Конфигурационное управление. Курс в РТУ МИРЭА

4.3. Компьютерные языки

Рассмотрим представленную на рис. 32 упрощенную классификацию компьютерных языков.

Тьюринг-полными называются языки, на которых можно реализовать модель машины Тьюринга, а значит – реализовать любой алгоритм. К таким языкам относится, в частности, большинство языков программирования.

Тьюринг-полнота необязательно является полезным свойством языка. Для Тьюринг-неполных, ограниченных языков может быть легче осуществить статический анализ и преобразования на уровне компилятора.

Предметно-ориентированные языки (domain-specific language, DSL) ориентированы задачи некоторого узкого класса, поэтому, зачастую являются Тьюринг-неполными. Основное достоинство DSL – использование предметно-ориентированной нотации.

Известно множество специализированных нотаций. Например, нотация химических формул или нотная нотация. Математики древних цивилизаций описывали математические задачи на естественном языке с использованием сложных систем счисления. Поэтому установление даже некоторых тривиальных для современного школьника, оперирующего алгебраической нотацией, математических фактов могло было затруднено для математика древности. Заслуживает внимания гипотеза лингвистической относительности, которая предполагает наличие влияния структуры языка на мышление.

4.3.1. Простые форматы описания конфигурации

Одним из старейших форматов описания как кода, так и данных являются S-выражения языка Lisp. Это нотация для древовидных структур, реализованных в виде вложенных списков.

Грамматика S-выражений в БНФ:

<s-exp> ::= <atom> |  '(' <s-exp-list> ')'
<s-exp-list> ::= <sexp> <s-exp-list> |  
<atom> ::= <symbol> |  <integer> |  #t  |  #f

Пример S-выражения:

(users
   ((uid 1)   (name root) (gid 1))
   ((uid 108) (name peter) (gid 108))
   ((uid 109) (name alex) (gid 109)))

К недостаткам S-выражений для описания конфигурации относятся:

• сложность чтения для человека синтаксиса с большим числом скобок;
• нет стандарта S-выражений для описания конфигурационных данных.

Классическим способом представления файлов конфигурации является формат INI из Windows, а также схожие с ним варианты conf из Unix. В основе формата – последовательность пара ключ-значение. Пары схожего назначения объединяются в секции:

[секция_1]
параметр1=значение1
параметр2=значение2
 
[секция_2]
параметр1=значение1
параметр2=значение2

В (расширенной) БНФ:

ini ::= {section}
section ::= "[" name "]" "\n" {entry}
entry ::= key "=" value "\n"

Здесь фигурные скобки обозначают повторение 0 или более раз.

Пример INI-файла (system.ini):

; for 16-bit app support
[386Enh]
woafont=dosapp.fon
EGA80WOA.FON=EGA80WOA.FON
EGA40WOA.FON=EGA40WOA.FON
CGA80WOA.FON=CGA80WOA.FON
CGA40WOA.FON=CGA40WOA.FON
 
[drivers]
wave=mmdrv.dll
timer=timer.drv
 
[mci]
[network]
Bios=1438818414
SSID=29519693

К недостаткам INI для описания конфигурации относятся:

• отсутствие поддержки вложенных конструкций;
• отсутствие стандарта INI для описания конфигурационных данных.

Еще недавно наибольшую популярность среди форматов конфигурационных данных имел XML (eXtensible Markup Language).

XML разрабатывался как язык с простым формальным синтаксисом, удобный для создания и обработки документов программами и одновременно удобный для чтения и создания документов человеком, с подчеркиванием нацеленности на использование в Интернете.

В самом базовом виде XML напоминает S-выражения, в которых вместо скобок используются открывающийся и закрывающийся именованные теги.

