Sprzątanie śmieci nie zapobiega wyciekom

Mogę się mylić, ale wydaje mi się, że potoczne wyobrażenia na temat odśmiecaczy pamięci (garbage collectiors) obejmują przekonanie, iż zapobiegają one każdemu problemowi właściwemu dla ręcznego zarządzaniu pamięcią. Jasne, wprowadzają przy tym swoje własne - jak choćby nieustalony czas życia obiektów - ale przynajmniej zapewniają nam, że nigdy nie "stracimy" zaalokowanego kawałka pamięci... Krótko mówiąc, garbage collectory podobno chronią nas całkowicie przed zjawiskiem wycieku pamięci.

Wiadomo, że nie jest to do końca prawdą. Wspominałem o tym chociażby w swoim artykule opisującym implementację w C++ odśmiecacza opartego o zliczanie referencji. Taki mechanizm nie potrafi posprzątać obiektów powiązanych zależnościami cyklicznymi (). Jest tak dlatego, gdyż podbijają one wzajemnie swoje liczniki referencji i żaden z nich nie może w ten sposób osiągnąć zera. Nawet więc jeśli taki cykl nie jest dostępny z żadnego widocznego miejsca w programie, jego wewnętrzne odwołania będą utrzymywać go przy życiu.
To jednak dość znany przypadek, który występuje tylko w stosunkowo najprostszym mechanizmie odśmiecania. Bardziej wyrafinowane rozwiązania w rodzaju mark & sweep nie mają tej wady. Tam każda struktura odłączona od reszty programu będzie nieosiągalna dla algorytmu odśmiecacza i zostanie uprzątnięta. Z założenia eliminuje to więc wszystkie przypadki, które przy ręcznym zarządzaniu pamięcią kwalifikowałyby się jako jej wyciek.

Ale to jeszcze nie oznacza, że jakiekolwiek wycieki pamięci nie mają prawda się tu zdarzyć. Przeciwnie, są one jak najbardziej możliwe - i to ze zgoła przeciwnych powodów niż przy zarządzaniu wymagającym ręcznego zwalniania obiektów.

C++11 est arrivé!

O ile tylko ktoś nie spędził zeszłego tygodnia na Antarktydzie, w amazońskiej dżungli czy w innym podobnie odciętym od cywilizacji miejscu, z pewnością słyszał najważniejszą nowinę ostatnich lat. A już na pewno wspomnianego tygodnia - bo przecież jak tu ją nawet porównywać z takimi błahostkami jak choćby zakup Motoroli przez Google. Przecież mówimy tutaj o pomyślnym końcu procesu rozpoczętego w czasach, gdy Google nawet nie istniał! To musi robić wrażenie... I nawet jeśli owym wrażeniem jest głównie: "No wreszcie; co tak długo?!", to przecież w niczym nie umniejsza to rangi wydarzenia.

Tak, mamy w końcu nowy standard C++! I to w sumie mogłoby wystarczyć za całą notkę, bo chyba wszystko, co można by powiedzieć na temat kolejnej wersji jednego z najważniejszych języków programowania, zostało już pewnie dawno powiedziane w dziesiątkach serwisów informacyjnych, tysiącach blogów i milionach tweetów. Znaczącą ich część zajmują omówienia nowych możliwości języka, dostępnych zresztą od jakiegoś czasu (acz w niepełnej formie) w kilku wiodących kompilatorach. Możliwości tych jest całkiem sporo i dlatego nie mam zamiaru nawet wyliczać ich wszystkich. Zdecydowałem, że w zamian przyjrzę się bliżej tylko trzem z nich - tym, które uważam za najbardziej znaczące i warte uwagi.

Nie mów mi, co jest naturalne

Powszechny stereotyp sugeruje, że programiści uwielbiają spierać się co do zalet i wad używanych przez siebie rozwiązań: języków, frameworków, bibliotek czy nawet narzędzi takich jak edytory. Zapewne jest w tym spore ziarno prawdy. Nie ma oczywiście nic złego w rzeczowej dyskusji, w której używane są racjonalne i mające podstawy argumenty. Z tym jednak nie zawsze jest tak różowo.

Jednym z często używanych, ogólnych i pasujących niemal wszędzie "argumentów" jest wspominanie o naturalności danego rozwiązania - lub o jej braku. Mam osobiście duży problem z określeniem zarysów jakichkolwiek użytecznych granic dla tego pojęcia. Nawet więcej: jest ono na tyle niedookreślone, że z niemal równym powodzeniem można by mu przypisać dwa dokładnie przeciwstawne znaczenia. Oba byłyby wprawdzie ścisłe i pozwalały jednoznacznie powiedzieć, czy coś faktycznie jest naturalne czy nie. Problem w tym, że dla wszystkich rozważanych rzeczy odpowiedź byłaby taka sama - a to już jest bezużyteczne. Predykat, który zwraca zawsze true lub zawsze false nie niesie ze sobą żadnej informacji.

