Human-oriented programming.pdf Вопросы о роли и месте психологии в программировании стали возни-кать много лет назад, при становлении программирования как профессио-нальной деятельности. Удовлетворительных ответов получить не удалось, по прошествии времени вопросы стали восприниматься как риторические, и в настоящее время большинство исследователей предпочитают даже не вспо-минать о них.Научное сообщество концентрирует свое внимание только на тех аспек-тах человеко-машинных систем, которые могут быть исследованы чисто ма-тематическими методами, а небольшое число работ по прагматике формаль-ных языков и психологии программирования - это не более чем те самые исключения, которые придают означенному правилу законченную форму.Но насколько справедливо рассматривать программирование только с точки зрения вычислительной математики, как простое манипулирование битами? Какой вред компьютеру может нанести программа, содержащая строки с GOTO, о которых писал Дейкстра [1]? Можем ли мы ограничить наши исследования только устройством компьютера, в то время как про-граммирование немыслимо без участия человека? И наконец, сможем ли мы вообще изучать программирование, если мы исключили из рассмотрения значительную и неотъемлемую часть проблемы?В основе настоящей статьи лежит твердое убеждение, что программиро-вание - это человеч еская д еятел ьность, гд е люди создают программы ис-ключительно для людей, используя для этой цели компьютер лишь как инст-румент и на некоторых стадиях. А значит, программирование должно рас-сматривать не только компьютерные стороны проблемы, но и проводить все-стороннее исследование человеко-машинных систем. Это особенно важно в современных компьютерных и информационных системах при рассмотрении вопросов системного анализа, формировании требований, разработке общей концепции кодирования (как использования языковых средств) и сопровож-дения. Практикуемый механистический подход - это верный путь к срыву проекта.Человеко-ориентированное программирование53К сожалению, сломать сложившуюся практику весьма непросто. И дело тут в следующем.Исторически программирование и кибернетика возникли как ветви ма-тематики, царицы точных наук. Студенты, математики и физики, специали-зирующиеся на информационных технологиях, даже не имеют курсов по основам психологии. С другой же стороны, психология рассматривается скорее как гуманитарная наука, которая слабо интересуется проблемами по-строения формализмов.Последствия этой драматичной ситуации очень болезненны. Достаточно вспомнить проект АЛГОЛ. Несмотря на громадные интеллектуальные уси-лия научного сообщества, произошел коллапс проекта. Неимоверная слож-ность (психологическая сложность!) в изучении и сопровождении языка, обилие выразительных средств привели к повторению печальной истории Вавилонской башни.Любая более или менее успешная попытка интегрировать достижения психологии в практику программирования если и не будет означать гранди-озн ог о п роры в а , та к хотя бы п озв олит сок ратить числ о д оса дн ы х и болез -ненных провалов. Мы твердо убеждены, что программирование не имеет будущего без ассимиляции основ психологии в практику программирования и процесс обучения программированию.В статье на основе обсуждения когнитивных процессов, структуры чело-веческой памяти и психологических ограничений на обработку информации формулируется гипотеза информационной сложности, базирующаяся на идее взаимодействия основных элементов человеческой памяти. Приводится общий подход к проблеме сложности и вскрываются ее психологические корни. Далее, с целью продемонстрировать пользу созданного понятийного аппарата, рассматривается несколько широко известных примеров из облас-ти программирования.Изложенный подход образует компактный понятийный аппарат, чрезвы-чайно полезный при обсуждении различных проблем программирования, применимый на различных этапах жизненного цикла программы и при соз-дании новых формальных языков. Создание программ на основе предложен-ного подхода было названо человеко-ориентированным программированием (Human-Oriented Programming).2. Человек и программированиеНаиболее известная в программировании работа по психологии - это статья Дж. Миллера «Магическое число семь, плюс-минус два: некоторый предел наших возможностей обработки информации» [2]. Основная идея этой статьи полувековой давности отражена в названии: возможности чело-века обрабатывать информацию, увы, ограничены, и это ограничение специ-фицируется числом семь. У нас возникают серьезные ментальные проблемы, когда мы имеем дело со смысловыми объектами в количестве, превышаю-щем пороговое значение.Это «магическое» число достаточно часто встречается в компьютерной литературе, но цитирование носит сугубо механический характер. Авторы приводят точное число, в то время как оригинальное число, указанное в за-В.Е. Зюбин 54коне Миллера, «магическое». Точнее, обсуждаемый порог специфицируется областью значений, поскольку сильно зависит от сопутствующих обстоя-тельств, которые мы сейчас обсудим.