Occam (язык программирования)

Язык программирования Оккам (англ. Occam) — это процедурный язык параллельного программирования высокого уровня, разработанный в начале 80-х годов группой учёных из Оксфорда под руководством Дэвида Мэя (англ. David May) по заданию английской компании INMOS Ltd. в рамках работ по созданию транспьютеров. Назван в честь английского философа XIV века Уильма Оккамского, а его сентенция, известная как бритва Оккама, является девизом проекта.

Между языком Occam и транспьютерами существует непосредственная связь: INMOS-транспьютеры спроектированы так, чтобы объекты и конструкции Occam'а реализовывались в их системе команд наилучшим образом. Фактически, транспьютер является «кремниевой реализацией» языка Occam. Долгое время INMOS утверждала, что транспьютерам не требуется система программирования типа «ассемблер», так как её вполне заменяет Occam.

Тем не менее, Occam является типичным языком высокого уровня, синтаксически похожим на Паскаль или Си.

В основе языка лежит так называемая CSP-концепция (концепция взаимодействующих последовательных процессов), разработанная Ч.Хоаром. В сущности, CSP — это формализм для описания соответствующей вычислительной модели, достаточно выразительный, чтобы на нём можно было записывать и доказывать теоремы, и достаточно мощный и однозначный, чтобы являться языком программирования (известно несколько реализаций). Согласно CSP, сначала вводится множество элементарных событий (алфавит), затем из них конструируются процессы, причём из только что описанных процессов можно строить новые. Процессы, протекающие параллельно, обмениваются информацией, используя безбуферный обмен информацией типа «рандеву» между парой (и только парой) процессов посредством специального объекта — канала. При взаимодействии тот участник обмена, который обратился к каналу первым, ожидает готовности партнёра (точки рандеву); при наступлении последней инициируется обмен. Использование общей для нескольких параллельных процессов памяти в CSP не допускается.

Базовым понятием языка Occam является вычислительный процесс; основной характеристикой процесса является то, что он может быть начат и завершён. В языке определено несколько простых процессов: процесс присваивания, процессы ввода и вывода через канал (обозначаются символами ? и !), формальные процессы SKIP и STOP (первый завершается сразу же, второй — никогда), процессы чтения таймера и таймерной задержки. Все остальные процессы могут быть получены иерархическим построением (через ранее определённые). Для этой цели Occam предоставляет набор конструкторов процессов: SEQ (определяет процесс последовательного выполнения процессов), PAR (определяет процесс параллельного выполнения процессов), а также конструктор условного процесса IF, циклического процесса WHILE, процесса выбора процессов ALT. При этом действует правило, согласно которому составной процесс типа SEQ или PAR считается выполненным, когда завершены все составляющие его процессы. Процессы могут быть поименованы и вызваны по имени с передачей параметров. Процессы SEQ, PAR, IF и ALT могут быть реплицированы (размножены) при помощи репликатора FOR. Процесс ALT (как и PAR) привносит в язык индетерминизм, так как считается, что при одновременном выполнении нескольких условий точно предсказать дальнейший ход событий невозможно.

  пример:
  Мультиплексор, бесконечно читающий из массива каналов in[] и передающий в общий канал out,
  используя промежуточную переменную temp
     WHILE TRUE
       INT temp :
       ALT i=0 FOR N
         in[i] ? temp
           out ! temp

  пример:
  Каскад параллельно работающих мультиплексоров.
  На входе — массив из M*N каналов in[], на выходе — канал out.  
  Массив из M каналов ch[] используется для связи между мультиплексорами каскада:
     PAR -- каскад параллельных мультиплексоров ввода
       PAR i=0 FOR M -- M параллельных мультиплексоров, обрабатывающих по N каналов из in[] каждый
         WHILE TRUE
           INT temp :
           ALT j=i*N FOR N
             in[j] ? temp
               ch[i] ! temp
       WHILE TRUE -- корневой мультиплексор, читающий M промежуточных каналов ch[]
         INT temp :
         ALT i=0 FOR M
           ch[i] ? temp
             out ! temp

