Структурное/визуальное программирование

Исторически сложилось что разработка программного обеспечения проводиться посредством набора обычного текста. Вот уже несколько десятилетий основной подход к программированию состоит в последовательном наборе символов, которые должны формировать структуры более высокого уровня чем эти символы. Программисту приходится не просто раз за разом набирать одни и те же сочетания клавиш, но и следить за правильностью форматирования кода, иначе компьютер просто откажется понимать, что в коде написано. Один забытый символ ";" может выдать совершенно невнятные ошибки компиляции/интерпретации. Более того - использование текстового представления программы не просто ставит дополнительные требования к программированию, но и сильно ограничивает возможности программиста для эффективного написания и использования кода. Также текстовое представление информации сильно усложняет анализ этой информации программным способом. Давайте разберемся с альтернативным подходом к написанию программ.

Знакомьтесь - это MetaIDE. Один из представителей визуального/структурного подхода к обработке и хранению информации. Любой оператор (наподобие for, if, while) это не набор простых текстовых символов, а конкретный цельный элемент в памяти компьютера. Любой код программы - это набор из фиксированных операторов, которые составляют структурное представление программы. При использовании большинства обычных языков программирования, компилятор парсит исходный текст программы и строит AST - Abstract syntax tree (Абстрактное синтаксическое дерево). В MetaIDE вся программа уже являет собой AST, что сильно упрощает написание кода и последующее его использование.

Создание программного кода

Написание программного кода напоминает обычное текстовое программирование. Разве что вместо полнотекстового ввода операторов, в MetaIDE можно ограничится всего парой клавиш: wh для while, fo для for и т.п. Также все операторы уже имеют необходимую разметку, что ускоряет набор кода. Среди программистов часто говорят, что скорость набора якобы не важна, но на практике, пока держишь в голове все детали алгоритма, очень желательно поскорее внести его в компьютер. Необходимость форматирования текста при этом только отвлекает. Структурное программирование позволяет более быстрее набирать исходные код. Особенно учитывая, что у IDE гораздо больше возможностей помочь программисту. Также стоит заметить, что для создания структурной программы, клавиатура не обязательна. Все основные операторы можно вводить с помощью меню. Простой текстовый ввод в основном необходим для задания имен переменным, функциям и т.п. Такой подход может хорошо зарекомендовать себя в случаях, когда нет полноценного доступа к клавиатуре - например на планшете (телефоне) или устройстве VR. Да и вообще - кто бы не хотел писать программу попивая чай одной рукой, а второй - спокойно и эффективно набирать код.

Отображение кода

Как и в визуальном программировании, структурный код может быть представлен в любом формате. Например, как пазлы (Scratch, Blockly), как блоксхемы (UML, Дракон), как чертежы (blueprints - Unreal, Unity). Конкретно в MetaIDE используется представление кода максимально близкое к обычному текстовому представлению. Это позволяет разместить максимум информации на экране к чему привыкли опытные программисты.

Свобода в представлении информации позволяет делать локализованные версии кода, что может быть удобно в учебных целях. Не смотря на разное представление, исходный код при этом остается без изменений, и на других платформах может выглядеть по-другому, адаптируясь под конкретную платформу.

Также такой подход к отображению кода упрощает чтение и разработку программы. Например, большинство программ требуют локализации. Чаще всего для локализации используют перечисления (enum) которые имеют краткое описание текста. Но для программиста такой подход не совсем удобен - перечисление может не полностью отображать суть текста что приводит к ошибкам в использовании не тех строк, а добавление нового текстового значения требует перекомпиляции всей программы. В структурной программе можно создать специальное значение для локализованной строки - это позволит отображать текст строки прямо в коде (с возможностью выбора локали), упростит компиляцию (храниться обычное цифровое представление вместо перечисления), сделает более удобную локализацию (новые строки для локали можно добавлять прямо "из кода" не прибегая к дополнительным инструментам).

