V

Красота программирования

Не знаю, как описать мою любовь к программированию, но я попробую. Если этим занимаешься, кажется, что в мире нет ничего интереснее. Эта игра гораздо увлекательнее шахмат, игра, в которой можно устанавливать собственные правила и где конечный результат можно понимать по-своему.

А со стороны кажется – нет на свете ничего скучнее.

Первое, что привлекает в программировании, объяснить просто: ты говоришь компьютеру что-то сделать, и он это делает. Безошибочно. Всегда. Без возражений.

Это само по себе интересно.

Но такое слепое послушание хотя и увлекает сначала, вряд ли может привязать надолго. На самом деле оно как раз быстро наскучит. Интереснее всего другое: чтобы заставить компьютер делать то, что хочешь, сперва нужно придумать как.

Для меня программирование во многом похоже на физику. Обе науки имеют дело с устройством мира на базовом уровне. Разница, конечно, в том, что физик исследует, как сделан мир, а программист его создает. В пределах компьютера ты творец. Ты можешь безраздельно управлять всем, что происходит. Если хватает умения, то ты – бог. Местного значения.

Возможно, я оскорбил этими словами около половины населения Земли.

Но это правда. Ты создаешь свой собственный мир, и тебя ограничивают только возможности твоей машины или – в наше время все чаще – твои собственные способности.

Возьмем, к примеру, шалаш на дереве. Можно построить прочный шалаш со всеми необходимыми вещами, включая люк. Но всем известно, что красивый шалаш отличается от просто прочного тем, что при его создании учли особенности самого дерева. То есть нужно сочетание искусства и техники. Это одна из причин, почему программирование обладает такой притягательной силой и является таким благодарным занятием. Функциональность часто отступает на второй план перед увлекательностью, красотой или неординарностью. Это очень творческое занятие.

Сначала я просто хотел узнать, как работает компьютер. И меня страшно обрадовало, что тут – как и в математике – можно построить собственный мир со своими законами. В физике тебя ограничивают уже существующие законы. А в математике, как и в программировании, годится все, что непротиворечиво. Внешняя логика не накладывает на математику никаких ограничений – все должно быть логично само по себе. Как знает всякий математик, можно установить набор правил, по которым три плюс три равняется двум. По существу можно делать все, что хочешь, важно только по мере усложнения системы тщательно следить, чтобы не создавать ничего, противоречащего уже построенному миру. Чтобы твой мир был прекрасен, он не должен содержать изъянов. Точно так же и в программировании.

Одна из его привлекательных сторон заключается в том, что можно экспериментировать с созданными тобой мирами и выяснять их возможности. В математике можно заниматься умственной гимнастикой, проверяя, что может быть. Например, большинство людей под геометрией подразумевают Евклидову геометрию. Однако компьютеры позволяют увидеть и другие – совсем неевклидовы – геометрии. С помощью компьютеров можно посмотреть, как выглядят эти придуманные миры. Помните множество Мандельброта – фрактальные изображения, в основе которых лежат уравнения Бенуа Мандельброта? Это наглядные представления чисто математических понятий, которые стали возможны только благодаря компьютерам. Мандельброт просто придумал произвольные правила для несуществующего мира, который не имеет никакого отношения к реальности, но оказалось, что они порождают замечательные узоры. С помощью компьютеров и программирования можно создавать все новые миры, и некоторые возникающие при этом узоры по-настоящему прекрасны.

Но основное время уходит совсем не на это. Нужно просто писать программы для выполнения определенных заданий. При этом не создается новый мир, а просто решается проблема в мире компьютера. Ты думаешь над задачей – и она решается. Но далеко не каждый способен сидеть, уставившись в экран, и обдумывать задачу. Только чокнутые хакеры вроде меня.

Операционная система – это основа всего, что происходит в машине. Ее создание – самая сложная задача. Создавая операционную систему, ты строишь мир, в котором будут жить все остальные программы, работающие на компьютере. По сути ты задаешь правила: что допустимо и может быть сделано, а что – нет. Так можно сказать про любую программу, но к операционке это относится в первую очередь. Она подобна конституции созданной тобой страны, а все остальные программы – лишь обычные законы.

Некоторые законы оказываются бессмысленными. Такие тебе не нужны. Важно, чтобы, посмотрев на решение, можно было понять, что ты получил правильный ответ правильным способом.

Помните того своего одноклассника, у которого всегда получался правильный ответ? Он решал задачу быстрее всех, и у него это получалось именно потому, что он к этому не стремился. Он не выяснял, как следует решать эту задачу. Он просто находил правильный подход. И, услышав ответ, вы сразу понимали, что это так.

