Язык Ада – двадцать лет спустя

Сергей Рыбин, Василий Фофанов

Если спросить отечественного ИТ-специалиста: "Что такое Ада?", большинство лишь удивленно пожмет плечами, а кто-то даже скажет, что это мертвый язык, когда-то придуманный Пентагоном, а ныне практически не используемый. На самом же деле Ада и сегодня – вполне благополучный и активно применяемый в различных областях язык программирования. Правда, большинство российских программистов знают о нем мало.

Наверное, каждый, кому приходилось пользоваться четырнадцатой линией парижского метрополитена, удивлялся, впервые увидев поезд, в котором нет кабины машиниста. Движение поездов на этой линии полностью управляется Ада-программой.

Несмотря ни на что, в отдельных областях техники Россия все еще "впереди планеты всей". И одна из них – конструирование и производство самолетов-амфибий. Всемирно признанным лидером в этой области является ТАНТК им. Г. М. Бериева. Недавно это предприятие приобрело средства разработки бортового программного обеспечения на базе языка Ада для использования при модернизации своей последней модели Бе-200.

Между тем, большинство отечественных ИТ-специалистов в лучшем случае ничего не знают о языке Ада, в худшем же – имеют совершенно неверное представление об Аде как о языке-монстре, некогда придуманном Пентагоном для разработки военных систем, а ныне окончательно забытом.

Немного истории

Официальным днем рождения языка программирования Ада можно считать 17 февраля 1983 года – дату утверждения стандарта ANSI/MIL-STD-1815-A–1983.

Технические и административные меры, предпринятые Минобороны как часть проекта по созданию и внедрению Ады, полностью предотвратили появление и распространение диалектов языка. С 1983 года и по настоящее время все индустриальные реализации поддерживают действующий стандарт Ады. Когда же речь заходит о подмножествах Ады, то эти подмножества определяются не реализацией, а стандартами разработки конкретного класса систем.

В 1987 году стандарт ANSI без единого изменения был утвержден в качестве стандарта ISO (ISO/IEC 8652), а когда в начале 90-х годов назрела необходимость пересмотра стандарта, работа по пересмотру также была проведена под управлением и на средства Министерства обороны США. Стартовал новый международный проект, который завершился утверждением в конце 1994-го и публикацией в начале 1995 года новой версии стандарта ISO/IEC 8652. Именно этот документ и служит сегодня определением языка программирования Ада.

В СССР в начале 80-х годов была образована Рабочая группа по языку программирования Ада при Государственном комитете по науке и технике. Тщательно собиралась и анализировалась вся открытая информация о проекте, а усилиями специальных служб добывалась и закрытая информация. Были организованы проекты по реализации Ады для практически всех использовавшихся тогда архитектур ЭВМ, и некоторые из них оказались весьма успешными. Распад СССР положил конец этой деятельности. Сегодня Ада используется в России и СНГ отдельными энтузиастами.

Что такое Ада

Все современные индустриальные языки предоставляют по сути один и тот же базовый набор возможностей, различаясь не тем, что они позволяют делать, а тем, как именно они позволяют это делать. Однако Ада, по крайней мере, в двух аспектах расширяет стандартный для современных языков набор возможностей. Во-первых, Ада предоставляет высокоуровневые средства программирования асинхронных процессов. Во-вторых, является единственным языком, который без всяких оговорок можно назвать модульным.

Пример такой просто необходим для того, чтобы опровергнуть достаточно распространенный миф о том, что Ада – большой, сложный и "тяжелый" язык, пригодный лишь для написания сверхбольших и сверхсложных систем. На самом же деле, Ада может применяться для разработки небольших и средних программ с тем же успехом, как и современные клоны Си, Паскаля, Бейсика и Java. Так, классический пример программы "Hello, World!" выглядит на Аде следующим образом:

Легко видеть, что код на Аде похож на код на Паскале, который был выбран в качестве его прототипа. Первая строка описывает связь данного компилируемого модуля с другими модулями – указывается, что подпрограмма Hello_World должна компилироваться совместно с модулем Ada.Text_IO, который является компонентом предопределенной библиотеки.