  пример:
  Процесс буферизации ввода-вывода.
  Запуск процесса buffer( in, out, N) позволяет каналу out отстать от канала in 
  вплоть на N сообщений, которые будут буферизованы внутри процесса buffer:
     PROC buffer( CHAN OF INT in, out, INT N)
       CHAN OF INT in.wait, out.wait :
       INT n : -- счётчик буферизованных значений
       [N]INT buff :
       SEQ
         n:=0
         PAR
           -- input
           INT i, any: -- i — указатель записи в буфер
           SEQ
             i:=0
             WHILE TRUE
               SEQ
                 WHILE n<(N-1)
                   SEQ
                     in ? buff[i]
                     n:=n+1
                     IF
                       n=1
                         out.wait ! any
                       TRUE
                         SKIP
                     i:=(i+1) MOD N
                 in.wait ? any
           -- output
           INT j, any: -- j — указатель чтения из буфера
           SEQ
             j:=0
             WHILE TRUE
               SEQ
                 out.wait ? any
                 WHILE n>0
                   SEQ
                     out ! buff[j]
                     n:=n-1
                     IF
                       n=(N-2)
                         in.wait ! any
                       TRUE
                         SKIP
                     j:=(j+1) MOD N
     :

Изучая примеры, следует иметь в виду, что символ «два минуса» -- означает начало комментария до конца строки, а символ «точка» . может быть в Occam'е частью идентификатора, и не несёт никакой специальной нагрузки. Символ «двоеточие» : имеет значение «конец описания». Оссам чувствителен к заглавным/строчным буквам в идентификаторах.

Интересной особенностью языка Occam является включение индентации (отступов, «лесенки») в его синтаксис. Это популярное и весьма выразительное средство выделения структуры в Occam’е является единственным способом указания области действия конструкторов. В ряду безусловных достоинств такого решения можно назвать уменьшение количества служебных символов при записи конструкции (отпадает необходимость в словах типа BEGIN-END или фигурных скобках) и вынужденная стандартизация оформления текстов, что повышает их читабельность.

  Пример важности «лесенки»:
    SEQ
      proc1()
      PAR
        proc21()
        proc22()
      proc3()
  здесь сначала будет выполнен процесс proc1, затем будут параллельно исполняться proc21 и proc22, 
  и лишь после завершения самого длительного из них стартует proc3. Если сдвинуть вызов proc3 
  на уровень вправо, то proc3 стартует одновременно с proc21 и proc22:
    SEQ
      proc1()
      PAR
        proc21()
        proc22()
        proc3()

Версии и реализации

Официально, в составе TDS (Transputer Development System), компанией INMOS Ltd. были выпущены реализации Occam 1.0, Occam 2.0 и Occam 2.1. После покупки компании и сворачивания разработок по транспьютерному проекту, разработчиками Occam в частном порядке была опубликована спецификация Occam 3. Позже группа энтузиастов осуществила реализацию языка Occam 2.5, представлявшего собой Occam 2.1 c некоторыми нововведениями из Occam 3. Последний же в полном объёме реализован не был.

Развитие языка Occam шло в сторону добавления новых типов данных, высокоуровневых понятий и средств, облегчающих программирование. При этом философия языка не пересматривалась.

Существуют реализации Occam для других, не-транспьютерных архитектур, в основном, любительские.

Известны также библиотеки, реализующие примитивы базовой для Occam концепции CSP, что позволяет программировать в стиле Occam на других языках.

Литература

Джоунз Г. Програмирование на языке Оккам / Пер. с англ. Л. В. Шабанова, под ред. Ю. Г. Дадаева. — М: Мир, 1989. — 208с.: ил. ISBN 5-03-001155-2

Ссылки

• The Occam Archive
• CSP
• Internet Parallel Computing Archive: Occam (Документация и реализации)
• The Transterpreter, "Транстерпретер", виртуальная occam-машина
• KRoC — Kent Retargettable occam Compiler, реализация Occam 2.5
• Учебник Occam