Жұмысы тоқтатылатын бағдарламалық қателер (FBI/FBC) туралы мақала. Объектілі бағдарламалау тілдеріндегі кітапхана өзгерістерінен туындайтын мәселелерді қарастырады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Хәлсіз бинарлық интерфейс проблемасы немесе FBI – кейбір объектіге бағытталған бағдарламалау тілдерінің компиляторларындағы кемшілік. Негізгі сынып кітапханасындағы ішкі өзгерістер туындап, одан шыққан кітапханалардың немесе бағдарламалардың жұмысын тоқтатуы мүмкін. Бұл – бағдарламалық құралдың тұрақсыздығының мысалы. Бұл мәселе көбінесе нәзік базалық сынып проблемасы немесе FBC деп аталады, бірақ бұл терминнің мағынасы кеңірек.
The fragile binary interface problem or FBI is a shortcoming of certain object oriented programming language compilers, in which internal changes to an underlying class library can cause descendant libraries or programs to cease working. It is an example of software brittleness. This problem is more often called the fragile base class problem or FBC; however, that term has a wider sense.
Себеп
Бұл проблема көптеген таралған объектіге бағытталған (ОО) тілдері үшін компиляторлар қолданатын "қысқа жол" арқасында туындайды, бұл ерекшелік ОО тілдері C және Pascal сияқты бұрынғы, объектіге бағытталмаған құрылымдық бағдарламалау тілдерінен дамыған кезде сақталған. Бұл тілдерде қазіргі түсінікпен нысандар болмаған, бірақ бір жад орында әртүрлі байланысты ақпаратты сақтайтын "жазба" (немесе C тілінде "құрылым") деп аталатын ұқсас конструкция болды. Нақты жазбаның бөліктеріне оның бастапқы орнын анықтап, сол бастапқы нүктеден бөлікке дейінгі арақашықтықты білу арқылы қол жеткізілді. Мысалы, "адам" жазбасында аты, тегі және әкесінің аты болуы мүмкін, ал бағдарламашы әкесінің атын алу үшін thisPerson.middleInitial деп жазады, компилятор мұны a = location(thisPerson) + offset(middleInitial) сияқты түрлендіреді. Қазіргі заманғы процессорлар мұндай қолжетімділік үшін арнайы командаларды қамтиды. Объектіге бағытталған тілдердің компиляторлары жасалғанда, бұрынғы компилятор технологиясының көп бөлігі пайдаланылды және объектілер жазба тұжырымдамасының негізінде құрылды. Бұл тілдерде объектілер бастапқы орны арқылы анықталды, ал олардың "өрістері" деп аталатын ашық деректеріне белгілі арақашықтық арқылы қол жеткізілді. Іс жүзінде, жалғыз өзгеріс – әр сынып үшін өзгермейтін виртуалды әдіс кестесіне сілтеме жасайтын қосымша өрісті жазбаға қосу болды, яғни жазба өзінің деректерін және әдістерін (функцияларын) сипаттайды. Компиляция кезінде деректерге де, кодқа да (виртуалды әдіс кестесі арқылы) қол жеткізу үшін арақашықтықтар қолданылады.
The problem occurs due to a "shortcut" used with compilers for many common object oriented (OO) languages, a design feature that was kept when OO languages were evolving from earlier non OO structured programming languages such as C and Pascal. In these languages there were no objects in the modern sense, but there was a similar construct known as a record (or "struct" in C) that held a variety of related information in one piece of memory. The parts within a particular record were accessed by keeping track of the starting location of the record, and knowing the offset from that starting point to the part in question. For instance a "person" record might have a first name, last name and middle initial, to access the initial the programmer writes thisPerson. middleInitial which the compiler turns into something like a = location(thisPerson) + offset(middleInitial). Modern CPUs typically include instructions for this common sort of access. When object oriented language compilers were first being developed, much of the existing compiler technology was used, and objects were built on top of the record concept. In these languages the objects were referred to by their starting point, and their public data, known as "fields", were accessed through the known offset. In effect the only change was to add another field to the record, which is set to point to an immutable virtual method table for each class, such that the record describes both its data and methods (functions). When compiled, the offsets are used to access both the data and the code (via the virtual method table).