Следующая программа определяет два асинхронных процесса [1]:

В разделе локальных объявлений процедуры Tasking_Example описывается задача Outputter (строка 6, строки с 8 по 17 содержат тело этой задачи). Когда управление в процессе, соответствующем процедуре Tasking_Example, доходит до строки 20, перед тем, как выполнить этот первый оператор, запускается процесс, соответствующий задаче Outputter, после чего два этих процесса живут и асинхронно выполняются независимо друг от друга. Выполнение оператора задержки (строки 14 и 20) состоит в приостановке соответствующего процесса на указанное количество секунд. Таким образом, процесс Tasking_Example приостанавливается на 20 секунд, а в это время процесс Outputter начинает печатать значения увеличивающегося на единицу счетчика, приостанавливаясь на одну секунду после вывода каждого значения. По истечении 20 секунд процесс Tasking_Example устанавливает флаг Finished в положение "истина", в результате завершается цикл в процессе Outputter. Спецификация переменной Finished как атомарного объекта данных (строка 4) делает невозможным одновременное чтение и изменение значения этой переменной.

Далее представлен шаблон функции, позволяющей покомпонентно складывать два одномерных массива. Этот шаблон может быть настроен на произвольный тип, являющийся одномерным массивом, для компонентов которого определены операции присваивания и сложения ("сложение" не обязано быть арифметическим сложением).

Строки 1-6 содержат объявление настраиваемой функции, а строки 8-20 – ее тело. Содержательно, параметром настройки является произвольный одномерный регулярный тип с неуточненным индексным диапазоном (строка 4), про которого известно только, что тип компонента у него произвольный, однако для компонентов определена операция присваивания (строка 2), тип индекса – произвольный дискретный (строка 4). Поскольку нам предстоит покомпонентно складывать два массива, надо знать, что такое операция сложения для типа компонентов. Так как это произвольный тип, мы вынуждены передавать сложение для типа компонента как формальный параметр настройки (строка 5).

В теле функции мы первым делом проверяем, совпадают ли длины операндов (строка 12), иначе покомпонентное сложение не имеет смысла. Совпадение длин операндов не гарантирует совпадение индексных диапазонов, поэтому в цикле по индексному диапазону первого аргумента (строка 15) нам необходимо каждый раз вычислять индекс соответствующего компонента второго аргумента. Мы лишены возможности сделать это для типа Index, так как знаем про него только, что он дискретен, поэтому переходим от значения дискретного типа к его порядковому номеру (атрибут ‘Pos), вычисляем необходимый сдвиг для порядкового номера и возвращаемся к соответствующему значению типа Index (атрибут ‘Val).

Заметим, что параметры (настраиваемой) функции "+" Left и Right объявлены как имеющие тип Arr, индексный диапазон которого не уточнен. Однако Left и Right – это формальные параметры, на место которых при вызове (результата конкретизации) функции "+" будут подставлены конкретные массивы с известными индексными диапазонами. Мы же в теле функции "+" пользуемся атрибутами массивов (‘Range, ‘First, ‘Length), чтобы из объекта получить информацию о его индексном диапазоне.

Почему Ада?

Выбор языка для программного проекта ранее был чисто техническим вопросом. Сегодня это стало вопросом стратегической важности, имеющим далеко идущие последствия для успеха проекта. Перечислим некоторые причины, благодаря которым язык Ада был выбран для реализации программных проектов различными компаниями, либо сделан обязательным для использования в рамках тендеров.

• Желание повысить надежность разрабатываемой системы, так как программные дефекты могут иметь серьезные последствия для здоровья людей, экономики, экологии и т. п. (Ада обладает встроенными средствами обеспечения надежности).
• Желание снизить стоимость разработки и сопровождения системы.
• Наличие международных стандартов и наличие компиляторов языка практически для любой платформы.
• Преимущества дисциплинированного подхода к разработке программного обеспечения, которые становятся особенно существенными по мере увеличения объема и сложности программного обеспечения.

Ада и Си

При проведении сравнительных анализов популярных языков переломано столько копий, что сегодня эту тему часто относят к разряду "религиозных войн". Поэтому ограничимся лишь ссылкой на известную статью [2], в которой делается ряд красноречивых выводов.

1. Разработка программ на языке Ада обходится на 60% дешевле аналогичных программных проектов, реализуемых на Си.
2. Программа на языке Ада имеет в 9 раз меньше дефектов, чем программа на Си; программа на Си++ имеет еще более низкие, чем программа Си, характеристики.
3. предпочтительнее Си как для опытных, так и для неопытных программистов, а также для программистов, имеющих как максимальный, так и минимальный рейтинг в своей группе.
4. Трудоемкость изучения языка Ада не выше трудоемкости изучения Си.
5. Программы на Аде более надежны, чем программы на Си.

