Чистая архитектура. Искусство разработки программного обеспечения

2018

Переводчик А. Макарова

Технический редактор Н. Суслова

Литературный редактор Е. Герасимова

Художники Л. Егорова, С. Заматевская, Р. Яцко

Корректоры С. Беляева, Н. Викторова

ISBN 978-5-4461-0772-8

© ООО Издательство "Питер", 2018

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Посвящается моей любимой супруге, моим четырем замечательным детям и их семьям, включая пятерых внуков – радость моей жизни

Предисловие

О чем мы говорим, когда обсуждаем архитектуру?

Так же как любая метафора, описание программного обеспечения с точки зрения архитектуры может что-то скрыть, а что-то, наоборот, проявить; может обещать больше, чем давать, и давать больше, чем обещать.

Очевидная привлекательность архитектуры – это структура. А структура – это то, что доминирует над парадигмами и суждениями в мире разработки программного обеспечения – компонентами, классами, функциями, модулями, слоями и службами, микро или макро. Но макроструктура многих программных систем часто пренебрегает убеждениями или пониманием – организация советских предприятий, невероятные небоскребы-башни Дженга, достигающие облаков, археологические слои, залегающие в горной породе. Структура программного обеспечения не всегда интуитивно очевидна, как структура зданий.

Здания имеют очевидную физическую структуру, независимо от материала, из которого они построены, от их высоты или ширины, от их назначения и от наличия или отсутствия архитектурных украшений. Их структура мало чем отличается – в значительной мере она обусловлена законом тяготения и физическими свойствами материалов. Программное обеспечение, напротив, никак не связано с тяжестью, кроме чувства серьезности. И из чего же сделано программное обеспечение? В отличие от зданий, которые могут быть построены из кирпича, бетона, дерева, стали и стекла, программное обеспечение строится из программных компонентов. Большие программные конструкции создаются из меньших программных компонентов, которые, в свою очередь, построены из еще более мелких программных компонентов, и т. д., вплоть до основания.

Говоря об архитектуре, можно сказать, что программное обеспечение по своей природе является фрактальным и рекурсивным, выгравированным и очерченным в коде. Здесь важны все детали. Переплетение уровней детализации также вносит свой вклад в архитектуру, но бессмысленно говорить о программном обеспечении в физических масштабах. Программное обеспечение имеет структуру – множество структур и множество их видов, – но их разнообразие затмевает диапазон физических структур, которые можно увидеть на примере зданий. Можно даже довольно убедительно утверждать, что при проектировании программного обеспечения архитектуре уделяется куда больше внимания, чем при проектировании зданий, – в этом смысле архитектура программного обеспечения является более многообразной, чем архитектура зданий!

Но физический масштаб привычнее людям, и они часто ищут его в окружающем мире. Несмотря на привлекательность и визуальную очевидность, прямоугольники на диаграммах PowerPoint не являются архитектурой программного обеспечения. Да, они представляют определенный взгляд на архитектуру, но принимать прямоугольники за общую картину, отражающую архитектуру, значит не получить ни общей картины, ни понятия об архитектуре: архитектура программного обеспечения ни на что не похожа. Конкретный способ визуализации – не более чем частный выбор. Этот выбор основан на следующем наборе вариантов: что включить; что исключить; что подчеркнуть формой или цветом; что, наоборот, затенить. Никакой взгляд не имеет никаких преимуществ перед другим.

Возможно, нет смысла говорить о законах физики и физических масштабах применительно к архитектуре программного обеспечения, но мы действительно учитываем некоторые физические ограничения. Скорость работы процессора и пропускная способность сети могут вынести суровый приговор производительности. Объем памяти и дискового пространства может ограничить амбиции любого программного кода. Программное обеспечение можно сравнить с такой материей, как мечты, но ему приходится работать в реальном, физическом мире.

В любви, дорогая, чудовищна только безграничность воли, безграничность желаний, несмотря на то, что силы наши ограничены, а осуществление мечты – в тисках возможности.