Во-первых, Дж. Миллер сообщает о существенных отклонениях от сво-его закона. Число может превышать границы области, если подопытный хо-рошо знаком с областью, которой принадлежат смысловые элементы.Во-вторых, эксперименты показали, что порог может быть преодолен, если смысловые элементы различаются по нескольким признакам (напри-мер, цвет, размер, масса). «Лучше знать немного о многом, чем много о не-многом», - пишет сам Дж. Миллер, интерпретируя полученный результат.Таким образом, с одной стороны, закон Миллера отражает объективную реальность, а с другой - наблюдаемые нарушения закона говорят о необхо-димости его коррекции, которая может быть выявлена, если проанализиро-вать структуру памяти человека [3].Память человека состоит из двух частей - кратковременной и долговре-менной памяти [4], см. таблицу их свойств. При этом следует сделать важ-ную ремарку: эти части просто абстрактные понятия, отражающие функцио-нирование, а не физическую структуру человеческого мозга.Свойства кратковременной и долговременной памятиТип памятиТрудоемкость загрузкиВремя хранения информацииСемантическая емкостьКратковременнаяНезначительнаяДо 30 секунд7 ± 2 сущностейДолговременнаяСущественнаяДлительноеНеограниченнаяКратковременная память не требует усилий на загрузку, но ограничивает время операции и число операндов. Ограничение на время выполнения опе-рации означает, что длительные операции вызывают усталость, которая ве-дет к необходимости разгружать память. Эта проблема также известна как проблема закрытия [3]. Оба ограничения напрямую связаны с понятием ин-формационной сложности, которая может интерпретироваться как степень загрузки кратковременной памяти.С другой стороны, человек имеет долговременную память с единствен-ным ограничением - она предполагает существенные усилия при загрузке. Эти усилия связаны с деятельностью кратковременной памяти.Таким образом, кратковременная и долговременная память используют-ся только в тесной связке.Обсуждаемые факты позволяют сделать целый ряд весьма интересных заключений.3. Гипотеза об информационной сложностиЗакон Миллера описывает лишь ограничения на работу с незнакомой информацией. Для знакомой области закон Миллера не работает. С этой точки зрения знания - это просто долговременная память, содержащая ин-формацию по предмету, а сама загрузка данных в долговременную память -это процесс обучения.Также мы можем обойти закон Миллера, если долговременная память за-гружена похожей информацией. Этот трюк нашел широкое применение вЧеловеко-ориентированное программирование55языках программирования, которые используют искусственные метафоры [5], т.е. переносят понятия одной предметной области, хорошо известной пользователю, на другую. Кстати, слово метафора и означает не что иное, как перенос. В качестве примера можно вспомнить язык релейно-контактных схем - графический язык, который использует метафору реле для программирования алгоритмов управления. Несмотря на метафориче-ские артефакты (паразитные аналогии в сознании пользователя) и другие недостатки метода, он весьма эффективен, поскольку существенным образом сокращает время и усилия, затрачиваемые на начальные стадии овладения языком.Другие способы, которые мы повсеместно используем для преодоления закона Миллера, основываются на декомпозиции исходной проблемы на слабозависимые части [6]. Это может быть сделано путем:·исключения несущественных деталей и последующего обобщения;·выделения семантически обособленных сущностей;·разложения проблемы по ракурсам;·создания иерархических зависимостей.Необходимо отметить, что эти приемы ведут к появлению новой инфор-мационной структуры, в которой любая мысленная операция удовлетворяет закону Миллера. Процесс создания таких информационных структур хорошо известен как построение моделей.Отличие между оригинальной проблемой и ее моделью заключается в следующем. Модель содержит только элементы с ограниченным числом се-мантических связей, в то время как причин, которые бы обусловили подоб-ные свойства оригинала, нет.Также следует отметить, что построение модели порождает погреш-ность, несоответствие оригинала и модели, однако при этом достигается но-вое качество, называемое информационной изоляцией.Если после исключения несущественных деталей нам все же не удается построить модель, совместимую с законом Миллера, мы вынуждены выде-лять и временно устранять из рассмотрения условно несущественные дета-ли, т.е. строить ракурсную модель. Таким образом оригинал может иметь не-сколько моделей, отражающих лишь определенные аспекты оригинала и структурно несовместимых.Вышесказанное ведет к следующим заключениям:·Мысленные операции, предполагающие одновременную манипуляциюс большим числом семантических элементов, чрезвычайно трудны или даженевозможны для человека.·Динамические операции со сложной информационной сущностью тре-буют построения такой модели, работа с которой не нарушает закон Миллера.·Качество модели, удобство ее использования определяется характеромвзаимодействия кратковременной и долговременной памяти пользователя.Этот набор утверждений и составляет гипотезу об информационной сложности (ГИС).