То же самое и с компьютерами. Можно добиться чего-то с помощью грубой силы, по-дурацки перемалывая проблему, пока от нее ничего не останется. А можно найти верный подход, и проблема сама внезапно исчезнет. Вдруг удается взглянуть на нее под новым углом, и наступает прозрение: проблема существовала только потому, что ты на нее неправильно смотрел.

Вот очень наглядный пример не из компьютерной области, а из математики. Легенда гласит, что, когда великий немецкий математик Карл Фридрих Гаусс еще учился в школе, его учитель, чтобы занять учеников, велел им сложить все целые числа от 1 до 100. Учитель рассчитывал, что ребята провозятся с этим целый день. Но будущий математик уже через пять минут получил верный ответ: 5050. Настоящее решение не в том, чтобы тупо складывать все эти числа – это глупо и скучно. Гаусс просто заметил, что 1 и 100 в сумме дают 101, а 2 и 99 снова дают 101. Как и 3 плюс 98. И так до 50 плюс 51. За считанные секунды он понял, что таких пар 50, каждая в сумме дает 101, поэтому ответ – 5050.

Может быть, эта история и недостоверна, но идея ясна: великий математик не станет решать задачу долгим и нудным способом, потому что увидит лежащую в основе схему и с ее помощью решит задачу быстро и эффектно. То же самое, безусловно, применимо и к компьютерной науке. Конечно, можно просто написать программу, которая вычисляет сумму. Для современных компьютеров это элементарная задача. Но великий программист узнает ответ просто потому, что у него голова на плечах. Он придумает красивую программу, которая будет решать задачу по-другому – правильно.

Очень трудно объяснить, что интересного в том, чтобы биться головой об стену три дня подряд, не зная, как лучше, красивее решить задачу. Но когда ты нашел решение – это чувство нельзя сравнить ни с чем в мире.

VI

Мой эмулятор терминала обрастал наворотами. Я регулярно использовал его, чтобы подключиться к университетскому компьютеру и получить почту или поучаствовать в конференции по Minix. Беда была в том, что я хотел скачивать и закачивать файлы. То есть мне нужно было уметь писать на диск. Для этого моей программе эмуляции нужен был драйвер дисковода. А еще ей был нужен драйвер файловой системы, чтобы она могла вникать в организацию диска и записывать скачиваемые файлы.

Тут я чуть было не сдался: мне показалось, что возни будет слишком много и дело того не стоит. Но заняться все равно было особенно нечем. В университете той весной не было ничего сложного. Развлекался я только раз в неделю – по средам ходил на собрания «Спектрума». Я был настолько антиобщественным животным, что это была для меня единственная возможность отвлечься от учебы и программирования. Без этих вечеринок я был бы в ту весну полным отшельником, а так – был почти отшельником. «Спектрум» открывал мне путь к общению, поэтому я вряд ли пропустил хоть одну встречу. Эти собрания были для меня настолько важны, что иногда я терял сон в ожидании очередного вечера, надеясь, что не буду там постоянно думать о том, какой я неконтактный, какой у меня нос и что у меня нет девушки. Это все стандартные для хакеров заморочки.

Одним словом, жизнь моя не блистала разнообразием. А разработка драйверов для дисковода и файловой системы казалась интересным делом. И я решил им заняться. Написал драйвер дисковода. А поскольку я хотел записывать файлы в файловую систему Minix, да к тому же эта система была хорошо документирована, я сделал свою файловую систему совместимой с системой Minix. Таким образом я мог читать файлы, созданные в Minix, и писать файлы на тот же диск, так что Minix могла читать файлы, созданные моей программой эмуляции терминала.

Я крутился как белка в колесе: программирование – сон – программирование – еда (соленые сухарики) – программирование – сон – программирование – душ (на скорую руку) – программирование. К концу работы стало ясно, что моя программа превращается в операционную систему. И я стал думать о ней не как о программе эмуляции терминала, а как об операционной системе. Этот сдвиг произошел, вероятно, в дурмане одного из затянувшихся сеансов программирования. Было это днем или ночью? Не знаю. Сижу я в своем старом халате и работаю с программой эмуляции, снабженной дополнительными функциями. А потом вдруг понимаю, что этих функций стало так много, что программа превратилась в рабочую версию операционной системы.