Jak więc wyglądają te dwie przeciwstawne postacie?... Z jednej strony trudno zareagować inaczej niż śmiechem na wszelkie próby doszukiwania się pierwotnej Natury w takich zjawiskach jak języki programowania. Życzę powodzenia każdemu, kto próbowałby znaleźć paralele między alternatywą w rodzaju "pętla for czy funkcja map" a decyzjami, jakie musieli podejmować nasi przodkowie na afrykańskiej sawannie jakieś 200 tysięcy lat temu. Tak pojmowana naturalność wyklucza oczywiście wszystkie te rzeczy, o które tak przyjemnie jest się spierać. Pocieszmy się przynajmniej tym, że porażka w używaniu któregoś z nich nie oznacza skończenia jako posiłek dla lwa.
Z drugiej strony jednak nie widać powodu, dla którego dowolne wytwory człowieka nie miałyby być uważane za w pełni naturalnie, jeśli nie odmawiamy tego miana mrowiskom, gniazdom ptakom czy pajęczynom. To znów tworzy nam dobrze określony, jednoznaczny predykat... który jednak zawsze zwraca true, co redukuje jego przydatność do zera.

To wszystko jest oczywiście podejrzane. Jeśli pojęcie 'naturalny' nie służy do przekazania nawet jednego bitu użytecznej informacji, to nie powinno być w ogóle używane. Ale jest; to sugeruje, że jego cel jest inny. Może być nim na przykład ukrycie braku rzeczywistego argumentu i próba przemycenia subiektywnego punktu widzenia pod przykrywką obiektywnie brzmiącej etykiety. Słówko 'naturalny' brzmi bowiem lepiej niż nawet 'intuicyjny'. Wydaje się być znacznie precyzyjniejsze (intuicje są przecież mgliste) i sprawia wrażenie odwoływania do pozornie uniwersalnych kryteriów (w przeciwieństwie do subiektywnych intuicji).
Zwykle jednak to tylko złudzenie, ukrywające brak dobrego uzasadnienia dla swoich twierdzeń. Zatem nie mów mi, co jest naturalne. Magiczne zaklęcia nie zastąpią braku rzetelnych argumentów.

Etykiety też mają adresy

Natrafiłem niedawno na kapitalną ciekawostkę, sponsorowaną przez literkę C - język C, rzecz jasna. A jeśli już o C mowa, to jednym z pierwszym skojarzeń są oczywiście wskaźniki; prawdopodobnie nie jest ono zresztą specjalnie pozytywne ;) Wśród nich mamy wskaźniki na funkcje, które znane są z kilku nieocenionych zastosowań (weźmy na przykład funkcję qsort), ale przede wszystkim z pokrętnej i niezbyt oczywistej składni.

Zalecam jednak przypomnienie jej sobie, bo dzisiaj będzie właśnie o wskaźnikach na funkcje, tyle że pokazujących na... etykiety. Tak, te właśnie etykiety (labels), które normalnie są celem instrukcji goto - złej, niezalecanej, i tak dalej. Okazuje się bowiem, że etykiety też mają swoje adresy, które w dodatku można pobrać i wykorzystać jako wskaźniki:

Wymagany jest do tego podwójny znak ampersandu (&), co można traktować jako osobny operator lub rodzaj specjalnej składni... W każdym razie jest on konieczny, aby kompilator wiedział, że następująca dalej nazwa jest etykietą. Mają one bowiem swoją własną przestrzeń nazw, co oznacza, że możliwe jest występowanie np. zmiennej start i etykiety start w tym samym zasięgu.
Przykładowym wynikiem działania programu jest poniższa linijka:

first = 0x4004f8, second = 0x4004f8, last = 0x400519

Pierwsze dwa adresy są sobie równe i nie powinno to właściwie być zaskakujące. Jak można się bowiem łatwo domyślić, adresy etykiet to w istocie adresy instrukcji, które są nimi opatrzone. Dla osób programujących w asemblerze powinno być to dziwnie znajome :) W powyższym przykładzie zarówno first, jak i second mają adresy odpowiadające położeniu w pamięci kodu wywołania funkcji printf.