Пример XML-данных:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<shiporder orderid="889923"
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:noNamespaceSchemaLocation="shiporder.xsd">
   <orderperson>John Smith</orderperson>
   <shipto>
      <name>Ola Nordmann</name>
      <address>Langgt 23</address>
      <city>4000 Stavanger</city>
      <country>Norway</country>
   </shipto>
   <item>
      <title>Hide your heart</title>
      <quantity>1</quantity>
      <price>9.90</price>
   </item>
</shiporder>

Важной особенностью XML является поддержка специальных схем для определения корректности XML-данных: DTD (Document Type Definition), XML Schema и другие. DTD определяет:

• состав элементов, которые могут использоваться в XML документе;
• описание моделей содержания, т.е. правил вхождения одних элементов в другие;
• состав атрибутов, с какими элементами XML документа они могут использоваться;
• каким образом атрибуты могут применяться в элементах;
• описание сущностей, включаемых в XML документ.

В XML Schema дополнительно введены типы данных для элементов. Фрагмент XML Schema описания элемента item из примера выше:

<xs:element name="item" maxOccurs="unbounded">
  <xs:complexType>
    <xs:sequence>
      <xs:element name="title" type="xs:string"/>
      <xs:element name="note" type="xs:string" minOccurs="0"/>
      <xs:element name="quantity" type="xs:positiveInteger"/>
      <xs:element name="price" type="xs:decimal"/>
    </xs:sequence>
  </xs:complexType>
</xs:element>

К недостаткам XML для описания конфигурации относится высокая сложность формата, как для чтения человеком, так и для программного разбора.

Формат JSON (JavaScript Object Notation) основан на синтаксисе JavaScript. Изначально он использовался в качестве текстового формата обмена данными, но со временем все чаще стал применяться и в качестве формата описания конфигурации приложения.

В JSON используются следующие типы данных:

• число в формате double;
• строка;
• логическое значение true или false;
• массив значений любого поддерживаемого типа;
• объект – словарь пар ключ-значение, где ключ – строка, а значение – любой поддерживаемый тип;
• специальное значение null.

Пример JSON-данных:

{"menu": {
  "id": "file",
  "value": "File",
  "popup": {
    "menuitem": [
      {"value": "New", "onclick": "CreateNewDoc()"},
      {"value": "Open", "onclick": "OpenDoc()"},
      {"value": "Close", "onclick": "CloseDoc()"}
    ]
  }
}}

Для проверки корректности JSON-данных в формат позже была добавлена схема – JSON Schema, которая во многом схожа с XML Schema.

К недостаткам JSON для описания конфигурации относится отсутствие поддержки комментариев.

Формат YAML (YAML Ain’t Markup Language) предназначен для сериализации данных, но также часто используется в качестве конфигурационного языка. YAML с точки зрения синтаксиса имеет сходство с языком Python – для определения вложенности конструкций используются отступы. Особенностью YAML является возможность создания (с помощью &) и использования (с помощью *) ссылок на элементы документа. Это позволяет не приводить полностью повторно встречающиеся данные.

Пример YAML-файла:

–
receipt:     Oz-Ware Purchase Invoice
date:        2012-08-06
customer:
    first_name:   Dorothy
    family_name:  Gale
 
items:
    - part_no:   A4786
      descrip:   Water Bucket (Filled)
      price:     1.47
      quantity:  4
 
    - part_no:   E1628
      descrip:   High Heeled "Ruby" Slippers
      size:      8
      price:     133.7
      quantity:  1
 
bill-to:  &id001
    street: |
            123 Tornado Alley
            Suite 16
    city:   East Centerville
    state:  KS
 
ship-to:  *id001
...

К недостаткам YAML для описания конфигурации относятся:

• сложность редактирования сильно вложенных элементов, проблемы с отступом;
• сложность стандарта YAML (размер файла спецификации больше, чем у XML).

Формат TOML (Tom’s Obvious, Minimal Language) специально предназначен для использования в конфигурационных файлах. Его синтаксис основан на INI. Спецификация TOML не имеет БНФ-описания.

