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Konzept für einen Vortrag
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:author: Ichthyostega
:date: 15.5.2024


Alt werden mit C++
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Langlebige Software.
Software lebt solange sie änderbar ist.
OpenSource-Software muß von sich aus am Leben bleiben.

Projekt Lumiera als Beispiel für ein ambitioniertes Projekt, das auf Langlebigkeit abstellt.

Entscheidung für eine Plattform ist im Kern eine Entscheidung für ein Ökosystem.
Ein langlebiges Projekt muß auf Autonomie und Handlungsfähigkeit achten.
Daher scheiden die meisten zunächst offensichtlichen und beliebten Plattformen aus.

Für Lumiera hat man sich damals für C++ in einem Unix-Umfeld entschieden.
Realistische andere Optionen wären noch gewesen: D, Java, plain-C, Haskell.
Einmal getroffen, ist eine solche Entscheidung mehr oder weniger endgültig.
Denn jede der großen Programmiersprachen steht auch für eine bestimmte
Denkhaltung und Herangehensweise.

Der Charakter jeder Sprache, und die damit verbundenen Methoden entwickeln sich weiter.


Nachfolgend sei dies am Beispiel der Erfahrungen im Projekt Lumiera mit der Sprache C++
nachgezeichnet, exemplarisch anhand zentraler Entwicklungslinien.


Software bleibt nur änderbar, wenn sie mit den beschränkten menschlichen Fähigkeiten
im Einklang ist. Das gilt, sofern Software von Menschen und für Menschen gebaut wird.
Die wichtigste Beschränkung liegt dabei in der Fähigkeit, die Folgen von Änderungen
zu verstehen und zu beherrschen. Das wird ermöglicht durch den sachgemäßen Ansatz
von Abstraktionen.

Durch einen Interface-Kontrakt wird die Implementierung zum Detail, und damit lokal
änderbar. Sprachmittel: Vererbung. Tendentiell problematisch, aber gut verstanden
und weitgehend stabil. Tendenz: zunehmende Betonung von Modularität in Kontrakten,
realisiert als Mix-in

Schwachstelle von Kontrakten: man muß das Verhalten festlegen. Damit dringt man in
die Implementierung ein und braucht entsprechende Ausdrucksmittel. Der vorherrschende
Ansatz hierfür war in den letzten 20 Jahren die Trennung von Infrastruktur und Funktionalität.
Ein Stück Funktionalität wird zu einem abstrakten Element, das in einen Kontrakt eingebunden
werden kann.

Die Sprachmittel in C++ waren dafür wenig geeignet und problematisch: im Grunde haben wir
bis heute nur Funktions-Pointer. Jedoch hat C++ durch seine Klassen und das Typsystem eine
ausgeprägte Stärke im Bauen neuer Abstraktionen. Die Boost-Libraries haben daraus ein neues
Sprachmittel geschaffen: Funktions-Objekte.

In der Praxis war der Weg dorthin mühsam und erforderte viele work-arounds. Das führt dazu,
daß im bestehenden Code eine Menge von Hilfsmitteln entsteht, die aufeinander aufbauen und
weithin im Einsatz sind. Und dann kam C++11 mit einem neuen Sprachmittel: den Lambda-Ausdrücken.
Diese stehen gleichberechtigt neben den Funktionsobjekten.
Unterschiede Funktions-Objekt vs Lambda.

Die Entkopplung von Infrastruktur und Funktionalität führt dazu, daß zunehmend auch die
Operationen von den Daten entkoppelt werden müssen. Ein Funktions-Objekt, das gut per Kontrakt
in eine Infrastruktur eingebunden ist, könnte viele weitere Anwendungen abdecken, wenn man es
von den konkreten Argument-Daten abstrahieren könnte. So entsteht die Forderung nach Funktionen
auf generischen Argumenten.

Auch hierfür waren die vorhandenen Sprachmittel unzulänglich, und ziemlich clevere Tricks kamen
flächendeckend zum Einsatz: vor allem die partielle Spezialisierung von Templates.
Draus entsteht in einer größeren Code-Basis eine interne Binding-Schicht, die erhebliche
Probleme bei der Wartung aufwirft.

Währenddessen entwickelte sich die Sprache weiter. Mithilfe der RValue-References wurde das
transparente Durchreichen von Argumenten möglich. Die hierfür notwendigen semantischen Anpassungen
sind subtil und tückisch. Eine schrittweise Umstellung einer großen Codebasis ist ein langlaufender
Vorgang und eine organisatorische Herausforderung.

Oft muß man aber Argumente nicht nur durchreichen, sondern eine generische Funktion muß
Eigenschaften ihrer Argumente verstehen und sich daran anpassen können. In den meisten älteren
Programmiersprachen scheitert an dieser Forderung die gesamte Weiterentwicklung in Richtung einer
Funktions-Abstraktion. Zum Glück (oder leider) galt das nicht für C++, denn während der Standardisierung
der Sprache sind einige Design-Unfälle passiert, deren anfangs gar nicht intendiertes Verhalten in
den Compilern dazu verwendet werden konnte, diese »Schallmauer« zu durchbrechen. Gemeint ist die
Template-Metaprogamierung, eine Art »schwarze Magie«, mit der man eine funktionale Hilfs-Sprache
während dem Compilier-Prozess ausführen lassen kann.

Warum läßt man sich auf schwarze Magie ein? Antwort: weil man dadurch mächtiger wird.
Die Sprachmittel werden ausdrucksstärker. Mit wenigen Zeilen Code kann man eine komplexe
Funktionalität zuverlässig und sicher realisieren. Dadurch gewinnt man Zeit, über die eigentlichen
Anforderungen nachzudenken. Man geht damit aber technische Schulden ein: der Umgang mit der
Codebasis erfordert vertiefte Kenntnisse, und einen mathematisch-geprägten Denkstil.

Trotzdem war diese Entwicklung derart enorm erfolgreich, daß das C++ - Komittee ihr
gefolgt ist, und die Aufgabe angenommen hat, die historisch gewachsene schwarze Magie in
klar definierte und sauber verwendbare Sprachmittel inkrementell weiter zu entwickeln.

- Varidadics
- Concepts

Wenn man diese Aufgabe ernst nimmt, darf man sich nicht damit begnügen, einen pragmatischen Gebrauch
zu codifizieren und syntaktisch nett zu verpacken. Vielmehr sind neue Sprachmittel gefordert, die
sich zwar in den Stil der Sprache nahtlos einfügen, und auch das gleiche leisten wie die pragmatisch
gewachsene Lösung, aber dennoch auf einer neuen Basis stehen, klar definiert und leichter korrekt
verwendbar sind. Das ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe; das Ergebnis ist erstaunlich, hat aber
auch sehr lange gedauert und ist in einigen Teilaspekten immer noch unfertig.

Das bedeutet: man muß lange Zeit mit einer Mischung aus magischen Lösungen und der neuen
Standard-Lösung leben. Beide koexistieren, sind aber untereinander nicht kompatibel, obgleich
sie beide den gleichen Zweck erfüllen. Das erzeugt eine schwierige Situation in einer großen
Codebasis: zusammenhängende Systeme ziehen sich über weite Strecken durch den Code, und
stützen sich jeweils auf eine Menge von Hilfsmitteln ab, die untereinander nicht austauschbar
sind.

Beispiele
- Loki-Typlisten vs. Variadic Arguments
- Type-Traits vs. Concepts