Tipais saugi versijų kontrolė: nauja programinės įrangos vientisumo paradigma

Programinės įrangos kūrimo pasaulyje versijų kontrolės sistemos (VCS), tokios kaip Git, yra bendradarbiavimo pagrindas. Tai universali pokyčių kalba, mūsų kolektyvinių pastangų registras. Vis dėlto, nepaisant visos jų galios, jos iš esmės nežino apie tai, ką valdo: kodo prasmę. Git'ui jūsų kruopščiai sukurtas algoritmas nesiskiria nuo eilėraščio ar maisto prekių sąrašo – tai tik teksto eilutės. Šis esminis apribojimas yra mūsų labiausiai įsisenėjusių nusivylimų šaltinis: paslaptingi sujungimo konfliktai, sugadinti kūriniai ir paralyžiuojanti didelio masto refaktorizavimo baimė.

Bet kas, jei mūsų versijų kontrolės sistema galėtų suprasti mūsų kodą taip pat gerai, kaip mūsų kompiliatoriai ir IDE? Kas, jei ji galėtų sekti ne tik teksto judėjimą, bet ir funkcijų, klasių ir tipų evoliuciją? Tai yra Tipais saugios versijų kontrolės pažadas – revoliucinis požiūris, kuris kodą traktuoja kaip struktūruotą, semantinį vienetą, o ne kaip plokščią tekstinį failą. Šiame įraše nagrinėjama ši nauja riba, gilinamasi į pagrindines sąvokas, įgyvendinimo ramsčius ir gilias VCS kūrimo pasekmes, kuri pagaliau kalba kodo kalba.

Tekstu pagrįstos versijų kontrolės trapumas

Norėdami įvertinti naujos paradigmos poreikį, pirmiausia turime pripažinti būdingas dabartinės paradigmos silpnybes. Sistemos, tokios kaip Git, Mercurial ir Subversion, yra sukurtos remiantis paprasta, galinga idėja: eilutėmis pagrįstu skirtumu. Jos lygina failo versijas eilutė po eilutės, nustatydamos papildymus, ištrynimus ir modifikacijas. Tai stebėtinai gerai veikia stebėtinai ilgą laiką, tačiau jos apribojimai tampa skausmingai aiškūs sudėtinguose, bendradarbiavimo projektuose.

Sintaksiškai aklas sujungimas

Dažniausias skausmo taškas yra sujungimo konfliktas. Kai du kūrėjai redaguoja tas pačias failo eilutes, Git pasiduoda ir paprašo žmogaus išspręsti dviprasmybę. Kadangi Git nesupranta sintaksės, jis negali atskirti trivialaus tarpo pakeitimo nuo kritinio funkcijos logikos modifikavimo. Dar blogiau, kartais jis gali atlikti „sėkmingą“ sujungimą, kuris sukuria sintaksiškai neteisingą kodą, todėl sugenda kūrinys, kurį kūrėjas atranda tik įvykdęs.

Pavyzdys: piktavališkai sėkmingas sujungimas

Įsivaizduokite paprastą funkcijos iškvietimą `main` šakoje:

process_data(user, settings);

• A šaka: Kūrėjas prideda naują argumentą: process_data(user, settings, is_admin=True);
• B šaka: Kitas kūrėjas pervadina funkciją, kad būtų aiškiau: process_user_data(user, settings);

Standartinis trijų krypčių teksto sujungimas gali sujungti šiuos pakeitimus į kažką beprasmiško, pavyzdžiui:

process_user_data(user, settings, is_admin=True);

Sujungimas pavyksta be konflikto, bet kodas dabar sugadintas, nes `process_user_data` nepriima `is_admin` argumento. Ši klaida dabar tyliai tyko kodo bazėje, laukdama, kol ją pagaus CI konvejeris (arba, dar blogiau, vartotojai).

Refaktorizavimo košmaras

Didelio masto refaktorizavimas yra viena sveikiausių veiklų kodo bazės ilgalaikiam prižiūrėjimui, tačiau jos labiausiai bijoma. Plačiai naudojamos klasės pervadinimas arba funkcijos parašo pakeitimas tekstu pagrįstoje VCS sukuria didžiulį, triukšmingą skirtumą. Jis paliečia dešimtis ar šimtus failų, todėl kodo peržiūros procesas tampa varginančiu guminiu antspaudu. Tikrasis loginis pakeitimas – vienas pervadinimo aktas – yra palaidotas po tekstinių pakeitimų lavina. Tokios šakos sujungimas tampa didelės rizikos, didelio streso įvykiu.