Вильям Шекспир^[1]

Физический мир – это мир, в котором мы живем, в котором находятся и действуют наши компании и экономика. Это дает нам другой подход к пониманию архитектуры программного обеспечения, позволяющий говорить и рассуждать не в терминах физических законов и понятий.

Архитектура отражает важные проектные решения по формированию системы, где важность определяется стоимостью изменений.

Гради Буч

Время, деньги, трудозатраты – вот еще одна система координат, помогающая нам различать большое и малое и отделять относящееся к архитектуре от всего остального. Она также помогает дать качественную оценку архитектуре – хорошая она или нет: хорошая архитектура отвечает потребностям пользователей, разработчиков и владельцев не только сейчас, но и продолжит отвечать им в будущем.

Если вы думаете, что хорошая архитектура стоит дорого, попробуйте плохую архитектуру.

Брайан Фут и Джозеф Йодер

Типичные изменения, происходящие в процессе разработки системы, не должны быть дорогостоящими, сложными в реализации; они должны укладываться в график развития проекта и в рамки дневных или недельных заданий.

Это ведет нас прямиком к большой физической проблеме: путешествиям во времени. Как узнать, какие типичные изменения будут происходить, чтобы на основе этого знания принять важные решения? Как уменьшить трудозатраты и стоимость разработки без машины времени и гадания на кофейной гуще?

Архитектура – это набор верных решений, которые хотелось бы принять на ранних этапах работы над проектом, но которые не более вероятны, чем другие.

Ральф Джонсон

Анализ прошлого сложен; понимание настоящего в лучшем случае переменчиво; предсказание будущего нетривиально.

К цели ведет много путей.

На самом темном пути подстерегает мысль, что прочность и стабильность архитектуры зависят от строгости и жесткости. Если изменение оказывается слишком дорогостоящим, оно отвергается – его причины отменяются волевым решением. Архитектор имеет полную и безоговорочную власть, а архитектура превращается в антиутопию для разработчиков и постоянный источник недовольств.

От другого пути исходит сильный запах спекулятивной общности. Он полон догадок, бесчисленных параметров, могильников с «мертвым» кодом и на нем подкарауливает множество случайных сложностей, способных покачнуть бюджет, выделенный на обслуживание.

Но самый интересный – третий, чистый путь. Он учитывает природную гибкость программного обеспечения и стремится сохранить ее как основное свойство системы. Он учитывает, что мы оперируем неполными знаниями и, будучи людьми, неплохо приспособились к этому. Он играет больше на наших сильных сторонах, чем на слабостях. Мы создаем что-то и совершаем открытия. Мы задаем вопросы и проводим эксперименты. Хорошая архитектура основывается скорее на понимании движения к цели как непрерывного процесса исследований, а не на понимании самой цели как зафиксированного артефакта.

Архитектура – это гипотеза, которую требуется доказать реализацией и оценкой.

Том Гилб

Чтобы пойти по этому пути, нужно быть усердным и внимательным, нужно уметь думать и наблюдать, приобретать практические навыки и осваивать принципы. Сначала кажется, что это долгий путь, но в действительности все зависит от темпа вашей ходьбы.

Поспешай не торопясь.

Роберт С. Мартин

Получайте удовольствие от путешествия.

Кевлин Хенни

май, 2017

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

На веб-сайте издательства www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.

Вступление

Эта книга называется «Чистая архитектура». Смелое название. Кто-то посчитает его самонадеянным. Почему я решил написать эту книгу и выбрал такое название?

Свою первую строку кода я написал в 1964 году, в 12 лет. Сейчас на календаре 2016-й, то есть я пишу код уже больше полувека. За это время я кое-что узнал о структурировании программных систем, и мои знания, как мне кажется, многие посчитали бы ценными.

Я приобрел эти знания, создав множество систем, больших и маленьких. Я создавал маленькие встраиваемые системы и большие системы пакетной обработки, системы реального времени и веб-системы, консольные приложения, приложения с графическим интерфейсом, приложения управления процессами, игры, системы учета, телекоммуникационные системы, инструменты для проектирования, графические редакторы и многое, многое другое.