В качестве иллюстрации этих выводов, приведем пример разработки бортового программного обеспечения самолета C-130J в соответствии с требованиями Уровня А стандарта DO-178B [3]. При этом констатировалось качество кода, в 10 раз превышающее среднее для программного обеспечения Уровня А. Производительность труда выросла вчетверо относительно сопоставимых программных проектов.

Ада и Java

В Microsoft были вынуждены включить в лицензионные соглашения для своих операционных систем следующий пункт (www.microsoft.com/msdownload/ieplatform/ie/license.txt): "Замечание относительно поддержки языка Java... Технология Java не является устойчивой к сбоям и не предназначена... для использования в рамках управляющих систем реального времени..., в которых сбой языка Java может повлечь за собой смерть, увечье, или тяжелый урон инфраструктуре или окружающей среде. Компания Sun Microsystems, Inc. обязала компанию Microsoft разместить данное предупреждение".

Укажем также на статьи [4] и [5], демонстрирующие преимущества языка Ада над Java.

"Адские" мифы

Довольно часто с Адой связывают набор устойчивых заблуждений, препятствующих как распространению языка, так и осознанному выбору Ады в качестве языка реализации проекта.

Ада – мертвый язык, на нем сейчас никто не программирует. В действительности, Ада уверенно занимает нишу больших встроенных систем с повышенными требованиями к надежности. По сравнению с "коробочными" продуктами для Windows, такие системы не так заметны, поскольку либо существуют в одном экземпляре (какой смысл тиражировать программу, управляющую движением поездов метро), или распространяются как часть системы, в которую они встроены (бортовое программное обеспечение).

Ада – язык, предназначенный исключительно для военных применений. Ада действительно была разработана при участии Министерства обороны США, однако отсутствуют какие-либо технические, административные или иные причины, препятствующие использованию Ады для разработки гражданских систем. Количество "гражданских" проектов, основанных на этом языке, сегодня сопоставимо с количеством "военных" проектов.

Ада – слишком большой и сложный язык, для того чтобы использовать его в небольшом проекте. Объем и сложность всех современных индустриальных языков практически одинаковы, и чтобы убедиться в этом, достаточно просто сравнить объем их описаний. Этот миф восходит к началу 80-х годов, когда Аду сопоставляли с Паскалем, Фортраном 77 или Бейсиком.

Программистов, знающих Аду, мало, изучение языка с нуля требует чрезмерных усилий и времени. На самом же деле, настоящую трудность представляет отыскание специалистов, понимающих специфику встроенных систем и способных создавать качественные программы для них. Так, например, компания BAE, один из активных пользователей языка Ада, не требует от кандидатов знания этого языка; вместо этого ищутся люди, знакомые со встроенными системами и процессами создания программного обеспечения индустриального качества. После найма таких людей требуется всего две недели для обучения их языку Ада.

Наш личный опыт показывает, что программистам, знакомым с той или иной разновидностью Паскаля, требуется всего несколько дней, чтобы начать разрабатывать несложные программы на Аде.

Существующие Ада-технологии неэффективны; и трансляторы, и порождаемый ими код, отличаются низкой производительностью. Этот миф также восходит к первой половине 80-х годов, когда появились первые реализации Ады, фактически всего лишь доказывавшие "теорему существования Ада-транслятора, соответствующего стандарту". Достаточно провести ряд несложных экспериментов, запрограммировав некоторую модельную задачку на Аде, Паскале и Си/Си++, и сравнив (при сопоставимых параметрах компиляторов) затем скорость компиляции, объем порождаемого кода и скорость его выполнения, чтобы убедиться, что какой-либо специфической неэффективности, свойственной Аде, просто не существует. Можно также отметить, что система программирования GNAT при объеме исходных текстов более 40 Мбайт, на 90% реализована на Аде, и построение ее из исходных текстов (в его ходе она трижды сама себя компилирует) на современном ПК занимает не более получаса.