Istorinio konteksto praradimas

Tekstu pagrįstoms sistemoms sunku susidoroti su tapatybe. Jei perkeliate funkciją iš `utils.py` į `helpers.py`, Git ją mato kaip ištrynimą iš vieno failo ir papildymą į kitą. Ryšys prarandamas. Tos funkcijos istorija dabar suskaidyta. `git blame` funkcijoje naujoje vietoje nurodys refaktorizavimo įvykdymą, o ne originalų autorių, kuris parašė logiką prieš daugelį metų. Mūsų kodo istorija ištrinama paprasta, būtina reorganizacija.

Pristatome sąvoką: kas yra tipais saugi versijų kontrolė?

Tipais saugi versijų kontrolė siūlo radikalų perspektyvos pasikeitimą. Užuot žiūrėję į šaltinio kodą kaip į simbolių ir eilučių seką, ji mato jį kaip struktūruotą duomenų formatą, apibrėžtą programavimo kalbos taisyklių. Pagrindinė tiesa yra ne tekstinis failas, o jo semantinis atvaizdavimas: Abstraktus sintaksės medis (AST).

AST yra į medį panaši duomenų struktūra, kuri atspindi sintaksinę kodo struktūrą. Kiekvienas elementas – funkcijos deklaracija, kintamojo priskyrimas, if-sakinys – tampa mazgu šiame medyje. Veikdama AST, versijų kontrolės sistema gali suprasti kodo ketinimą ir struktūrą.

• Kintamojo pervadinimas nebelaikomas vienos eilutės ištrynimu ir kitos pridėjimu; tai viena, atominė operacija: `RenameIdentifier(old_name, new_name)`.
• Funkcijos perkėlimas yra operacija, kuri pakeičia funkcijos mazgo tėvą AST, o ne didžiulė kopijavimo-įklijavimo operacija.
• Sujungimo konfliktas nebėra apie persidengiančius teksto redagavimus, o apie logiškai nesuderinamas transformacijas, pvz., funkcijos ištrynimą, kurią kita šaka bando modifikuoti.

„Tipas“ „tipais saugiame“ reiškia šį struktūrinį ir semantinį supratimą. VCS žino kiekvieno kodo elemento „tipą“ (pvz., `FunctionDeclaration`, `ClassDefinition`, `ImportStatement`) ir gali vykdyti taisykles, kurios išsaugo kodo bazės struktūrinį vientisumą, panašiai kaip statiškai tipizuota kalba neleidžia kompiliavimo metu priskirti eilutės sveiko skaičiaus kintamajam. Ji garantuoja, kad bet koks sėkmingas sujungimas sukuria sintaksiškai teisingą kodą.

Įgyvendinimo ramsčiai: šaltinio kodo tipų sistemos kūrimas VC

Perėjimas nuo tekstu pagrįsto prie tipais saugaus modelio yra monumentalus uždavinys, kuriam reikia visiškai iš naujo įsivaizduoti, kaip mes saugome, taisome ir sujungiame kodą. Ši nauja architektūra remiasi keturiais pagrindiniais ramsčiais.

1 ramsčio: Abstraktus sintaksės medis (AST) kaip pagrindinė tiesa

Viskas prasideda nuo analizės. Kai kūrėjas atlieka įvykdymą, pirmas žingsnis yra ne maišos failo tekstas, o jo analizavimas į AST. Šis AST, o ne šaltinio failas, tampa kanoniniu kodo atvaizdavimu saugykloje.

• Kalbai būdingi analizatoriai: Tai yra pirmoji didelė kliūtis. VCS turi turėti prieigą prie patikimų, greitų ir tolerantiškų klaidoms analizatorių kiekvienai programavimo kalbai, kurią ji ketina palaikyti. Projektai, tokie kaip Tree-sitter, kuris teikia laipsnišką analizę daugybei kalbų, yra labai svarbūs šios technologijos įgalintojai.
• Poliglotinių saugyklų tvarkymas: Šiuolaikinis projektas nėra tik viena kalba. Tai Python, JavaScript, HTML, CSS, YAML konfigūracijai ir Markdown dokumentacijai mišinys. Tikra tipais saugi VCS turi sugebėti analizuoti ir valdyti šią įvairią struktūruotų ir pusiau struktūruotų duomenų kolekciją.