Как это все работает

На самом деле очень просто. В основе всех данных в MetaIDE лежат ноды (узлы дерева), которые формируют дерево или граф - структуру данных, знакомую большинству программистов. Каждая нода может иметь базовое значение (число, строку, указатель на другую ноду), дочерние ноды, и указатель на своего родителя. Такой подход позволяет очень просто читать и модифицировать данные с помощью скриптов, что в свою очередь позволяет автоматизировать любую рутинную работу с данными. Для отображения нод используются виджеты. Каждый виджет привязывается к ноде, получая от нее сообщения о изменении данных самой ноды, и отображает эти данные в соответствии с своим кодом. Как не сложно догадаться, виджет может иметь любую форму и представление. В основе MetaIDE уже лежат готовые видежеты для представления информации в виде текста. Для оперирования нодами и виджетами используются меню и скрипты. Для создания меню уже есть готовые инструменты, также есть множество готовых скриптов для базового управления нодами.

Таким образом MetaIDE реализует популярный архитектурный шаблон MVC (Model-View-Controller, Модель-Представление-Контроллер) и обеспечивает максимальную гибкость при работе с данными. На каждую ноду можно создать множество разных виджетов и это активно используется в представлении кода. Например, декларация локальной переменной (или функции, класса, типа) содержит в себе имя, а все места где эта переменная используется - на самом деле указатели на декларацию и используют виджет для отображения имени по этому указателю. Так что изменив имя переменной, измениться также выводимый текст всюду, где встречается эта переменная.

Как с этим работать

Здесь все еще проще - активировав ноду (вернее виджет представляющий ноду), слева в меню появляться все возможные действия, которые можно выполнить с этой нодой. За каждым пунктом меню стоит скрипт изменяющий ноду. Также в меню можно ознакомится с комбинациями клавиш необходимыми для выполнения конкретного пункта меню.

Единое пространство

Поскольку почти все в MetaIDE состоит из нод, значит любой скрипт может получить доступ к любой части данных IDE, и прочитать или модифицировать их на свое усмотрение. Даже модифицировать свой собственный исходный код. Таким образом, написать дополнение к структурной IDE в разы легче чем для обычной IDE - фактически достаточно знать какие ноды нужно изменить и как это сделать (никаких SDK или ограниченных API, как в случае с текстовым исходным кодом).

Генерация кода, метапрограммирование и DSL

fix code main table
	name: varLocal node: var get local fn: varLocal switch: ndPtr
	name: varMember node: var get member fn: varMember switch: ndPtr
	name: varGlobal node: var get global fn: varGlobal switch: ndPtr
	name: varUnkn node: var unknown fn: varUnkn switch: ndPtr
	
	name: call node: call fn fn: call switch: ndPtr
	name: inline node: inlineCall fn: inline switch: ndPtr
	
	name: subClass node: getSubClass fn: subClass switch: ndPtr
	name: subNode node: var get subnode fn: subNode switch: ndPtr
	
	name: nextFn node: nextFn fn: nextFn switch: ndPtr

Часто бывают ситуации, когда в исходный код нужно добавить новую сущность что тянет за собой создание нового класса для этой сущности, пары функций для обработки сущности, значение в enum, текстовое описание, добавление указателей в массивы и т.п. И все это раскидано по разным файлам и даже проектам. Один раз прописывать весь код не составляет особых проблем, но вот если таких сущностей десятки, а то и сотни, ручная прописка всех необходимых мест начинает сильно усложнять разработку. К тому же спустя некоторое время все нюансы создания кода забываются, и добавление чего-либо нового в программу занимает уйму времени. Обычный подход к программированию мало приспособленный к такой проблеме. В языках программирования могут быть макросы и темплейты, которые лишь частично помогают в организации однотипного кода. MetaIDE предлагает другой подход к решению - создание DSL (или даже обычного UI) который в краткой форме описывает необходимые данные, и пары скриптов которые будут генерировать финальный код и прописывать его во все нужные места. Создание такого генератора в структурном коде на порядки проще чем создание его менее удобного аналога для обычных текстовых исходников.

Больше чем IDE

На самом деле MetaIDE это не только среда для разработки программ, но и среда для работы этих же программ. Так в MetaIDE разработаны дополнительные инструменты для организации рабочего процесса (пока в очень базовой форме) - карты памяти (mind map), текстовый структурный редактор (outliner), скрипты и виджеты для подбора цветов (в пространствах HSB, LCH, HSLuv, HPLuv). Кроме того, разрабатывая программы для MetaIDE, можно сразу использовать набор готовых виджетов, стандартные скрипты и разметки для более простой работы с нодами, готовую систему истории изменений (undo/redo) и сохранения данных на диск. В будущем планируется добавить систему контроля версий для нод (такой себе git), возможность создавать любые виджеты с помощью скриптов, а также компиляция готовых программ в исполняемые файлы под разные ОС.

