Примеры абстракций в технике и повседневности
Поговорим про абстракциях. Что вообще это за слово такое абстракция?
Абстракция (отвлечение) процесс отвлечения (абстрагирования) от тех или иных характеристик объекта для их избирательного анализа; при этом наблюдаемый объект замещается его идеализированным теоретическим образом — абстрактным объектом. Абстракции являются универсальным методом научного познания, они необходимы для формирования понятий, узнавания и классификации объектов исследования на всех уровнях формирования знаний.
Синонимами можно считать такие слова как отвлеченный, умозрительный, теоретический.
Противоположное слово это конкретный, фактический.
Абстракция это когда берут какой-то сложный объект и убирают те детали, которые не имеют существенного значения для понимания какого бы то ни было свойства этого объекта.
Взять например карту метро. Карта метро — это хорошая полезная абстракция от реальной формы туннелей в метро. На карте нет тех изгибов тоннелей которые на самом деле есть. Вы же когда приезжаете в какой-то новый для себя город не рассматриваете на полу разложенные аэрофотоснимки гектаров кварталов города чтобы понять где вам надо выйти в метро. Это было бы просто смешно. Вы просто подходите к схеме метрополитена смотрите и вам сразу всё становится понятно. Так и в остальном.
Абстракции в разработке программного обеспечения
В IT индустрии вообще всё держится на абстракциях. Тут их столько, что хоть штабелями укладывай. Наращивать уровни абстракций это основной способ создания программных систем. Они тут выстаиваются в иерархии.
Виртуальная память это абстракция от физических адресов. Виртуальная машина это абстрагирования от реальной физической машины (будь то телефон, DeskTop, Server). Любой язык программирования это способ отвлечения от безумно сложных и скучных машинных кодов. В каждой программе есть абстрактные структуры данных такие как бинарные деревья, очереди, стеки, циклические массивы, графы, косые деревья, хеш-таблицы. Файл как и файловые системы преобразуют нули и единицы в удобные текстовые файлики. Операционная система это способ отвлечения от конкретного оборудования. POSIX (Portable Operating System Interface) это пример полезного абстрагирования от реализации функций операционных систем. Благодаря POSIX у разных операционных систем появилась совместимость на уровне исходного кода. Гипервизоры нужны чтобы не обращать внимания на то как меняются операционные системы. Байт-код это отвлечение от целевой платформы для которой собрана программа. Язык Python абстрагируется от типов данных. Модель OSI-7 это условное представление того через какие слои проходят данные в интернете. Физический, канальный, сетевой, транспортный, представления, сеансовый, прикладной. DNS адреса удобнее запоминать чем сырые IP адреса.
В общем абстракции очень полезны в программировании. Для разработки софтвера надо обязательно обладать развитым абстрактным мышлением.
Абстракции в аппаратном обеспечении
То что абстракции очень полезны в программировании это всем очевидно и понятно. А вот то, что абстрагирование полезно при разработке аппаратного обеспечения это приходится доказывать с огнем и мечом. Тем не менее и в разработке железа есть примеры хороших абстракций.
Вот например автоматическая коробка передач абстрагируется от реальной геометрии переключения положения шестерен очень полезная абстракция воплощенная в железе. Или драйвер шагового двигателя это способ абстрагироваться от того как на самом деле осуществляется управления вращением вала шагового мотора. Язык Verilog абстрагируется от схемотехники цифровых цепей и описывает цифровую схему как текст. Схемы конечный автоматов это пример отвлечения от физического расположения микросхем триггеров на электронной плате. Принстонская/Гарвардская архитектура микропроцессора это умозрительная модель понимания структуры компьютера.
Вот в схеме топологии печатной платы нет абсолютно никакой абстракции. Топология PCB она максимально конкретная. Поэтому и анализировать топологию всегда трудно. Многое отвлекает.
https://habr.com/ru/articles/655879/
Поэтому люди придумали схемы электрические принципиальные. Схемотехника это абстракция от топологии. Однако и схемотехника современных электронных устройств тоже достигла высокого уровня сложности. Схемотехника в 40…100 страниц это уже вообще сегодня норма жизни. Поэтому люди придумали блок-схемы электронных плат. Блок-схема это абстракция от схемотехники, которая работает на 2 м уровне. Потом делают схемы топологии сети. Это уже, как минимум, 3тий уровень абстракции.
https://habr.com/ru/articles/667030/
Проследите цепочку получившихся уровней:
Физика > Полупроводниковые приборы > аналоговые схемы > цифровые схемы > логические элементы > АЛУ > процессор > SoC > PCB > OS (системное ПО) > Прикладное ПО. Минимум 11 умозрительных уровней!
