Размещено на http://www.allbest.ru/

Микроконтекстно-ориентированный подход к компонентному построению языков

В.В. Прохоров, д.ф.-м.н., проф. УрФУ, vpro@vidicor.ru

Аннотация

богатство информационный программный язык

Рассматривается подход к разрешению проблемы противоречия между богатством средств языка информационных описаний и его простотой, компактностью. Подход основан на рассмотрении языка, программных средств/оборудования как сложной системы с применением соответствующей методологии. Подход направлен на решение проблемы организации языков представления знаний, человеко-компьютерного взаимодействия, программных и аппаратных средств.

Для описания объектов и задач в какой-либо области желательно применять языки, максимально адекватные этой области как по содержанию, так и по форме. При этом нежелателен слишком большой разрыв (как по внутренней сущности, так и по внешней форме) между принятым в частной прикладной области уже сложившимся языком, естественным для специалиста в этой области, и специальным формальным языком представления знаний. Специалисту важно иметь возможность использовать в работе не специально введённые новые представления для описания предметной области, а те же самые понятия и концепции, которые используются в этой области традиционно. Эффективная реализация такой возможности помогает максимально сохранить семантику уже существующего мира понятий и перенести её в модель представления знаний.

Для описания каждой из частей общей модели могут исходно применяться весьма различные средства: дифференциальные уравнения, логические, алгоритмические описания, семантические сети, продукции, структурные диаграммы, фреймы, описания структур данных, описания пространственных сцен, описания электронных схем, музыки и др. Это многоязычие создаёт трудности при описании сложной системы в целом. Использование единственной описательной модели для сложной системы вынуждает представлять большую долю информации в форме, не адекватной природе описываемых сущностей.

При этом проблема «наилучшего языка» существенно связана с противоречием между его богатством и компактностью: язык должен иметь высокую описательную мощь, но в то же время по количеству конструкций должен быть достаточно простым в освоении.

При использовании компьютерных технологий вышесказанное предстаёт как проблема дистанции между исходными моделями, описывающими необходимые сущности предметной области в привычной для этой области форме, и моделями, которые могут быть непосредственно «поняты» компьютерной средой. Преодоление данной проблемы всегда являлось одной из центральных задач компьютерных технологий, начиная с зарождения этих технологий и по настоящее время. Заметим, что любой компьютерный язык в первую очередь рассматривается здесь не как средство задания процесса функционирования компьютера, а как средство представления некоторых информационных моделей, используемое некоей «виртуальной машиной».

В работе обсуждается иерархическая микроконтекстная мультипарадигменная компонентная технология (микроконтекстно-ориентированый подход) [1-7] - взгляд на построение языков информационных описаний, организацию программных и аппаратных средств и процесс создания программных продуктов, обобщающий концепцию модульного проектирования на «языковую ситуацию». В предлагаемом решении каждый из иерархически связанных модулей-микроязыков (подъязыков) является «клеем», связывающим субмодули своими собственными средствами (включая и внешние формы представления), независимо от средств, используемых другими модулями структуры (и для человеко-компьютерного взаимодействия в целом, а не только для области «программирования»).

1. Традиционные подходы к решению противоречия между простотой языка и богатством его средств

В современной практике встречается ряд подходов к решению противоречия между простотой языка и богатством его средств: однопарадигменный подход, мультипарадигменный подход, среда, расширяемая пользователем, … Рассмотрим эти подходы более подробно.

1.1. Однопарадигменный подход

Однопарадигменный подход предлагает использовать некоторый универсальный, независимый от области применения, язык, базирующийся на некоторой зафиксированной для этого языка одной главной парадигме (например, алгоритмической). Единственность базовой парадигмы обеспечивает небольшое количество базовых элементов такого языка. Это близко к идее «RISC» (Reduced Instruction Set Computer) для микропроцессоров.