Я называл ее «программой эмуляции терминала типа gnu-emacs». Gnu-emacs начинался как редактор, но его создатели встроили в него кучу разных функций. Они хотели, чтоб это был редактор, который можно программировать, но потом программистская часть выросла до невообразимых размеров и редактор стал настоящим кошмаром. В него входит все, кроме разве что кухонной раковины, именно поэтому кухонная раковина часто служит его значком. Программа известна как чудовищный монстр, который включает больше функций, чем в принципе может понадобиться редактору. То же самое происходило с моим эмулятором терминала. Он превращался в нечто гораздо большее.

Это самое раннее публичное свидетельство того, что некий хакер из Финляндии хочет проверить границы своих возможностей. Стандарты POSIX – это подробнейшие правила для каждого из сотен системных вызовов в Unix – что нужно для того, чтобы заставить компьютер выполнить эту операцию, начиная с Read, Write, Open и Close. Они вырабатываются специальной организацией, состоящей из представителей компаний, которые хотят договориться об общих стандартах для Unix. Стандарты нужны для того, чтобы программисты могли писать приложения, которые будут работать под разными версиями Unix. Из списка системных вызовов, особенно наиболее важных, я хотел узнать, какие функции нужны операционной системе. После этого я смог бы написать свои собственные коды для выполнения всех этих функций. А соответствие стандартам POSIX позволило бы другим, людям пользоваться моими программами.

В то время я не знал, что печатную версию этих стандартов можно было купить непосредственно у разработчиков POSIX, но это в любом случае не имело значения. Даже если бы покупка была мне по карману, пересылка книги в Финляндию заняла бы слишком много времени. Поэтому я и просил указать версию, которую можно бесплатно скачать с FТР-сайта.

На мой вопрос о стандартах POSIX никто не ответил, поэтому я перешел к запасному плану. Я стал исследовать документацию Unix версии Sun Microsystems – эта система стояла на университетском сервере. Там нашлась базовая версия системных вызовов – для начала мне этого было достаточно. Можно было посмотреть, что должны делать системные вызовы, а потом заняться их реализацией. В документации не говорилось, как получить результат, просто показывалось, каким он должен быть. Часть системных вызовов мне удалось откопать в книге Эндрю Таненбаума и в некоторых других. В конце концов кто-то прислал мне толстые тома со стандартами POSIX.

Однако мое сообщение не прошло незамеченным. Каждый знающий человек (а кто еще станет читать сайт Minix?) понял, что я пишу операционную систему. Иначе зачем бы мне понадобились правила POSIX? Мое сообщение вызвало любопытство Ари Лемке, преподавателя из Технического университета Хельсинки (где бы я непременно стал учиться, если бы меня не так привлекали теоретические занятия). Ари по-дружески обратился ко мне, предложив выделить на университетском FTP-сервере каталог, в который я смогу поместить свою операционную систему, когда она будет готова, чтобы каждый при желании мог ее оттуда скачать.

VII

Похоже, Ари Лемке страдал излишним оптимизмом. Он создал каталог (ftp.funet.fi) задолго до того, как у меня появилось что туда положить. У меня был пароль, и все было готово для того, чтобы я мог просто войти в систему и закачать свою программу. Но прошло долгих четыре месяца, прежде чем мне захотелось чем-нибудь поделиться с миром или хотя бы с Ари и несколькими другими фанатами операционных систем, с которыми я переписывался.

Исходно я хотел написать такую операционку, которую мог бы использовать вместо Minix. Мне не нужно было, чтобы она могла делать больше, чем Minix, но она должна была выполнять те функции Minix, которыми я пользовался, а также кое-что еще. Например, в Minix не только была плохая эмуляция терминала, но и не было возможности перевести в фоновый режим программу, которой временно не пользуешься. И управление памятью было очень упрощенным – в Mac OS оно и сейчас такое, кстати.

Как создать операционку? Надо выяснить, что должны делать системные вызовы, и написать программы, которые будут это делать. Вообще говоря, системных вызовов около двух сотен. Некоторые из них могут соответствовать целому набору функций. Другие – совсем просты. Наиболее фундаментальные системные вызовы могут быть весьма сложными и в значительной мере зависят от имеющейся инфраструктуры. Возьмем системные вызовы Write (запись) и Read (чтение). Для записи на диск и чтения с диска нужно создать драйвер дисковода. Возьмем вызов Open (открыть). Нужно создать весь уровень файловой системы, который будет анализировать имена и определять, где что лежит на диске. На один этот системный вызов ушло несколько месяцев. Но когда он был уже готов, тот же самый программный код можно было использовать и для других функций.