Абстракции это не выдумка программистов. Абстракции появились задолго до появления программирования и электроники вообще. Это более фундаментальная концепция. Скорее всего это пришло из искусства. Наскальная живопись, корявые рисунки животных первобытных людей. Всё это пошло откуда-то оттуда.
Вероятно абстракции появились как побочный эффект познания мироустройства в науке. Например закон всемирного тяготения это абстракция. Реальные силы значительно труднее в понимании. Это доказывают опыты наблюдения смещения перигелия Меркурия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Смещение_перигелия_Меркурия
В эпоху Великих Географический Открытий появилась ценность географических карт. Географическая карта это абстракция от реальной формы земной поверхности и береговой линии. Там реки указывают плавной линией хотя на самом деле они извиваются как змеи и через каждые 100—200 метров поворот.
Абстракции мы всегда видим в повседневности. Деньги это вообще абстракция от вида трудовой деятельности. Будь то труд каменщика или труд пекаря.
Мультики это способ отвлечения от реального внешнего вида животных. Если бы мультики снимали видеокамерой с реальными животными в качестве актеров, то их бы никто и не смотрел вообще. Те же самые бобры в реальной жизни просто чудовища.
У каждой уважающей себя организации, компании есть логотип. Это условное обозначение которое впитывает в себя огромное количество аспектов. Чем занимается компания, какое у нее прошлое, где находится, какая у компании цель — всё это отражается в хорошем логотипе.
А оut source компании это пресловутый способ абстрагирования от найма и социальных противоречий с этим связанных для продуктовых компаний.
https://habr.com/ru/articles/720464/
У абстракций есть недостатки?
Да. Уровни абстракции отбирают у системы некоторые ресурсы. Java код исполняется медленнее чем С код. Артефакты Java компилятора занимают больше места на диске, чем артефакты от C компилятора. Это плата за упрощение понимания и переносимость программ.
В чем достоинства абстракций?
1--Они помогают понять сложные вещи. Абстракции делают возможным применение формальных методов, и алгоритмов, т.е. в конечном счете логики. (модель атома Бора, абстрактные структуры данных в программировании, закон всемирного тяготения)
2--Они уменьшают время понимания сложных вещей (схема метро, электрические принципиальные схемы)
3--Они позволяют масштабировать сложность, декомпозировать трудные задачи. (автоматическая коробка передач, драйвер шагового двигателя).
4--Они помогают переносить объекты на другую систему координат (Языки программирования Java, гипервизоры, Doсker контейнеры)
5--Они заменяют сложное на простое (языки программирования, файловые системы, DNS адреса).
6--Они помогают уйти от ответственности (out source компании, модель OSI-7)
Способность к абстрактному мышлению это мощное эволюционное преимущество. Все эти абстрактные концепции как раз пришли из государств, которые сейчас составляют центральную ось развития мировой цивилизации.
Способность к абстрагированию помогла им построить самую эффективную лаконичную нотацию для обозначения своего языка общения, чертежей, математических выражений, а потом и языков программирования. Как следствие они получили способность проектировать разрабатывать и производить сложные и эффективные технические средства: корабли, вооружение и компьютеры.
Как научиться абстрактному мышлению раз это так полезно? Как научиться придумывать полезные абстракции?
У меня нет четкого ответа на этот вопрос. Наверно надо пробовать. Далее эксперименты покажут какие абстракции жизнеспособны, а какие нет. Это как в физике. Была модель атома Томсона и модель атома Бора. В результате экспериментов выяснилось, что модель атома Бора оказалась более пригодной к реальности. Многие языки программирования тоже канули в лету. Где сейчас Паскаль, Fortran или Бэйсик? Тут как с языками программирования. Некоторые абстракции будут существовать до поры до времени пока их не заменят более эффективные простые абстракции. И это нормально.
Вывод
У природы же видимо нет абстракций. В природе всё максимально конкретно. Абстрагирование это чисто человеческое свойство. Это люди придумывают абстракции и уровни абстракций для себе подобных. Это и понятно. Смысл абстракции это уменьшение сложности, увеличения скорости понимания, объяснение сути чего-либо, будь-то карта материка или электронная плата.
Создавайте свои абстракции, господа. В этом нет ничего предосудительного.
Известные мне примеры умозрительных понятий я перечислит тут https://docs.google.com/spreadsheets/d/1JxEuo7bxo2A7J5qksBxekWf3FJVuDCJbXaZKx9IvDnU/edit#gid=0
Если вам известны примеры красивых абстракций в технике или в повседневной жизни, то напишете про это, пожалуйста, в комментариях.
https://habr.com/ru/companies/tiktokcoach/articles/206994/
https://habr.com/ru/companies/skillfactory/articles/508716/