При работе с узким классом информационных моделей проблема человеко-компьютерного взаимодействия решается наиболее успешно при использовании специализированной информационной среды, то есть языка и соответствующей «виртуальной машины», ориентированных именно на этот класс.

Однако ситуация меняется, если решаемая проблема сложна и включает много разнородных частей, которым наиболее адекватны информационные описания различной природы. В этом случае возможно использование компактных монопарадигменных универсальных средств («притягивание» информационной модели к имеющейся информационной среде). В этом случае для конкретной области необходимо свести каждый объект, с которым имеют дело, к выбранной единственной парадигме (или к небольшому количеству парадигм) и единственному языку. Чтобы применять этот подход, требуется остановиться на выборе некоторой универсальной парадигмы (например, алгоритмической, функциональной, логической и т.п.), выбрать соответствующий компьютерный язык и соответствующую компьютерную среду, поддерживающую работу на этом языке. При этом необходимо применить определённые научные и прикладные наработки (сведению разных видов моделей к алгоритмической парадигме посвящены целые области математики) и искусство, чтобы сводить задачи из различных областей к моделям в терминах выбранной парадигмы (языка). Самый популярный базис этого подхода - алгоритмическая парадигма.

Основные недостатки подхода монопарадигменных универсальных средств:

· использование монопарадигменного подхода требует трудоёмкой работы по сведению различных классов исходных моделей представления к неадекватной единой форме (например, запись музыки или вёрстка полиграфического продукта средствами универсального алгоритмического языка),

· работа с единственной парадигмой деформирует сознание, затрудняя работу с представлениями в других парадигмах.

1.2. Мультипарадигменный подход

Мультипарадигменный подход характеризует «расширение» монопарадигменной универсальной системы вводом новых элементов, удобных для работ, которые исходно были нехарактерны для природы применяемого языка, облегчающих его использование и соответствующих некоторым другим парадигмам. При дальнейшем развитии этот подход приводит к формированию большого мультипарадигменного языка с большим количеством включенных в него парадигм. Этот подход подобен подходу «CISC» (Complex Instruction Set Computer) для микропроцессоров. Как правило, структура связи элементов мультипарадигменного языка жёстко зафиксирована разработчиками такой системы. В соответствии с этим подходом необходимо разработать огромное разнообразие специальных сложных языков (и систем) для различных областей применения, объединяя основные метафоры в различных комбинациях. Мультипарадигменные системы могут оказаться узкоспециализированными и достаточно сложными в изучении, использовании и создании поддерживающих их программных сред.

Некоторые из недостатков мультипарадигменного подхода:

· ориентированность универсальных систем на использование, как правило, какой-то одной формы внешнего представления информационных моделей;

· невозможность включить в универсальную систему все, что кому-то когда-то может понадобиться, в удобной форме;

· даже когда в язык включено не «все для всех», он оказывается громоздким как для разработки, так и для овладения;

· при множественности компонент «интегрированной системы» некоторые из них оказываются реализованы очень удачно, другие - менее удачно. Но все они составляют единый неделимый комплекс и как правило пользователю системы никакие её части заменить невозможно;

· создание таких систем весьма дорого для потребителя;

· программистское качество отдельных компонент может оказаться не столь высоким, как у массовых универсальных систем;

· такие системы, будучи менее универсальными, ставят потребителя в весьма зависимое положение: система позволяет манипулировать лишь в тех сферах и в том виде, как это предполагал её разработчик.

1.3. Среда, расширяемая пользователем

В случае среды, расширяемой пользователем, информационная система может расширяться самим пользователем. Яркий пример - концепция языков Forth или Lisp в программировании. Чаще предусматривают менее радикальные возможности по операционному расширению среды для адаптации универсальных средств к решаемой задаче. Например, предоставление возможности создания пользователем библиотеки процедур в алгоритмическом языке, макросов в текстовом или графическом редакторе, объектов в объектно-ориентированном программировании.