2 ramsčio: Turinį adresuojantys AST mazgai

Git galia kyla iš jo turinį adresuojančios saugyklos. Kiekvienas objektas (blob, medis, įvykdymas) identifikuojamas kriptografine jo turinio maiša. Tipais saugi VCS išplėstų šią sąvoką nuo failo lygio iki semantinio lygio.

Užuot maišos viso failo tekstą, mes maišytume atskirų AST mazgų ir jų vaikų serializuotą atvaizdavimą. Pavyzdžiui, funkcijos apibrėžimas turėtų unikalų identifikatorių, pagrįstą jo pavadinimu, parametrais ir kūnu. Ši paprasta idėja turi didelių pasekmių:

• Tikra tapatybė: Jei pervadinsite funkciją, pasikeis tik jos savybė `name`. Jos kūno ir parametrų maiša išlieka ta pati. VCS gali atpažinti, kad tai yra ta pati funkcija su nauju pavadinimu.
• Nepriklausomybė nuo vietos: Jei perkelsite tą funkciją į kitą failą, jos maiša visiškai nepasikeis. VCS tiksliai žino, kur ji nuėjo, puikiai išsaugodama savo istoriją. `git blame` problema išspręsta; semantinis blame įrankis galėtų atsekti tikrąją logikos kilmę, nepriklausomai nuo to, kiek kartų ji buvo perkelta ar pervadinta.

3 ramsčio: Pakeitimų saugojimas kaip semantinių pataisų

Supratę kodo struktūrą, galime sukurti daug išraiškingesnę ir prasmingesnę istoriją. Įvykdymas nebėra tekstinis skirtumas, o struktūruotų, semantinių transformacijų sąrašas.

Užuot tai:

- def get_user(user_id):
-   # ... logic ...
+ def fetch_user_by_id(user_id):
+   # ... logic ...

Istorija įrašytų tai:

RenameFunction(target_hash="abc123...", old_name="get_user", new_name="fetch_user_by_id")

Šis požiūris, dažnai vadinamas „pataisų teorija“ (kaip naudojama tokiose sistemose kaip Darcs ir Pijul), saugyklą traktuoja kaip užsakytą pataisų rinkinį. Sujungimas tampa šių semantinių pataisų pertvarkymo ir sudarymo procesu. Istorija tampa užklausiama refaktorizavimo operacijų, klaidų pataisymų ir funkcijų papildymų duomenų baze, o ne nepermatomu teksto pakeitimų žurnalu.

4 ramsčio: Tipais saugus sujungimo algoritmas

Čia vyksta magija. Sujungimo algoritmas veikia tiesiogiai su trijų atitinkamų versijų AST: bendro protėvio, A šakos ir B šakos.

1. Transformacijų nustatymas: Algoritmas pirmiausia apskaičiuoja semantinių pataisų rinkinį, kuris transformuoja protėvį į A šaką ir protėvį į B šaką.
2. Konfliktų patikrinimas: Tada jis patikrina, ar tarp šių pataisų rinkinių nėra loginių konfliktų. Konfliktas nebėra apie tos pačios eilutės redagavimą. Tikras konfliktas įvyksta, kai:
   • A šaka pervadina funkciją, o B šaka ją ištrina.
   • A šaka prideda parametrą prie funkcijos su numatytąja reikšme, o B šaka prideda kitą parametrą toje pačioje pozicijoje.
   • Abi šakos modifikuoja logiką toje pačioje funkcijos kūne nesuderinamais būdais.
3. Automatinis sprendimas: Didelis skaičius to, kas šiandien laikoma tekstiniais konfliktais, gali būti išspręstas automatiškai. Jei dvi šakos prideda du skirtingus, nesikertančius metodus į tą pačią klasę, sujungimo algoritmas tiesiog pritaiko abi `AddMethod` pataisas. Konflikto nėra. Tas pats galioja naujų importų pridėjimui, funkcijų pertvarkymui faile arba formatavimo pakeitimų taikymui.
4. Garantuotas sintaksinis teisingumas: Kadangi galutinė sujungta būsena sukuriama taikant galiojančias transformacijas galiojančiam AST, gautas kodas yra garantuotai sintaksiškai teisingas. Jis visada bus analizuojamas. „Sujungimas sugadino kūrinį“ klaidų kategorija yra visiškai pašalinta.

Praktinė nauda ir naudojimo atvejai pasaulinėms komandoms

Teorinis šio modelio elegantiškumas virsta apčiuopiama nauda, kuri pakeistų kasdienį kūrėjų gyvenimą ir programinės įrangos pristatymo konvejerių patikimumą visame pasaulyje.