ГИС создает компактную, но чрезвычайно полезную концептуальную основу для рассуждений на тему удобства использования формальных спе-В.Е. Зюбин 56цификаций и вообще вопросов прагматики в целом. Принципы, составляю-щие ГИС, применимы на самых разнообразных стадиях создания программ-ного обеспечения, в частности при создании языков программирования. Программирование, основанное на предложенном подходе, получило назва-ние человеко-ориентированное программирование (Human-Oriented Programming), или сокращенно ЧОП.Хорошим примером использования ЧОП на практике может служить язык Рефлекс, диалект языка Си, предназначенный для программирования сложных управляющих алгоритмов [7].4. Известные факты под новым углом зренияРассмотрение известных фактов и проблемных вопросов, их простое объяснение в рамках ГИС показывают чрезвычайную полезность созданной основы для рассуждений.4.1. Графические и текстовые языки программированияКакой же язык лучше? Появление этого вопроса в сетевом форуме прак-тически гарантированно ведет к баталиям, так называемым «религиозным войнам» (holy wars). Графические языки часто награждают самыми лестны-ми эпитетами: простые, интуитивно понятные, дружественные, привлека-тельные и т.п. Подходы WYSIWYG и WIMP стали неотъемлемым атрибутом современных пользовательских интерфейсов. Но все же находятся ярые про-тивники манипуляторов типа «мышь», джойстиков, меню, окон и иконок, у которых на каждый эпитет о полезности графики заготовлено по десятку контраргументов. Да и эксперименты показывают, что утверждение о несо-мненном превосходстве графики весьма дискуссионно [8, 9]. В чем же дело?Исследование вопроса в рамках ГИС обнаруживает следующие ключе-вые моменты. Графика имеет два очень привлекательных свойства: большое число возможных признаков и простая возможность использования искусст-венных метафор. Признаки графики - это цвет, насыщенность, размер, тексту-ра, положение, ориентация. Хотя признаки имеют специализацию (например, цвет, форма, текстура подходят только для отражения качественных характе-ристик, а остальные признаки - только количественных), они обеспечивают компактное и непротиворечивое совмещение разнородной информации.Искусственные метафоры снижают нагрузку на кратковременную память во время изучения. Побочный эффект графики - метафорические артефакты, погрешность, сложность определения формальной семантики языка и т.д. [5, 6].Текстовые языки хотя и допускают использование дополнительных гра-фических признаков [10], но все же слабо приспособлены для этого. Пре-имущества текстовой формы записи в том, что она обеспечивает единство внешнего и внутреннего (машинного) представления данных, простоту стан-дартизации кодирования, модифицируемость, быстрое создание транслято-ров. Текстовые языки позволяют использовать произвольную метафору, обеспечивающую чрезвычайную лаконичность записи, однако предъявляют повышенные требования к профессионализму пользователя, или, другими словами, специализированную загрузку долговременной памяти.В качестве способа примирить достоинства и недостатки графики и тек-ста был предложен двухэтапный подход к разработке программ [6], когда наЧеловеко-ориентированное программирование57первом этапе предпочтение отдается графике, а на втором - текстовому язы-ку. Ключевое преимущество подхода очевидно. Графические средства сни-жают нагрузку на кратковременную память, когда программист занимается построением модели, изучает задачу. Это позволяет:·упростить работу за счет искусственной метафоризации;·установить единое видение проблемы внутри команды;·организовать конструктивный диалог с пользователем.Возникающая при этом погрешность вполне разумная цена за возмож-ность комфортной работы. Ошибки имеют локальный характер и могут быть скорректированы на втором этапе при программировании на текстовом язы-ке, к началу которого программист будет иметь и общий план решения, и, что не менее важно, вполне подготовленную долговременную память.Существенная проблема подхода - обеспечение бесшовного перехода между двумя представлениями. Проблема бесшовного перехода, по-видимому, не имеет общего решения и должна рассматриваться для каждого конкретного случая отдельно, например так, как это сделано для языка Реф-лекс [7].4.2. Аспект-ориентированное программированиеВ качестве исходной посылки авторы аспект-ориентированного про-граммирования (AOП) [11] используют справедливое утверждение (полу-ченное из практики), что универсальных языков нет и для каждой из сторон проблемы лучше всего использовать собственный язык. На основе этого за-ключения авторы предлагают стиль-АОП, направленный на то, чтобы разде-лить описание системы на независимые части (аспекты) и описывать эти части в отдельных модулях наиболее подходящими для этого средствами («natural shapes»). Описанные таким образом аспекты затем «сшиваются» на этапе трансляции в исполняемый код. Например, в одном модуле описывает-ся функциональная часть, в другом отражаются вопросы устойчивого функ-ционирования, в третьем - структура данных и т.