный пример, что само по себе было непросто. И все это при нехватке времени - клиент хотел исправления в полевых условиях.

Диагностировать ее было трудно, так как она была связана с синхронизацией по времени. Машины использовались не по назначению, как концентраторы терминалов. Люди подвешивали псевдотерминалы к реальным терминалам. Это делали студенты в лаборатории или сотрудники брисбенской компании, производившей ПО для горной промышленности: множество отсеков и в конце стеклянная стена, а за ней компьютеры, в том числе двухпроцессорная машина от SGI. Было нелегко, и я рад, что мы все же нашли ошибку.

Обычно такие ошибки не сидят годами, но отыскать их крайне трудно. Нужно как бы приостановить все, думать о них постоянно, видеть их во сне... А заканчивается все тем, что вы делаете элементарные вещи. Так бывает со многими ошибками. Все заканчивается бисекцией, по методу волка и забора [49] “Wolf fence” - алгоритм поиска, аналогичный методу поимки льва в пустыне (здесь - волка на Аляске). Реализуется размещением в коде инструкций print, позволяющих определить местоположение ошибки. – Прим.ред. . Вы постоянно следите за выполнением, за состоянием памяти, пытаетесь прикинуть размер ошибки, течение исполнения программы, понять, к каким данным можно обратиться. Если это куча голых указателей, дело плохо: следует обратиться к более современным инструментам, которые появились вместе с гигагерцными процессорами, вроде Valgrind и Purify.

Инструментирование и наличие контролируемой модели всей иерархии памяти - это большое дело. Роберт О'Каллагэн, могучий новозеландский ум, создал собственный отладчик на базе Valgrind: он записывает каждую инструкцию, и можно в любой момент восстановить состояние программы целиком. Это не только отладчик, путешествующий во времени. Это целая база данных: вы видите структуру данных, замечаете поле с безумными значениями, выясняете, кто делал там последнюю запись. Вы идете от следствий к причинам - в отладке это занимает очень много времени. Это в тысячу раз медленнее, чем все происходит в реальном времени, но у вас есть надежда.

Можно также использовать записывающие виртуальные машины - они записывают состояние только при системных вызовах и на границах ввода/вывода. Они могут воссоздать состояние поврежденной программы на каждой границе - правда, со всем, что между границами, намного сложнее. Зато все можно закончить быстро, практически в реальном времени, потом перенести программу в Chronomancer, запустить ее в медленном темпе, воссоздать все состояния и найти ошибку.

К сожалению, технология отладки мало исследована. Вот еще пример пропасти между учеными и практиками. Ученые создают доказательства правильности, часто вручную, - правда, эта работа все больше автоматизируется благодаря POPLmark и подобным инструментам. Но в реальной жизни везде есть только отладчики, встречаются даже развалюхи родом из 1970-х, вроде GDB.

Сейбел:В реальной жизни есть еще разрыв между приверженцами символических отладчиков и операторов вывода?

Айк:Да. Поэтому я использую GDB и доволен тем, что в нем, по крайней мере на Маке, есть возможность поставить точку прерывания, и это обычно работает. Я могу наблюдать за адресом, могу засечь момент, когда правильные биты сменяются неправильными. Это довольно полезно. Я также использую команду printf для бисекции. Когда я уже близок к цели, то обычно пытаюсь сделать что-то внутри GDB или пользуюсь командными сценариями (скриптами), хотя они очень слабы. Язык сценариев сам по себе очень слаб. По-моему, Ван Якобсон добавил циклы, но не знаю, использовались ли они в настоящем GDB, после семинаров, организованных Фондом свободного программного обеспечения.

Однако отладчики могут сделать бесконечно больше, чем делают сейчас, и в этом смысле Chronomancer и Replay - шаг вперед. Они изменили для меня весь процесс. Но вот насчет многопоточности не знаю. Есть Helgrind и другие динамические детекторы гонок, которыми мы пользуемся. Они дают ложные срабатывания, которые надо отсеивать. С ними пока еще не все до конца понятно.

Многопоточные процессы страшат меня - до того как я женился и завел детей, они съели немалую часть моей жизни. Не все задумываются насчет параллелизма и всех возможных комбинаций команд, происходящих даже в небольших сценариях. Если ваш код соединяется с чужим, он выходит из-под контроля. Вы не можете мысленно смоделировать происходящее. Большинство людей не могут. Я мог бы стать одним из этих всезнаек с сайта Slashdot: когда я писал в своем блоге, что против многопоточности, кое-кто говорил: “Да он ничего не знает, это несерьезно”. Давай, болтай. Я слетал в Австралию и Новую Зеландию, мне достались кое-какие бонусы. Но все это было так мучительно и продолжалось слишком долго. Как сказал Уайльд о социализме, “Он отнимает слишком много вечеров”.

Сейбел:Как вы проектируете код?

Айк:Я много прототипирую. Создаю нечто вроде высокоуровневого псевдокода и затем постепенно заполняю его снизу вверх. Этот псевдокод я обычно не пишу, а держу в голове, и иду снизу вверх, пока оба конца не сойдутся. Часто я работаю с готовыми фрагментами кода, добавляя новую подсистему или что-то постороннее, и почти все делаю снизу вверх. Если в середине я сталкиваюсь с трудностями, то опять пишу псевдокод и начинаю работать все в том же направлении — снизу вверх, пока не закончу его. Я стараюсь не затягивать с этим, так как проверить псевдокод невозможно - надо смотреть, как он работает, выполнять его шаг за шагом, убеждаясь, что он делает именно то, чего от него ждешь.