Существующие реализации Ады крайне дороги. Это верно, однако следует иметь в виду, что существует публично доступная версия системы программирования GNAT, которая бесплатно и на совершенно законных основаниях может быть взята из программного репозитория Нью-йоркского университета (ftp://cs.nyu.edu/pub/gnat) вместе с исходными текстами

Бесплатный сыр и как избежать мышеловки

GNAT (GNu Ada Translator) – многоплатформная реализация языка Ада, существующая практически на всех современных индустриальных платформах и поддерживающая генерацию кода для популярных встроенных архитектур. GNAT (www.gnat.com) полностью реализует стандарт Ады, включая те библиотеки, которые стандартом классифицируются как необязательные. Помимо собственно Ада-транслятора, GNAT включает инструментарий, в котором следует отметить развитую интегрированную среду разработчика и многоязыковый графический отладчик, позволяющий, в том числе, исследовать поведение программ с асинхронными процессами. Транслятор и сопутствующие инструменты можно использовать как по отдельности, вызывая их из командной строки, так и в рамках интегрированной графической среды разработки Ада-программ. Все компоненты GNAT, включая среду разработки, имеют один и тот же интерфейс на всех платформах. Помимо полной реализации описываемых стандартом средств GNAT предлагает богатый набор допускаемых стандартом расширений. GNAT – реализация Ады в многоязыковой системе программирования gcc, состоящей из набора компиляторов переднего плана для различных входных языков при общем генераторе кода, что существенно упрощает разработку программ, содержащих компоненты, реализованные на различных языках программирования.

GNAT с самого начала разрабатывался и распространялся под лицензией GPL. Увы, с GPL также связана масса мифов. Так, многие считают, что программы под GPL разрабатываются неорганизованными группами энтузиастов, распространяются абсолютно бесплатно; в результате и надежность, и функциональность таких программ оставляют желать лучшего, не позволяют использовать их в сколько-нибудь серьезных проектах. В случае с GNAT это далеко не так. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно просмотреть список компаний, заключивших с его разработчиками контракты на техническую поддержку: Boeing, British Aerospace, Lockheed, Ericsson, SAAB, Avionics и др.

Свободное предоставление демонстрационных версий – обычная практика многих разработчиков программного обеспечения. GNAT отличается тем, что находящаяся в свободном доступе публичная версия является абсолютно полной версией технологии, без каких-либо юридических или технических ограничений на ее использование. Ряд серьезных проектов был успешно реализован именно на базе публичных версий GNAT. Программное обеспечение спускаемого аппарата Beagle 2 европейской автоматической станции Mars Express, направляющейся в данный момент к Марсу (www.beagle2.com/index.htm), автоматизированная станция документальной связи Министерства обороны РФ (www.ada-ru.org/prj_doc.html). Единственным недостатком публичных версий является то, что разработчик не предоставляет для них технической поддержки.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что язык Ада предоставляет разработчикам идеальное сочетание цельности, последовательности, надежности и эффективности. Язык поддерживает созидательное творчество и новаторство, обеспечивая в то же время дисциплину и индустриальный уровень разработки программного обеспечения, необходимые для реализации программных систем большой важности.

Полезные источники

Практически вся информация по языку Ада и Ада-технологиям, доступная в Сети, может быть найдена, если в качестве стартовой точки поиска использовать один из трех сайтов: www.adahome.com, www.adaic.org, www.acm.org/sigada. Недавно силами энтузиастов языка Ада был создан русскоязычный сайт www.ada-ru.org. Аннотированную библиографию книг по языку Ада, изданных на русском языке, можно найти на сайте faqs.org.ru/progr/other_l/adafaq2.htm.

Литература

1. Benjamin Brosgol, Introduction to Ada 95. www.embedded.com/story/OEG20021211S0034
2. Stephen Zeigler, Comparing Development Costs of C and Ada. www.adaic.com/whyada/ada-vs-c/cada_art.html
3. P. Amey, Correctness by Construction: Better Can Also be Cheaper. CROSSTALK: Journal of Defense Software Engineering, March, 2002.
4. Ada 95 Benefits, www.act-europe.fr/texts/papers/ada95-benefits-on-the-jvm.pdf
5. A Comparison of the Concurrency and Real-Time Features of Ada 95 and Java, www.act-europe.fr/texts/papers/ada-java-concurrency-comp.pdf

Сергей Рыбин (rybin@gnat.com) – старший научный сотрудник НИВЦ МГУ, Василий Фофанов (fofanov@act-europe.fr) – инженер-разработчик ACT Europe.

Статья опубликована в журнал "Открытые системы", #10, 2003 г. Постоянный адрес статьи: http://www.osp.ru/os/2003/10/063.htm. Перепечатывается с разрешения редакции.