Помощь с легаси

Важной составляющей структурного представления кода, является простота чтения и модификации кода с помощью скриптов. Фактически весь код – это набор объектов, которыми легко манипулировать, в том числе транслировать старый код под новые требования, что сильно облегчает работу с устаревшими данными. Вместо ручного переписывания старых данных под новый формат, можно написать скрипт, который выполнит большую часть работы автоматически.

Язык Delight

Для написания скриптов в MetaIDE используется структурный язык программирования Delight. По синтаксису он ближе всего к Паскалю и С++, однако имеет множество нововведений, в том числе компонентно-ориентированное программирование (вместо ООП), но это уже тема другой статьи.

История разработки

Лучше всего использование всех возможностей структурного подхода к организации информации просматривается на истории создания самой MetaIDE. Изначально весь код писался в Lazarus, соответственно существовал только код паскаля. На паскале был написан язык описания шаблонов нод, с помощью которого было легко создавать новые типы нод. Поскольку сам язык описания нод был вполне самодостаточен, то уже мог описать сам себя. Был написан скрипт, который прокидывал все существующие ноды на уже созданные шаблоны нод (созданные уже на нодах, а не на паскале). Фактически новая структура нод начала ссылаться сама на себя, и стала менее зависима от паскаля, что позволило выкинуть большую часть паскалевского кода. Общее количество кода сильно сократилось, при том что старые данные нод успешно конвертировались в новую структуру в автоматическом режиме. На новой структуре нод начал создаваться язык программирования Delight, и здесь проявились недостатки в шаблонном описании нод – на тот момент нода описывалась своим визуальным представлением вперемешку со своими данными, что было крайне неудобно для интеграции с Delight. Было решено сделать описание нод в виде близком к описанию классов (как в обычных ЯП), а визуальное представление ноды вынести в отдельные виджеты. Однако на тот момент уже существовали сотни описаний нод на которых держалась вся IDE и Delight. Задачу можно сравнить с необходимостью разделения кода декларации класса на несколько частей, а таких классов в программе - сотни. Фактически требовалось переписывание всего кода с нуля. К счастью, имея дело с структурированной информацией, всего за два вечера были написаны скрипты, которые конвертировали устаревшее представление данных в новый формат. Ручное переписывание заняло бы пару недель. В последствии, автоматическое переписывании кода с помощью скриптов использовалось регулярно. Так в один момент, данные уже созданных библиотек нод были разделены на две части, проводились тотальные изменения в синтаксисе и архитектуре Delight - чего только стоил перевод всех существующих исходных кодов с ООП и интерфейсами на КОП. Все эти задачи успешно решались написанием скриптов вместо ручного переписывание всего существующего кода. Фактически вся разработка MetaIDE и Delight напоминала эволюционное программирование - когда все старые данные без проблем эволюционировали в новые, более эффективные представления.

Ложка дегтя

Конечно работа со структурными данными довольно сильно отличается от обычной работы с текстом. Если при оперировании с текстовым представлением, достаточно любого текстового редактора со стандартным и знакомым всем функционалом, то работа со структурными данными практически не возможна без использования скриптов и знания как эти скрипты функционируют. С другой стороны, если для текстового программированная нужно досконально знать синтаксис языка программирования, то для структурного программирования можно просто пользоваться подсказками IDE для создания кода.

Ложка дегтя №2

На текущий момент MetaIDE и Delight находятся в стадии разработки и доступны только в качестве предварительного просмотра (даже не как альфа версия). Далеко не все еще доработано и не все вещи сделаны удобно. Масштабы разработки слишком громадны и на проработку всех деталей за раз не хватает времени.

Выводы

На данный момент MetaIDE представляет собой совершенно новый подход к написанию программ, открывая для программиста новые горизонты в организации всего рабочего процесса. Сильно упрощается как работа с кодом в целом, так и отдельные аспекты программирования.