• Baimės neturintis refaktorizavimas: Komandos gali imtis didelio masto architektūrinių patobulinimų be baimės. Pagrindinės paslaugos klasės pervadinimas tūkstančiuose failų tampa vienu aiškiu ir lengvai sujungiamu įvykdymu. Tai skatina kodo bazes išlikti sveikoms ir tobulėti, o ne stagnuoti po techninės skolos našta.
• Protingos ir tikslingos kodo peržiūros: Kodo peržiūros įrankiai galėtų pateikti skirtumus semantiškai. Užuot matę raudoną ir žalią jūrą, apžvalgininkas matytų santrauką: „Pervadinti 3 kintamieji, pakeistas `calculatePrice` grąžinimo tipas, išskirtas `validate_input` į naują funkciją.“ Tai leidžia apžvalgininkams sutelkti dėmesį į loginį pakeitimų teisingumą, o ne į tekstinį triukšmą.
• Nesulaužoma pagrindinė šaka: Organizacijoms, praktikuojančioms nuolatinę integraciją ir pristatymą (CI/CD), tai keičia žaidimo taisykles. Garantija, kad sujungimo operacija niekada negali sukurti sintaksiškai neteisingo kodo, reiškia, kad `main` arba `master` šaka visada yra kompiliuojamoje būsenoje. CI konvejeris tampa patikimesnis, o kūrėjų grįžtamojo ryšio ciklas sutrumpėja.
• Puiki kodo archeologija: Suprasti, kodėl egzistuoja kodo dalis, tampa trivialu. Semantinis blame įrankis gali sekti logikos bloką per visą jo istoriją, per failų perkėlimus ir funkcijų pervadinimus, nurodydamas tiesiogiai į įvykdymą, kuris įvedė verslo logiką, o ne tą, kuris tiesiog performatavo failą.
• Patobulintas automatizavimas: VCS, kuri supranta kodą, gali maitinti protingesnius įrankius. Įsivaizduokite automatizuotus priklausomybių atnaujinimus, kurie gali ne tik pakeisti versijos numerį konfigūracijos faile, bet ir pritaikyti reikiamus kodo pakeitimus (pvz., prisitaikyti prie pasikeitusios API) kaip dalį to paties atominio įvykdymo.

Iššūkiai ateityje

Nors vizija yra įtikinama, kelias į platų tipais saugios versijų kontrolės pritaikymą yra kupinas didelių techninių ir praktinių iššūkių.

• Našumas ir mastas: Visų kodo bazių analizavimas į AST yra daug intensyvesnis skaičiavimo požiūriu nei tekstinių failų skaitymas. Talpyklos kūrimas, laipsniškas analizavimas ir labai optimizuotos duomenų struktūros yra būtinos, kad našumas būtų priimtinas didžiulėms saugykloms, dažnai naudojamoms įmonių ir atvirojo kodo projektuose.
• Įrankių ekosistema: Git sėkmė yra ne tik pats įrankis, bet ir plati pasaulinė ekosistema, sukurta aplink jį: GitHub, GitLab, Bitbucket, IDE integracijos (pvz., VS Code's GitLens) ir tūkstančiai CI/CD scenarijų. Naujai VCS reikėtų sukurti lygiagrečią ekosistemą nuo nulio – monumentalus uždavinys.
• Kalbos palaikymas ir ilga uodega: Aukštos kokybės analizatorių teikimas 10–15 populiariausių programavimo kalbų jau yra didžiulis uždavinys. Tačiau realiame pasaulyje esantys projektai apima ilgą apvalkalo scenarijų, senesnių kalbų, konkrečioms sritims skirtų kalbų (DSL) ir konfigūracijos formatų uodegą. Išsamus sprendimas turi turėti šios įvairovės strategiją.
• Komentarai, tarpai ir nestruktūruoti duomenys: Kaip AST pagrįsta sistema tvarko komentarus? Arba konkretus, tyčinis kodo formatavimas? Šie elementai dažnai yra labai svarbūs žmogaus supratimui, tačiau egzistuoja už formalios AST struktūros ribų. Praktinei sistemai greičiausiai reikės hibridinio modelio, kuris saugo AST struktūrai ir atskirą šios „nestruktūruotos“ informacijos atvaizdavimą, sujungiant juos atgal, kad būtų atkurtas šaltinio tekstas.
• Žmogiškasis elementas: Kūrėjai praleido daugiau nei dešimtmetį kurdami gilią raumenų atmintį apie Git komandas ir sąvokas. Naujai sistemai, ypač tokiai, kuri konfliktus pateikia nauju semantiniu būdu, reikėtų reikšmingų investicijų į švietimą ir kruopščiai suprojektuotą, intuityvią vartotojo patirtį.