Я писал однопоточные и многопоточные приложения, приложения с несколькими тяжеловесными процессами и приложения с большим количеством легковесных процессов, многопроцессорные приложения, приложения баз данных, приложения для математических вычислений и вычислительной геометрии и многие, многие другие.

Я написал очень много приложений, я создал очень много систем. И благодаря накопленному опыту я пришел к потрясающему выводу:

Все архитектуры подчиняются одним и тем же правилам!

Потрясающему, потому что все системы, в создании которых я участвовал, радикально отличались друг от друга. Почему архитектуры таких разных систем подчиняются одним и тем же правилам? Я пришел к выводу, что правила создания архитектур не зависят от любых других переменных.

Этот вывод кажется еще более потрясающим, если вспомнить, как изменились компьютеры за те же полвека. Я начинал программировать на машинах размером с холодильник, имевших процессоры с тактовой частотой в полмегагерца, 4 Кбайт оперативной памяти, 32 Кбайт дисковой памяти и интерфейс телетайпа со скоростью передачи данных 10 символов в секунду. Это вступление я написал в автобусе, путешествуя по Южной Африке. Я использовал MacBook, оснащенный процессором i7 с четырьмя ядрами, каждое из которых действует на тактовой частоте 2,8 ГГц, имеющий 16 Гбайт оперативной памяти, 1 Тбайт дисковой памяти (на устройстве SSD) и дисплей с матрицей 2880×1800, способный отображать высококачественное видео. Разница в вычислительной мощности умопомрачительная. Любой анализ покажет, что этот MacBook по меньшей мере в 1022 раз мощнее ранних компьютеров, на которых я начинал полвека назад.

Двадцать два порядка – очень большое число. Это число ангстремов от Земли до альфы Центавра. Это количество электронов в мелких монетах в вашем кармане или кошельке. И еще это число описывает, во сколько раз (как минимум) увеличилась вычислительная мощность компьютеров на моем веку.

А как влиял рост вычислительной мощности на программы, которые мне приходилось писать? Определенно они стали больше. Раньше я думал, что 2000 строк – это большая программа. В конце концов, такая программа занимала полную коробку перфокарт и весила 4,5 килограмма. Однако теперь программа считается по-настоящему большой, только если объем кода превысит 100 000 строк.

Программное обеспечение также стало значительно более производительным. Сегодня мы можем быстро выполнять такие вычисления, о которых и не мечтали в 1960-х. В произведениях The Forbin Project^[2], The Moon Is a Harsh Mistress^[3] и 2001: A Space Odyssey^[4] была сделана попытка изобразить наше текущее будущее, но их авторы серьезно промахнулись. Все они изображали огромные машины, обладающие чувствами. В действительности мы имеем невероятно маленькие машины, которые все же остаются машинами.

И еще одно важное сходство современного программного обеспечения и прошлого программного обеспечения: и то и другое сделано из того же материала. Оно состоит из инструкций if, инструкций присваивания и циклов while.

Да, вы можете возразить, заявив, что современные языки программирования намного лучше и поддерживают превосходящие парадигмы. В конце концов, мы программируем на Java, C# или Ruby и используем объектно-ориентированную парадигму. И все же программный код до сих пор состоит из последовательностей операций, условных инструкций и итераций, как в 1950-х и 1960-х годах.

Внимательно рассмотрев практику программирования компьютеров, вы заметите, что очень немногое изменилось за 50 лет. Языки стали немного лучше. Инструменты стали фантастически лучше. Но основные строительные блоки компьютерных программ остались прежними.

Если взять программиста из 1966 года, переместить ее^[5] в 2016-й, посадить за мой MacBook, запустить IntelliJ и показать ей Java, ей потребовались бы лишь сутки, чтобы оправиться от шока. А затем она смогла бы писать современные программы. Язык Java не сильно отличается от C или даже от Fortran.

И если вас переместить обратно в 1966-й год и показать, как писать и править код на PDP-8, пробивая перфокарты на телетайпе, поддерживающем скорость 10 символов в секунду, вам также могут понадобиться сутки, чтобы оправиться от разочарования. Но потом и вы смогли бы писать код. Сам код мало бы изменился при этом.

