Konzept für einen Vortrag ========================= :author: Ichthyostega :date: 15.5.2024 Alt werden mit C++ ------------------ Software lebt solange sie änderbar ist. Für langlebige Software ist der Charakter der Programmiersprache bedeutsam. Der Charakter jeder Sprache, und die damit verbundenen Methoden entwickeln sich weiter. Daraus entsteht eine Wechselwirkung mit einer bestehenden Codebasis, die sich ebenfalls weiterentwickelt. Exemplarisch sei dies am Beispiel der Erfahrungen im Projekt Lumiera mit der Sprache C++ nachgezeichnet. In diesem OpenSource-Projekt wird Software für professionellen Film/Videoschnitt entwickelt. 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. Software bleibt nur änderbar, wenn sie mit den beschränkten menschlichen Fähigkeiten im Einklang steht. 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 in der Praxis derart erfolgreich, daß das C++ - Komittee ihr gefolgt ist, und die Aufgabe übernommen 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 historisch 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 Da die jeweiligen Alternativen den gleichen Zweck auf unterschiedlichem Weg erreichen, kann eine Umstellung herausfordernd sein und läuft auf eine Überarbeitung etablierter Infrastrukturen hinaus. Daraus erwächst aber auch die Chance, in der Codebasis weithin etablierte Lösungen zu hinterfragen und weiterzuentwickeln.