Симптомдары
Бұл үлкен бағдарламаларда кітапханалардан құрастырылғанда проблема тудырады. Егер кітапхана авторы нысан ішіндегі қоғамдық өрістердің мөлшерін немесе орналасуын өзгертсе, офсеттер енді жарамсыз болып, бағдарлама жұмыс істемей қалады. Бұл ФБР мәселесі. Орындалу логикасындағы өзгерістердің проблема тудыруы мүмкін болғанымен, ФБР-дың жасырын жағы – ештеңе іс жүзінде өзгермеген, тек компиляцияланған кітапханада жасырылған нысанның құрылымы ғана өзгерген. Бір нәрсені doSomething-тен doSomethingElse-ке өзгерту мәселе тудыруы мүмкін деп күтуге болады, бірақ бұл жағдайда doSomething-ті өзгертудің қажеті жоқ, мәселе тек бастапқы кодтың жолдарын түсініктілік үшін жылжыту арқылы да тууы мүмкін. Жағдайды одан да нашар ететіні, бағдарламашы компилятор жасаған құрылымды толығымен немесе жартылай бақылай алмайды, бұл мәселені көзден жасырады. Күрделі объектіге бағытталған бағдарламаларда немесе кітапханаларда жоғары деңгейдегі сыныптар ондаған сыныптардан мұрагерлік алуы мүмкін. Осы базалық сыныптардың әрқайсысы жүздеген басқа сыныптарға да мұрагерлікпен берілуі мүмкін. Бұл базалық сыныптар осал, себебі олардың біріне жасалған шағын өзгеріс одан тікелей немесе басқа сынып арқылы мұрагерлік алған кез келген сыныпқа проблема тудыруы мүмкін. Бұл кітапхананың карточка үйі сияқты бір өзгерістен зақымданып, құлауына әкелуі мүмкін. Мұрагерлік ағашы күрделі болса, өзгерістер енгізіліп жатқанда бұл мәселе байқалмауы мүмкін. Шындығында, базалық сыныпты өзгертетін әзірлеуші, әдетте, оны басқалар жасаған қандай сыныптар қолданатынын білмейді.
This leads to a problem in larger programs when they are constructed from libraries. If the author of the library changes the size or layout of the public fields within the object, the offsets are now invalid and the program will no longer work. This is the FBI problem. Although changes in implementation may be expected to cause problems, the insidious thing about FBI is that nothing really changed, only the layout of the object that is hidden in a compiled library. One might expect that if one changes doSomething to doSomethingElse that it might cause a problem, but in this case one can cause problems without changing doSomething, it can be caused as easily as moving lines of source code around for clarity. Worse, the programmer has little or no control over the resulting layout generated by the compiler, making this problem almost completely hidden from view. In complex object oriented programs or libraries the highest level classes may be inheriting from tens of classes. Each of those base classes could be inherited by hundreds of other classes as well. These base classes are fragile because a small change to one of them could cause problems for any class that inherits from it, either directly or from another class that does. This can cause the library to collapse like a house of cards as many classes are damaged by one change to a base class. The problem may not be noticed when the modifications are being written if the inheritance tree is complex. Indeed, the developer modifying the base class is generally unaware of which classes, developed by others, are using it.
Тілдер
Қиын екілік интерфейс мәселесінің бір шешімі – мәселенің бар екенін білетін және оны бастапқыда болдырмайтын тілді жасау. Көптеген қолмен жазылған ОО тілдері, ескі тілдерден дамыған тілдерден өзгеше, жүктелу кезінде барлық смещение кестелерін құрастырады. Кітапхана макетіндегі өзгерістер сол кезде "байқалады". Self сияқты басқа ОО тілдері кітапханалардағы нысандарды көшіріп, өзгерту арқылы орындалу кезінде барлық нәрсені құрастырады, сондықтан бұзылуға ұшырауы мүмкін негізгі класы жоқ. Java сияқты кейбір тілдер ФБИ мәселесін тудырмастан қандай өзгерістер жасау қауіпсіз екендігі туралы кеңейтілген құжаттамаға ие. Тағы бір шешім – компиляция кезеңіндегі смещениелер мен басқа ақпаратты тіркелген аралық файлды жазу, ол метадеректер деп аталады. Линкер кітапхана қолданбаға жүктелгенде осы ақпаратты пайдаланып өзін-өзі түзету үшін қолданады. NET сияқты платформалар осылай істейді. Дегенмен, нарық C++ сияқты, шынымен "позицияға тәуелді" және демек ФБИ көрсететін бағдарламалау тілдерін таңдады. Мұндай жағдайларда мәселені шешудің бірнеше жолы бар. Біреуі кітапхана авторына болашақта қосымша функционалдылықты қосу қажет болған жағдайда, бірнеше "құрастырушы" нысандарды енгізу арқылы жүктеме салады (мұны DirectX кітапханасында қолданылатын құрылымдарда көруге болады). Бұл шешім сіз осы макеттерді тауысып қалғанша жақсы жұмыс істейді және олар жадты қажет ететіндіктен, тым көп қосуға ынтаңыз болмайды. Objective C 2.0 инстанция айнымалыларына қол жеткізу үшін қосымша жанама деңгейді пайдаланып, бұзылмайтын инстанция айнымалыларын қамтамасыз етеді. Тағы бір жартылай шешім – кейде "Pimpl" ("Іске асыруға көрсеткіш") деп аталатын Bridge үлгісін пайдалану. Qt фреймворкі мұндай іске асырудың мысалы болып табылады. Әрбір класс тек бір дерек мүшесін анықтайды, ол іске асыру деректерін сақтайтын құрылымға көрсеткіш болып табылады. Көрсеткіштің мөлшері (белгілі бір платформа үшін) өзгеруі екіталай, сондықтан іске асыру деректерін өзгерту публиктік құрылымның мөлшеріне әсер етпейді. Дегенмен, бұл виртуалды әдістерді жоқ классқа енгізу немесе мұрагерлік графигін өзгерту сияқты басқа да бұзушы өзгерістерді болдырмайды.