п. Преследуемая цель - по-высить качество создаваемой системы за счет снижения порога сложности.АОП показало на практике неплохие результаты и этим подтвердило свою эффективность, но при этом возникают нескол ько вопросов , на кото-рые авторы не могут дать ответ. Почему аспекты противоречат друг другу? Чем определена неравноправность аспектов? Можно ли выработать ясное понимание естественной формы «natural shapes», которую имеют различные аспекты?Отдавая отчет в том, что AOП - это один из примеров интуитивного ис-пользования ЧОП, в котором построение модели производится через аспект-ную декомпозицию, проведем краткий анализ АОП на основании гипотезы информационной сложности.Аспектная декомпозиция, построение аспектных моделей производится через различные метафоры (не обязательно искусственные). Это обстоятель-ство уже само по себе означает структурную несовместимость моделей, ко-торая может быть разрешена только через иерархию аспектов. То есть через создание цепочки вложенных аспектов типа матрешки, когда один основной аспект определяет глобальную структуру алгоритма, а влияние зависимыхВ.Е. Зюбин 58аспектов имеет локальный характер. Так называемые «естественные фор-мы» - это просто аспектные модели, которые, с одной стороны, удовлетво-ряют закону Миллера (просты для восприятия), а с другой - не могут по от-дельности отразить целевую проблему во всей полноте из-за отброшенных ранее условно несущественных деталей.4.3. Вопросы и вызовы времениБыло бы интересно обсудить на базе гипотезы информационной сложно-сти следующие темы:·Является ли UML [12] языком или это просто набор языков, называе-мых диаграммами?·Почему языки Си++ and Java сильно схожи с языком Си?·Что заставляет корпорацию Майкрософт - общепризнанного лидера вобласти объектно-ориентированных технологий - по-прежнему использо-вать Си для написания операционных систем?·Почему промышленность сделала свой выбор в пользу языков стандар-та IEC 61131-3 [13] и отвергла многообразие альтернатив как практических,например Си++, так и большое число теоретических моделей?·Можем ли мы найти реальное различие между так называемыми язы-ками общего назначения и проблемно-ориентированными языками? Дейст-вительно ли объектно-ориентированные языки - это языки третьего поколе-ния? Не случилось ли ошибки, а мы попросту не замечаем проблемной ори-ентированности объективно ориентированных языков в силу широкого рас-пространения персональных компьютеров?·Какие психологические проблемы решаются с помощью концепцийполиморфизма, наследования, сокрытия информации и т.д.?Полезность ГИС выражается не только в том, что она задает направление поиска и предоставляет необходимый инструментарий для рассуждений об известных проблемах. Появляется возможность ставить новые вопросы и получать ответы на более высоком уровне понимания.При этом не стоит воспринимать ЧОП как очередную панацею. ЧОП -это в первую очередь инструмент для трезвой оценки человеческих ограни-чений и, скорее, обоснование естественного ограничения на сложность ин-формационных систем. В результате использования инструментария ЧОП можно не только выработать эффективное решение, но и прийти к отрица-тельному заключению о перспективах проекта.В этой связи уместно затронуть основной вопрос, который мы будем вы-нуждены решить в ближайшем будущем, - какой язык мы будем использо-вать для программирования многоядерных процессоров. Это очень серьез-ный, а возможно, и основной вызов времени. Отсутствие приемлемого языка означает, что мы будем отброшены назад в эпоху низкоуровневого програм-мирования, когда структура алгоритма зависела от физической топологии вычислительной платформы. Более того, кризис может привести к стагнации или даже коллапсу компьютерной индустрии как таковой [14]. Преодоление кризиса возможно только через трезвое понимание законов программирова-ния и выработку подхода, который учитывает в себе и человеческий аспект программирования, и физический параллелизм машинной архитектуры.Человеко-ориентированное программирование595. ЗаключениеГипотеза об информационной сложности обеспечивает компактный и вместе с тем эффективный понятийный аппарат для оценки свойств языков программирования и создаваемых информационных систем. Анализ взаимо-действия кратковременной и долговременной памяти человека и психологи-ческих ограничений при работе с этими типами памяти позволяет дать отве-ты на многие вопросы прагматики, исторически не подлежащие рассмотре-нию в рамках классических информационных технологий.Автор считает, что идеи человеко-ориентированного программирования представляют интерес для комплексных проектов по созданию новых языков программирования. Понимание природы и использование прямых методов оценки информационной сложности могут оказать существенную помощь при создании различных типов компьютерных и информационных систем.Автор ожидает появления исследовательских работ в рамках человеко-ориентированного программирования, которые обеспечат решение насущ-ных вопросов, стоящих перед компьютерной индустрией, и создание эффек-тивных методик программирования.

Скачать электронную версию публикации