В этом весь секрет: неизменность принципов программирования – вот причина общности правил построения программных архитектур для систем самых разных типов. Правила определяют последовательность и порядок компоновки программ из строительных блоков. И поскольку сами строительные блоки являются универсальными и не изменились с течением времени, правила их компоновки также являются универсальными и постоянными.

Начинающие программисты могут подумать, что все это чепуха, что в наши дни все совсем иначе и лучше, что правила прошлого остались в прошлом. Если они действительно так думают, они, к сожалению, сильно ошибаются. Правила не изменились. Несмотря на появление новых языков, фреймворков и парадигм, правила остались теми же, как во времена, когда в 1946-м Алан Тьюринг написал первый программный код.

Изменилось только одно: тогда, в прошлом, мы не знали этих правил. Поэтому нарушали их снова и снова. Теперь, с полувековым опытом за плечами, мы знаем и понимаем правила.

Именно об этих правилах – не стареющих и не изменяющихся – рассказывает эта книга.

Благодарности

Ниже перечислены все (не в каком-то определенном порядке), кто сыграл важную роль в создании этой книги:

Крис Гузиковски (Chris Guzikowski)

Крис Зан (Chris Zahn)

Мэтт Хойзер (Matt Heuser)

Джефф Оверби (Jeff Overbey)

Мика Мартин (Micah Martin)

Джастин Мартин (Justin Martin)

Карл Хикман (Carl Hickman)

Джеймс Греннинг (James Grenning)

Симон Браун (Simon Brown)

Кевлин Хенни (Kevlin Henney)

Джейсон Горман (Jason Gorman)

Дуг Бредбери (Doug Bradbury)

Колин Джонс (Colin Jones)

Гради Буч (Grady Booch)

Кент Бек (Kent Beck)

Мартин Фаулер (Martin Fowler)

Алистер Кокберн (Alistair Cockburn)

Джеймс О. Коплиен (James O. Coplien)

Тим Конрад (Tim Conrad)

Ричард Ллойд (Richard Lloyd)

Кен Финдер (Ken Finder)

Крис Ивер (Kris Iyer (CK))

Майк Карев (Mike Carew)

Джерри Фицпатрик (Jerry Fitzpatrick)

Джим Ньюкирк (Jim Newkirk)

Эд Телен (Ed Thelen)

Джо Мейбл (Joe Mabel)

Билл Дегнан (Bill Degnan)

И многие другие.

Когда я просматривал книгу в окончательном варианте и перечитывал главу о кричащей архитектуре, передо мной стоял образ улыбающегося Джима Уэрича (Jim Weirich) и в ушах слышался его звонкий смех. Удачи тебе, Джим!

Об авторе

Роберт С. Мартин (Robert C. Martin), известный также как «дядюшка Боб» (Uncle Bob), профессионально занимается программированием с 1970 года. Сооснователь компании cleancoders.com, предлагающей видеоуроки для разработчиков программного обеспечения, и основатель компании Uncle Bob Consulting LLC, оказывающей консультационные услуги и услуги по обучению персонала крупным корпорациям. Служит мастером в консалтинговой фирме 8th Light, Inc. в городе Чикаго. Опубликовал десятки статей в специализированных журналах и регулярно выступает на международных конференциях и демонстрациях. Три года был главным редактором журнала C++ Report и первым председателем Agile Alliance.

Мартин написал и выступил редактором множества книг, включая The Clean Coder^[6], Clean Code^[7], UML for Java Programmers, Agile Software Development^[8], Extreme Programming in Practice, More C++ Gems, Pattern Languages of Program Design 3 и Designing Object Oriented C++ Applications Using the Booch Method».

I. Введение

Чтобы написать действующую программу, не нужно много знать и уметь. Дети в школе делают это постоянно. Юноши и девушки в колледжах начинают свой бизнес, вырастающий до стоимости в миллиарды долларов, написав несколько строк кода на PHP или Ruby. Начинающие программисты в офисах по всему миру перелопачивают горы требований, хранящихся в гигантских баг-трекерах, и вносят исправления, чтобы заставить свои системы «работать». Возможно, они пишут не самый лучший код, но он работает. Он работает, потому что заставить что-то работать – один раз – не очень сложно.