One solution to the fragile binary interface problem is to write a language that knows the problem exists, and does not let it happen in the first place. Most custom written OO languages, as opposed to those evolved from earlier languages, construct all of their offset tables at load time. Changes to the layout of the library will be "noticed" at that point. Other OO languages, like Self, construct everything at runtime by copying and modifying the objects found in the libraries, and therefore do not really have a base class that can be fragile. Some languages, like Java, have extensive documentation on what changes are safe to make without causing FBI problems. Another solution is to write out an intermediate file listing the offsets and other information from the compile stage, known as meta data. The linker then uses this information to correct itself when the library is loaded into an application. Platforms such as NET do this. However, the market has selected programming languages such as C++ that are indeed "position dependent" and therefore exhibit FBI. In these cases there are still a number of solutions to the problem. One puts the burden on the library author by having them insert a number of "placeholder" objects in case they need to add additional functionality in the future (this can be seen in the structs used in the DirectX library). This solution works well until you run out of these dummies and you do not want to add too many because it takes up memory. Objective C 2.0 provides non fragile instance variables by having an extra level of indirection for instance variable access. Another partial solution is to use the Bridge pattern, sometimes known as "Pimpl" ("Pointer to implementation"). The Qt framework is an example of such an implementation. Each class defines only one data member, which is a pointer to the structure holding the implementation data. The size of the pointer itself is unlikely to change (for a given platform), so changing the implementation data does not affect the size of the public structure. However, this does not avoid other breaking changes such as introducing virtual methods to a class that has none, or changing the inheritance graph.
Тіркегіштер
Басқа бір шешімге еңбекті байланыстырушы қажет. Objective C-нің бастапқы нұсқасында кітапхана форматы бір кітапхананың бірнеше нұсқасын қолдауға мүмкіндік берді және шақырылған кезде дұрыс кітапхананы таңдау үшін белгілі бір мүмкіндіктерді қамтыды. Дегенмен, бұл әрқашан қажет болған жоқ, себебі офсеттер тек өрістер үшін ғана қажет болды, әдістердің офсеттері орындалу кезінде жиналып, FBI-ға (Binary Function Interface) себеп бола алмады. Әдістер өрістерге қарағанда көбірек өзгеріске ұшырайтындықтан, ObjC-де бастапқыда FBI мәселелері аз болды, ал туындаған мәселелер нұсқалау жүйесімен шешілді. Objective C 2.0 "жаңа орындалу ортасын" қосты, ол өрістер үшін де FBI мәселесін шешті. Сонымен қатар, TOM тілінің барлық элементтері үшін орындалу кезінде жиналатын офсеттер қолданылады, бұл FBI-дың пайда болуын болдырмайды. Мүмкіндігінше динамикалық кітапханалардың орнына статикалық кітапханаларды пайдалану – тағы бір шешім, себебі кітапхана қолданба қайта құрастырылмастан және пайдаланылатын офсеттер жаңартылмастан өзгертілмейді. Алайда, статикалық кітапханалардың өзіне тән мәселелері бар, мысалы, үлкен орындалатын файл және кітапхананың жаңа нұсқалары шыққанда оларды "автоматты түрде" пайдалану мүмкін емес.
Another solution requires a smarter linker. In the original version of Objective C, the library format allowed for multiple versions of one library and included some functionality for selecting the proper library when called. However this was not always needed because the offsets were only needed for fields, since methods offsets were collected at runtime and could not cause FBI. Since methods tend to change more often than fields, ObjC had few FBI problems in the first place, and those it did could be corrected with the versioning system. Objective C 2.0 added a "modern runtime" which solved the FBI problem for fields as well. Additionally, the TOM language uses runtime collected offsets for everything, making FBI impossible. Using static instead of dynamic libraries where possible is another solution, as the library then cannot be modified without also recompiling the application and updating the offsets it uses. However static libraries have serious problems of their own, such as a larger binary and the inability to use newer versions of the library "automatically" as they are introduced.
Сәулет
Бұл тілдерде проблема бірдеңгейлі мұрагерлік принципін қолдану арқылы (өйткені бұл мұрагерлік ағашының күрделілігін азайтады) және виртуалды функциялары бар негізгі сыныптардың орнына интерфейстерді пайдалану арқылы жеңілдетіледі, себебі интерфейстердің өзі кодты қамтымайды, тек интерфейс жариялаған әрбір әдіс сигнатурасы интерфейсті іске асыратын әрбір нысанмен қолдалатынына кепілдік береді.
In these languages the problem is lessened by enforcing single inheritance (as this reduces the complexity of the inheritance tree), and by the use of interfaces instead of base classes with virtual functions, as interfaces themselves do not contain code, only a guarantee that each method signature the interface declares will be supported by every object that implements the interface.
Тарату әдісі
Егер кітапханалардың бастапқы коды қолжетімді болса, онда барлық мәселе шешіледі. Содан кейін қарапайым қайта компиляция жеткілікті болады.
The whole problem collapses if the source code of the libraries is available. Then a simple recompilation will do the trick.