Wróćmy jednak do wspomnianych wcześniej wskaźników na funkcje. Mając bowiem pobrany adres etykiety, możemy go przypisać do takiego właśnie wskaźnika. Dzięki temu możemy etykiety możemy "wywoływać", i to nawet z innych funkcji!
Jak to jednak w ogóle działa? Ilustruje to poniższy przykład, w którym funkcja wywołuje w ten sposób sama siebie:

Po pobieżnym przyjrzeniu się widać, że jest to zwykłe liniowe przeszukiwanie tablicy, w dodatku w sposób który wygląda na rekurencyjny... Jest to jednak specjalny rodzaj tzw. rekurencji ogonowej (tail recursion). Występuje ona wówczas, gdy wywołanie rekurencyjne jest ostatnią instrukcją funkcji. Taki przypadek może być wówczas zoptymalizowany przez co sprytniejsze kompilatory poprzez wyeliminowanie konieczności ponownego odkładania argumentów na stos. Kolejny poziom rekursji wykorzystuje po prostu te same argumenty - jest to możliwe, o ile nie ma konieczności rekurencyjnych powrotów i składania kolejnych wyników.
W powyższym przykładzie rekursja ogonowa występuje jednak niezależnie od jakichkolwiek optymalizacji, gdyż jest ona zawarta w "wywołaniu" etykiety top. Chociaż pozornie wygląda to jak wywołanie funkcji, nie powoduje utworzenia dodatkowej ramki stosu ani ponownego odłożenia na nim argumentów. Docelowa "funkcja" operuje na istniejącym stosie. W istocie więc mamy tu do czynienia z pewną wersją instrukcji goto, czyli zwykłego skoku.

Ciekawiej zaczyna się robić wtedy, gdy spróbujemy "wywołać" etykietę z innej funkcji, co - jak wspomniałem - jest zupełnie możliwe. Możliwe jest wówczas gładkie przekazanie jej wszystkich parametrów oraz zmiennych lokalnych, co automatycznie podpada pod kategorię Rzeczy Podejrzanych i Potencjalnie Niebezpiecznych :) Niemniej jednak jest to możliwe:

Powyższy program przekazuje swoje argumenty do funkcji process (która je wypisuje) mimo iż zupełnie tego nie widać w jej wywołaniu. Zresztą normalne wywołanie tej funkcji jedynie zwraca adres jej etykiety, pod który później skaczemy z maina bez dokładania nowej ramki do stosu.

W tym kodzie jest też kilka innych smaczków (jak chociażby rola zmiennej foo), których odkrycie pozostawiam jednak co bardziej dociekliwym czytelnikom :) Zaznaczę tylko, że cała ta (chyba) niezbyt praktyczna zabawa z pobieraniem adresów etykiet jest w gruncie rzeczy rozszerzeniem GCC i nie jestem pewien, czy będzie działać w jakimkolwiek innym kompilatorze.

Implementacja przeciągania

Przedstawię dzisiaj dość elementarną technikę, związaną z szeroką pojętym programowaniem grafiki - a zwłaszcza interfejsów użytkownika. Chodzi o nic innego jak przeciąganie (dragging), czyli przemieszczanie różnych elementów za pomocą myszy czy innego urządzenia wskazującego (np. palca ;]). Celowo nie dodałem tutaj drugiej połowy procesu znanego jako drag & drop - czyli upuszczania - bo nie mam w ogóle na myśli potencjalnie zaawansowanej logiki związanej z wymianą danych reprezentowanych przez przeciągany obiekt. Przeciwnie; chodzi mi wyłącznie o samo przesuwanie go po ekranie. Rezultatem (niekoniecznie jedynym, rzecz jasna) ma być po prostu zmiana jego położenia.

W zaawansowanych systemach GUI rozwiązanie sprowadza się najczęściej do instrukcji w rodzaju obj.Draggable = true;, a cała reszta odbywa się "automagicznie". Załóżmy jednak, że nie mamy zaawansowanego systemu GUI i dysponujemy jedynie możliwością rysowania oraz odbierania zdarzeń od wskaźnika myszy. Nie jest to wcale rzadka sytuacja: żeby nie szukać daleko, wystarczy cofnąć się o tydzień do opisu elementu <canvas> z HTML5 :) W ogólności dotyczy to jakiejkolwiek "czystej" biblioteki graficznej: OpenGL, DirectX, SDL, itp.
Doprecyzujmy jeszcze to, iż "odbieranie zdarzeń od myszy" obejmuje tak naprawdę poniższe trzy zdarzenia (lub ich odpowiedniki dla innych - np. dotykowych - sposobów wskazywania):

• wciśnięcie przycisku myszy - zdarzenie odbierane zwykle jako MouseDown
• ruch wskaźnikiem - MouseMove
• zwolnienie przycisku - MouseUp

Nietrudno zauważyć, że całkowicie wystarczają one do implementacji przeciągania. Jak więc miałaby ona wyglądać?