Создать программу, которая будет работать правильно, – совсем другое дело. Написать правильную программу сложно. Для этого необходимы знания и умения, которые молодые программисты еще не успели приобрести. А чтобы приобрести их, требуется мыслить и анализировать, на что у многих программистов просто нет времени. Это требует такой самодисциплины и организованности, которые не снились большинству программистов. А для этого нужно испытывать страсть к профессии и желание стать профессионалом.

Но когда создается правильный программный код, происходит что-то необычное: вам не требуются толпы программистов для поддержки его работоспособности. Вам не нужна объемная документация с требованиями и гигантские баг-трекеры. Вам не нужны огромные опенспейсы, работающие круглые сутки без выходных.

Правильный программный код не требует больших трудозатрат на свое создание и сопровождение. Изменения вносятся легко и быстро. Ошибки немногочисленны. Трудозатраты минимальны, а функциональность и гибкость – максимальны.

Да, такое представление кажется утопическим. Но я видел это воочию. Я участвовал в проектах, где дизайн и архитектура системы упрощали их создание и сопровождение. У меня есть опыт работы в проектах, потребовавших меньшего числа участников, чем предполагалось. Мне довелось работать над системами, в которых ошибки встречались удивительно редко. Я видел, какой невероятный эффект оказывает хорошая архитектура на систему, проект и коллектив разработчиков. Я был на земле обетованной.

Но я не прошу верить мне на слово. Оглянитесь на свой опыт. Случалось ли у вас что-то противоположное? Доводилось ли вам работать над системами с настолько запутанными и тесными связями, что любое изменение, независимо от сложности, требовало недель труда и было сопряжено с огромным риском? Испытывали ли вы сопротивление плохого кода и неудачного дизайна? Приходилось ли вам видеть, как дизайн системы оказывал отрицательное влияние на моральный дух команды, доверие клиентов и терпение руководителей? Доводилось ли вам оказываться в ситуации, когда отделы, подразделения и целые компании становились жертвами неудачной архитектуры их программного обеспечения? Были ли в аду программирования?

Я был, и многие из нас были там. В нашей среде чаще встречается опыт борьбы с плохим дизайном, чем получение удовольствия от воплощения хорошо продуманной архитектуры.

1. Что такое дизайн и архитектура?

За долгие годы вокруг понятий «дизайн» и «архитектура» накопилось много путаницы. Что такое дизайн? Что такое архитектура? Чем они различаются?

Одна из целей этой книги – устранить весь этот беспорядок и определить раз и навсегда, что такое дизайн и архитектура. Прежде всего, я утверждаю, что между этими понятиями нет никакой разницы. Вообще никакой.

Слово «архитектура» часто используется в контексте общих рассуждений, когда не затрагиваются низкоуровневые детали, а слово «дизайн» обычно подразумевает организацию и решения на более низком уровне. Но такое разделение бессмысленно, когда речь идет о том, что делает настоящий архитектор.

Возьмем для примера архитектора, спроектировавшего мой новый дом. Этот дом имеет архитектуру? Конечно! А в чем она выражается? Ну… это форма дома, внешний вид, уступы, а также расположение комнат и организация пространства внутри. Но когда я рассматривал чертежи, созданные архитектором, я увидел на них массу деталей. Я увидел расположение всех розеток, выключателей и светильников. Я увидел, какие выключатели будут управлять теми или иными светильниками. Я увидел, где будет находиться узел отопления, а также местоположение и размеры водонагревательного котла и насоса. Я увидел подробное описание, как должны конструироваться стены, крыша и фундамент.

Проще говоря, я увидел все мелкие детали, поддерживающие все высокоуровневые решения. Я также увидел, что низкоуровневые детали и высокоуровневые решения вместе составляют дизайн дома.

То же относится к архитектуре программного обеспечения. Низкоуровневые детали и высокоуровневая структура являются частями одного целого. Они образуют сплошное полотно, определяющее форму системы. Одно без другого невозможно; нет никакой четкой линии, которая разделяла бы их. Есть просто совокупность решений разного уровня детализации.