Esami projektai ir ateitis

Ši idėja nėra grynai akademinė. Yra novatoriškų projektų, aktyviai tiriančių šią erdvę. Unison programavimo kalba yra bene išsamiausias šių sąvokų įgyvendinimas. Unison sistemoje pats kodas saugomas kaip serializuotas AST duomenų bazėje. Funkcijos identifikuojamos pagal jų turinio maišas, todėl pervadinimas ir pertvarkymas yra trivialūs. Tradicine prasme nėra kūrinių ir priklausomybių konfliktų.

Kitos sistemos, tokios kaip Pijul, yra sukurtos remiantis griežta pataisų teorija, siūlančia tvirtesnį sujungimą nei Git, nors jos neina taip toli, kad būtų visiškai kalbos atžvilgiu žinančios AST lygiu. Šie projektai įrodo, kad pereiti toliau nei eilutėmis pagrįsti skirtumai yra ne tik įmanoma, bet ir labai naudinga.

Ateitis gali būti ne vienas „Git žudikas“. Labiau tikėtinas kelias yra laipsniška evoliucija. Pirmiausia galime pamatyti įrankių, kurie veikia virš Git, plitimą, siūlantį semantinį skirtumą, peržiūrą ir sujungimo konfliktų sprendimo galimybes. IDE integruos gilesnes AST žinančias funkcijas. Laikui bėgant šios funkcijos gali būti integruotos į patį Git arba nutiesti kelią naujai, pagrindinei sistemai atsirasti.

Praktinės įžvalgos šiandienos kūrėjams

Kol laukiame šios ateities, šiandien galime pritaikyti praktiką, kuri atitinka tipais saugios versijų kontrolės principus ir sumažina tekstu pagrįstų sistemų skausmus:

• Išnaudokite AST maitinamus įrankius: Įtraukite linters, statinius analizatorius ir automatizuotus kodo formatuotojus (pvz., Prettier, Black arba gofmt). Šie įrankiai veikia AST ir padeda užtikrinti nuoseklumą, sumažindami triukšmingus, nefunkcinius pakeitimus įvykdymuose.
• Įvykdykite atomiškai: Atlikite mažus, tikslingus įvykdymus, kurie atspindi vieną loginį pakeitimą. Įvykdymas turėtų būti arba refaktorizavimas, arba klaidų pataisymas, arba funkcija, o ne visi trys. Dėl to net tekstu pagrįstoje istorijoje lengviau naršyti.
• Atskirkite refaktorizavimą nuo funkcijų: Atlikdami didelį pervadinimą arba perkeldami failus, atlikite tai specializuotame įvykdyme arba priėmimo prašyme. Nemaišykite funkcinių pakeitimų su refaktorizavimu. Tai labai supaprastina abiejų peržiūros procesą.
• Naudokite savo IDE refaktorizavimo įrankius: Šiuolaikinės IDE atlieka refaktorizavimą naudodamos savo supratimą apie kodo struktūrą. Pasitikėkite jais. Klasės pervadinimas naudojant IDE yra daug saugesnis nei rankinis radimo ir pakeitimo būdas.

Išvada: Kūrimas atsparesnei ateičiai

Versijų kontrolė yra nematoma infrastruktūra, kuri palaiko šiuolaikinį programinės įrangos kūrimą. Per ilgai mes priėmėme tekstu pagrįstų sistemų trintį kaip neišvengiamą bendradarbiavimo kainą. Perėjimas nuo kodo traktavimo kaip teksto prie jo supratimo kaip struktūruoto, semantinio vieneto yra kitas didelis šuolis kūrėjų įrankiuose.

Tipais saugi versijų kontrolė žada ateitį su mažiau sugadintų kūrinių, prasmingesniu bendradarbiavimu ir laisve tobulinti savo kodo bazes su pasitikėjimu. Kelias yra ilgas ir kupinas iššūkių, tačiau tikslas – pasaulis, kuriame mūsų įrankiai supranta mūsų darbo ketinimus ir prasmę – yra tikslas, vertas mūsų kolektyvinių pastangų. Atėjo laikas išmokyti mūsų versijų kontrolės sistemas koduoti.