Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 166

На первый взгляд, отказ от автоматического управления памятью — это не такая уж большая жертва. В конце концов, оно поддерживается не всеми языками программирования. В Си, главном языке, на котором сейчас программируют встраиваемые системы, сборщика мусора нет. Но это не должно успокаивать. У Си хватает других особенностей, которые плохо сказываются на надёжности.

Новый марсоход Curiosity столкнулся с первыми значительными неполадками в начале марта. По необъявленной пока причине основной бортовой компьютер аппарата вошёл в безопасный режим и отказался продолжать работу. Через пару дней в NASA решили не рисковать и перевели управление Curiosity на запасной бортовой компьютер, точно такой же, как первый, но исправный. Впрочем, проблема в итоге оказалась несерьёзной. Сейчас марсоход по-прежнему использует запасной компьютер, но при необходимости может переключиться обратно.

В NASA выработали внушительный свод правил, которого нужно придерживаться при разработке программного обеспечения, контролирующего работу космических аппаратов. На первый взгляд, он напоминает руководства для программистов, которые есть в любой крупной компании, но если присмотреться, быстро замечаешь странности. Правила NASA запрещают даже самые основные приёмы, используемые программистами на Си.

В частности, выясняется, что приложения NASA, которые отправятся в космос, никогда не выделяют память динамически по мере надобности. Вся необходимая для работы память должна быть выделена один раз — при запуске. После этого нужно использовать то, что есть, и не просить большего. Это правило одним махом устраняет проблемы, связанные и с утечками памяти, и с непредсказуемым влиянием выделения и освобождения памяти на производительность.

Под запретом оказалась и рекурсия. Во-первых, Си плохо приспособлен для рекурсивных программ (они могут привести к переполнению стека). Во-вторых, условия её завершения сложнее проверить при помощи специальных инструментов, чем условия выхода из цикла.

Использование препроцессора жёстко ограничено. При вычислении выражений необходимо избегать побочных эффектов. Запрещён оператор goto (хотя как раз встраиваемые системы — тот редкий случай, когда он мог бы быть полезен, поскольку с его помощью удобно реализовывать конечные автоматы). Ограничено использование ссылок на функции, зато правильность всех данных без исключения должна проверяться в обязательном порядке.

При таком количестве ограничений трудно сделать что-то интересное, но в этом как раз и заключается цель их авторов. Им не хочется, чтобы межпланетный зонд вдруг начал делать что-то «интересное». Они предпочитают, чтобы он работал просто, скучно и надёжно. Даже этого, несмотря на все усилия, не всегда получается добиться.

В том злополучном январе, когда сломался Spirit, Майк Делиман и его коллеги из NASA, находящиеся в нескольких часовых поясах, несколько недель круглые сутки не отходили от компьютеров, пытаясь привести марсоход в рабочее состояние. «Я работал без выходных, по три раза вставал ночью, чтобы переговорить с нужными людьми, и прерывался только для того, чтобы перекусить, поспать, сходить в душ и погулять с собаками», — рассказывал Делиман в интервью ACM Queue.

Причиной сбоя могло стать что угодно. Непосредственно перед тем, как всё пошло вразнос, инженеры NASA тестировали моторчик, который поворачивает зеркало, защищающее один из научных инструментов марсохода. Нельзя исключить, что всё началось именно с этого теста. Но если так, то почему?

Впрочем, если бы задача исчерпывалась поиском ответа на этот вопрос, она была бы куда проще. Тот моторчик мог и не иметь никакого отношения к делу. Есть тысяча причин, способных привести к сбою или же просто вывести компьютерное железо из строя (об этом варианте в NASA не хотели и думать).

Как определить, что именно произошло? Осмотреть сломанную машину нельзя, и с измерительными инструментами в неё не залезешь. Программу, которая на нём идёт, не запихнёшь в отладчик, чтобы узнать, в какой момент она отказывается продолжать работу. И даже когда такая возможность есть, экспериментировать с компьютером, который находится на другой планете, — слишком большой риск. В космосе нет команды «Отменить».

Главный способ ловли космических багов — работа с точной копией бортового компьютера, находящейся на Земле. Поскольку результаты выполнения каждой команды предопределены, приведя наземную копию в то же состояние, которое демонстрирует неисправный компьютер, находящийся на борту космического аппарата, можно понять, что привело к возникновению проблемы.