Пример TOML-данных:

# This is a TOML document
 
title = "TOML Example"
 
[owner]
name = "Tom Preston-Werner"
dob = 1979-05-27T07:32:00-08:00
 
[database]
enabled = true
ports = [ 8001, 8001, 8002 ]
data = [ ["delta", "phi"], [3.14] ]
temp_targets = { cpu = 79.5, case = 72.0 }
 
[servers]
 
  [servers.alpha]
  ip = "10.0.0.1"
  role = "frontend"
 
  [servers.beta]
  ip = "10.0.0.2"
  role = "backend"

К недостаткам TOML для описания конфигурации относится сложность спецификации языка.

4.3.2. Языки общего назначения как конфигурационные

Использование языка программирования общего назначения для описания конфигурации ПО обладает рядом преимуществ по сравнению с простыми непрограммируемыми конфигурационными форматами:

• поддержка функций;
• поддержка циклов;
• поддержка типов данных;
• поддержка импорта файлов.

Благодаря поддержке функций, циклов и разбиению файлов на модули достигается принцип DRY (Don’t repeat yourself) – не допускать повторения одной и той же информации в программе. В результате конфигурационные файлы имеют компактную, удобную для редактирования форму.

Поддержка типов данных, в том числе пользовательских, позволяет осуществить на уровне типов проверку корректности программы – то, для чего в таких форматах, как XML, используются схемы.

Некоторые примеры использования языков общего назначения в качестве конфигурационных языков:

• В текстовом редакторе Emacs используется встроенный язык Elisp для описания конфигурации;
• В БД Tarantool используется Lua;
• Конфигурации на языке Python используются в setuptools и Jupyter;
• В Gradle конфигурация сборки может быть описана на Groovy и Kotlin.

К недостаткам языков общего назначения для задач конфигурирования относятся:

• небезопасное исполнение стороннего кода;
• сложность, чрезмерная выразительность языка (Тьюринг-полнота), мешающая задачам анализа и порождения конфигурационных данных.

4.3.3. Программируемые конфигурационные языки

К основным DRY-элементам программируемых конфигурационных языков, можно отнести:

• переменные;
• арифметические операции;
• функции в математическом смысле;
• ветвления;
• операции построения многоэлементных массивов и иных составных объектов;
• операции импорта сторонних модулей;

Jsonnet является расширенным вариантом JSON и представляет собой Тьюринг-полный конфигурационный язык с динамической типизацией.

Пример описания данных на Jsonnet:

local makeUser(user) = {
  local home = std.format("/home/%s", user),
  local privateKey = std.format("%s/.ssh/id_ed25519", home),
  local publicKey  = std.format("%s.pub", privateKey),
  home: home,
  privateKey: privateKey,
  publicKey: publicKey
};

[
  makeUser("bill"),
  makeUser("jane")
]
 

Результат преобразования в JSON:

[
  {
    "home": "/home/bill",
    "privateKey": "/home/bill/.ssh/id_ed25519",
    "publicKey": "/home/bill/.ssh/id_ed25519.pub"
  },
  {
    "home": "/home/jane",
    "privateKey": "/home/jane/.ssh/id_ed25519",
    "publicKey": "/home/jane/.ssh/id_ed25519.pub"
  }
]

Еще одним программируемым конфигурационным языком является Dhall. Этот язык со статической типизацией, основанный на принципах функционального программирования. Авторы определяют Dhall, как JSON + функции + типы + импорты. Важной особенностью Dhall является тот факт, что это Тьюринг-неполный язык. В Dhall имеется режим нормализации представления, при котором все языковые абстракции разворачиваются и результат представляет собой уровень представления JSON или YAML.

Пример описания данных на Dhall:

let makeUser = \(user : Text) ->
      let home       = "/home/${user}"
      let privateKey = "${home}/.ssh/id_ed25519"
      let publicKey  = "${privateKey}.pub"
      in  { home = home
          , privateKey = privateKey
          , publicKey = publicKey
          }

in  [ makeUser "bill"
    , makeUser "jane"
    ]