При этом пользователь, работая в произвольной среде, по сути порождает в процессе работы проблемно-ориентированную мультипарадигменную языковую среду, расширяя базовые средства. Однако работа как с базовыми объектами, так и с элементами, построенными при расширении, производится независимо от их внутреннего содержания в рамках одной формы внешнего представления (например, текстового) подчас плохо соответствующего природе описываемых сущностей, что является значительным недостатком.

Изложенное относится к проблеме представления не только компьютерно-ориентированных моделей. Однако в областях человеко-компьютерного взаимодействия (а также и - ещё более узко - для области языков программирования) к общим проблемам представления модели добавляются проблемы обработки описания, связанные как с программным обеспечением, так и с аппаратными компьютерными средствами.

В целом для упомянутых подходов очевидно противоречие между богатством изобразительных возможностей языка и его простотой и гибкостью. Это противоречие препятствует попыткам создания единого «идеального языка».

Представляется, что решение этого противоречия даёт только использование составных иерархических компонентных информационных описаний и сред.

2. Язык как сложная система

Как было отмечено выше, при работе со сложными явлениями используемый язык явно (в своих конструкциях) или неявно (за счёт расширяемости языка) становится мультипарадигменным, отражая многосторонность описываемых сущностей, композицией неких более простых средств.

Представляется весьма полезным проведение анализа любой универсальной языковой среды с попыткой выделения достаточно самостоятельных языковых слоёв, имеющих разную синтаксическую и концептуальную основу.

В качестве примера проведём разбиение языка Pascal на структуру подъязыков (Рис. 1) и выделим конструкции на разных подъязыках в некоторой программе на языке Pascal (Рис. 2).

Из «препарирования» даже такого простейшего языка, как Pascal, видно, что он является мультипарадигменным комплексом. Называть его алгоритмическим [монопарадигменным] языком неправомерно. В предлагаемой нами модели Pascal лишь включает в себя алгоритмический подъязык наряду с рядом других, неалгоритмических (языком формул, языком описания типов и др.).

Рис. 1: Препарирование сложного языка на подъязыки

Аналогичное «анатомирование» можно провести и для любых других нетривиальных систем и их языков информационных спецификаций, будь то текстовый или графический редактор, системы программирования, системы управления базами данных или любые другие системы произвольного назначения.

Заметим, что само «анатомирование» произвольных систем и языков с позиций сложных систем полезно как для лучшего понимания сути конкретной системы и языка, так и для выделения многообразия, «коллекции» «ортогональных» используемых правил композиции/декомпозиции.

Рис. 2: Подъязыки в Pascal-программе

Если нарисовать диаграммы, подобные схеме Рис.1, для множества различных языков, то можно увидеть, что многие микроязыки (например, для алгоритмических конструкций) встречаются в огромном многообразии языков (с некоторыми различиями). Так что «анатомирование» весьма полезно и для выявления наилучших экземпляров конкретной реализации каждой группы правил. Такой анализ подтверждает и то, что количество существенно различных используемых классов правил композиции/декомпозиции значительно меньше, чем количество различных существующих языков (по оценкам в настоящее время известно около 2500 языков программирования).

Рис. 3. Демонтаж сложных языков, создание набора различных микроязыков, сборка мультипарадигменного языка для некоторой специфической задачи

Идея «анатомирования» сложных языков влечёт идею микроконтекстно-ориентированного подхода.

В обычном подходе элементы языка жёстко связаны при проектировании. А что если бы была возможность компоновать язык самостоятельно из ассортимента независимых микроязыков?

3. Микроконтекстно-ориентированный подход

Идея «анатомирования» существующих информационных систем подводит к идее адаптивного конструирования, когда компоненты языка не являются жёстко встроенными в систему, а имеют самостоятельность, могут выбираться по обстоятельствам из множества, не связанного именно с какой-то монолитной системой, то есть среда (и язык, и обеспечивающие средства) оказывается подобной конструктору «Lego». Предлагаемый подход к построению информационных систем - альтернатива концепции универсальных больших языков с большими средами, «интегрированных систем» с полностью определяемым производителем системы множеством компонент и их связей.