Canvas, czyli programowanie grafiki w HTML

Spośród wielu nowości wprowadzonych w HTML5, API do rysowania dwuwymiarowej grafiki rastrowej bez użycia wtyczek typu Flash jest z pewnością jednym z najbardziej interesujących. Wielu zresztą twierdzi (wliczając w to prominentne figury świata IT), że zwiastuje to początek końca wspomnianych pluginów. Czy rzeczywiście tak będzie, to oczywiście zobaczymy w niedalekiej przyszłości. Już teraz jednak można zobaczyć liczne przykłady na to, że technologia ta oferuje naprawdę spore możliwości.

W ramach zapoznawania się z poszczególnymi składowymi HTML5, nie mogłem więc nie przyjrzeć się bliżej elementowi <canvas> - bo to o nim oczywiście mowa. Tradycyjnym testem dla tego rodzaju rozwiązań (tj. graficznych bibliotek 2D), który zawsze staram się zaimplementować na początku, jest... chmara odbijających się piłeczek :) Nie inaczej było i w tym przypadku, czego efekty zamieszczam tutaj wraz z krótkim opisem i wprowadzeniem w podstawy Canvasa.

Automatyzacja językami programowania

Zwykłego użytkownika od power usera dobrze odróżnia sposób radzenia sobie z powtarzalnymi zadaniami. Perspektywa zmiany nazwy N plików, skonwertowania N obrazków czy skatalogowania N utworów muzycznych jest odstręczająca już dla niewielkich wartości N, jeśli mielibyśmy wykonywać te czynności ręcznie. Zaawansowany użytkownik w tym celu zakasze jednak rękawy i wysmaży odpowiedni skrypt, który może nie będzie działał od razu, ale za to w końcu poradzi sobie z zadaniem całkowicie automatycznie. Niekoniecznie musi to w sumie zająć mniej czasu niż procedura ręczna, ale na pewno będzie mniej męczące :)

Dlatego też niemal zawsze staram się wybierać programową automatyzację. Wiąże się z tym jednak pewien problem. Otóż języki powłok systemowych (shelli) to nie jest coś, z czym koder ma intensywny kontakt na co dzień. Należą one raczej do obszaru zainteresowań administratorów. W związku z tym wyprodukowanie jakiegoś działającego kawałka skryptu jest często poprzedzone co najmniej krótkim przypominaniem sobie składni i semantyki danego języka. Zasadniczo jest to strata czasu lub - wyrażając się nieco inaczej - czynnik zwiększający minimalną wartość N, od której automatyzacja ma sens.

Ale jeśli nie języki shellowe, to co? Ano to, czego używamy na co dzień, czyli zwykłe języki programowania. Tu niestety nie ma sprawiedliwości: niektóre z nich nadają się do zadania nieporównywalnie lepiej niż inne. Część tych drugich ma swoje interpretowane, skryptowe wersje; przykładem jest choćby javowy BeanShell. Ich odpowiedniość do wersji pełnych nie jest jednak wcale zapewniona. Inne języki zwyczajnie nie mają podobnych narzędzi i zostawiają nas z koniecznością wyprodukowania kompletnego programu.
Tutaj ujawnia się przewaga Perla, Pythona, Ruby'ego i podobnych im języków interpretowanych, które nie wymagają do uruchomienia niczego poza plikiem z "czystym" kodem. Jest to dokładnie taka sama sytuacja, jak w przypadku basha czy innych języków powłoki. Korzyść jest jednak oczywista, jeśli tylko któryś z tych języków jest nam znany: nie ma tu bariery składniowej.

Nie znaczy to oczywiście, że jeśli ktoś potrafi jednym zaklęciem złożonym z ls, xargs i grepa przetworzyć tysiąc plików tekstowych, to powinien porzucić tę sztukę i zwrócić się ku Prawdziwemu Programowaniu™. Zapewne też dobry programista będzie potrafił w końcu wyprodukować ową magiczną formułę, pod warunkiem spędzenia odpowiednio długiego czasu nad stronami mana. Jeśli jednak alternatywą jest napisanie kilkunastu linijek w znanym sobie języku, które zrobią to samo, będą miały spore szanse działać za pierwszym razem i zajmą w sumie co najwyżej kilka minut... to czemu nie? Warto korzystać ze swoich umiejętności nie tylko w ich ściśle ograniczonym obszarze zastosowań.

A jeśli przypadkiem ktoś właśnie zechciał akurat nauczyć się któregoś z wymienionych ze mnie języków, to... tak, polecam Pythona :)