Концепция предполагает, что из всех видов информационных работ могут быть выделены некоторые «атомарные» типы и слои, соответствующие некоторым достаточно независимым компактным классам информационных моделей. Причём базовые типы работ должны выделяться не только в «горизонтальном» направлении, но прежде всего - в «вертикальном», как элементы иерархической структуры. Каждый тип работ предлагается рассматривать, как группу правил, позволяющих из некоторых объектов синтезировать более сложные, если рассматривать технологию «снизу вверх» или же представлять сложный объект в виде композиции более простых, если рассматривать технологию «сверху вниз». Каждый из базовых языков спецификаций трактуется, как пара {<набор базовых элементов>, <набор средств композиции/декомпозиции>}. В соответствии с этим можно сгруппировать встречающиеся базовые элементы и наборы средств композиции/декомпозиции на классы. Эта идея отражена на Рис.3.

Мы говорим в основном о типах наборов средств композиции/декомпозиции, полагая, что для каждого из этих типов наборы базовых элементов подразумеваются.

3.1. Сборка микроязыков

Дополнительно к описанному выше можно, прежде всего, освободить связи между подъязыками, выделенными при анатомировании различных языков. Тогда эти подъязыки можно рассматривать, как сырье, для сборки новых языков. Это позволяет динамически строить ориентированный на задачу язык представления, который наилучше всего подходит для специфической проблемы. Кроме того, каждый из подъязыков мог бы обладать наилучшей формой внешнего представления, например, могут оказаться смешаны и текстовые, и визуальные подъязыки.

3.2. Формула технологии компонентных языков

Содержание технологии предполагает следующее:

3.3. Стадии существования описания и поддерживающего программного обеспечения

Можно рассмотреть различные «стадии существования» описания знания, включая связанные с использованием компьютерной техники, например:

· разработка модели явлений;

· создание и изменение (редактирование) формального описания с использованием компьютерной среды;

· компиляция или другое преобразование описания;

· компьютерное моделирование или интерпретация описания («выполнение»);

· уничтожение части описания на подъязыке;

· документирование (печать) описания;

· действия некоторого редактора: сохранение подописания, вставка от буфера и т.д.

Если мы имеем дело со «сборным языком», то естественно желать, чтобы и программное обеспечение и аппаратные компьютерные средства, поддерживающие подготовку описания и различные виды работы с ним, были тоже сборными.

Рис. 5. Иерархия программных средств для разных стадий существования описания

Таким образом, было бы превосходно, если бы для каждого микроязыка имелось программное обеспечение, поддерживающее каждую стадию существования описания, причём компоненты этой программной среды могли бы работать совместно в различных комбинациях, адаптивно формируя ориентированные на задачу редактор, компилятор, интерпретатор и т.д.

Следовательно, чтобы определить некоторый подъязык для компьютерного использования, мы должны определить:

· программу, которая должна помочь, если пользователь захочет редактировать фрагмент на этом подъязыке,

· программу, которая должна помочь, если компилятору вышележащего слоя потребуется компилировать фрагмент на этом подъязыке,

· программу, которая должна помочь, если при выполнении вышележащего слоя потребуется интерпретировать фрагмент на этом подъязыке и т.д.

Программные средства должны быть согласованы, чтобы было возможным их совместное функционирование. Подчеркнём, что работа на каждой фазе выглядит, как работа в единой среде, работа с единым языком. Так, скажем мы могли бы редактировать иерархически вложенные части описания, как подъязыковые фрагменты одной «многоязыковой» программы (как это происходит при работе с «составными документами»).

3.4. Уровни в иерархии моделей (параллели с формулой «модель, алгоритм, программа»)

На Рис. 4 изображена возможная иерархия описаний для сложной системы.