Monat: Juli 2015

Wir müssen gute Nachbarn sein! (WWDC 2015)

Panorama - Ausblick vom Moscone Center Balkon

App-Entwickler müssen gute Nachbarn sein und wieder sorgsamer mit knappen Ressourcen (Speicher, CPU, Akku) umgehen, sonst werden ihre Apps wahrscheinlich bald von Benutzern gelöscht.

Die World Wide Developer Conference (WWDC) 2015 in San Francisco ist nun schon wieder weit mehr als einen Monat vergangen. Ich habe von der Veranstaltung eine Aufgabe bzw. Herausforderung für uns Architekten, Programmierer und Designer mitgenommen, die ich für sehr wichtig halte:

"Wir müssen gute Nachbarn sein!"

Diese unterschwellige Nachricht habe ich über die gesamte Veranstaltung hinweg immer wieder wahrgenommen. Obwohl wir alle auch in der realen Welt gute Nachbarn sein sollten, meine ich das natürlich im übertragenen Sinne. In einer Wohnnachbarschaft trägt jeder einzelne Bewohner zur Lebensqualität der Stadt, des Bezirks, des Viertels, der Gegend, der Straße oder des Blocks bei. Genauso trägt jede einzelne App zur User Experience eines Smartphones, eines Tablets, einer Smartwatch usw. bei. Es wird erwartet, dass sich alle an „geltende Regeln“ halten. Regelverletzungen werden in Nachbarschaften meist recht schnell „geregelt“.

Gute Nachbarn halten sich jedoch nicht nur an die Regeln, sondern unterstützen sich gegenseitig über diese Regeln hinaus, um das Leben in der Gemeinschaft zu verbessern. So parken gute Nachbarn mit eigenem Parkplatz auch auf diesem und belegen nicht die wenigen frei zugänglichen Parkplätze, auf die andere Bewohner ohne eigenen Parkplatz angewiesen sind. Diese guten Nachbarn gehen offensichtlich rücksichtsvoll mit der knappen Ressource Parkplätze um.

"Rücksichtsvoller Umang mit knappen Ressourcen"

Ein rücksichtsvoller Umgang mit knappen Ressourcen wird auch in der App Entwicklung wieder wichtiger. Durch den schnellen technologischen Fortschritt wurden wir in der jüngeren Vergangenheit verwöhnt und sind es gewohnt, dass sich ein Speicher- oder Performance-Problem unserer Software oft mit der nächsten Hardware-Generation quasi von selbst löst („Hit it with Hardware!“).

Ressourcenknappheit im zeitlichen Verlauf

Ressourcenknappheit im zeitlichen Verlauf

Die Einführung von Smartphones und anderen mobilen Endgeräten hatte zwar zunächst einen ressourcenschonenderen Umgang gefordert, aber auch hier bringt jede neue Hardware-Generation mehr Ressourcen mit sich. Spätestens jedoch mit der Einführung von Wearables und Kleinstgeräten für das Internet of (Every)Thing(s) müssen wir auf Softwareseite wieder schonender mit knappen Ressourcen umgehen. Zu diesen knappen Ressourcen gehören unter anderem Speicherplatz (Disk Space), Hauptspeicher, Rechenleistung und Akku-Kapazität.

Speicherplatz

Obwohl der Speicherplatz auf Mobilgeräten immer größer wird, reicht er meist dennoch nicht aus. Wir speichern nämlich immer mehr Bilder, Apps, Musik usw. auf unseren Geräten. Apple trägt jüngst seinen Teil dazu bei, die knappe Ressource Speicherplatz besser zu nutzen. So benötigt beispielsweise schon jetzt das Betriebssystem nach manchen Updates sogar deutlich weniger Speicherplatz als zuvor, obwohl oftmals sogar neue Features hinzukommen. Eine solche Verschlankung sollten wir auch berücksichtigen, wenn wir für unsere Apps Updates zur Verfügung stellen.

App Slicing

Um dieses „App Thinning“ zu unterstützen, stellt Apple mit „Slicing“ ab iOS 9 eine neue Funktionalität zur Verfügung. Apps, die für verschiedene Geräte entwickelt wurden (z.B. iPhone 4, iPhone 5, iPhone 6, iPhone 6 Plus, iPad mini, iPad), wurden bisher vollständig auf die unterstützten Geräte übertragen. Zur optimalen Darstellung auf dem jeweiligen Geräte werden hierzu aber mehrere Versionen einer Grafik in unterschiedlichen Auflösungen erstellt. Bisher werden alle Versionen auf jedem Gerät gespeichert. Mit Slicing werden ab iOS 9 automatisch nur noch genau die Versionen übertragen, die vom jeweiligen Gerät benötigt werden.

Um gute Nachbarn zu sein, sollten wir jedoch diesen neu gewonnen Speicherplatz nicht verschwenden, sondern vielmehr darauf achten, wo wir in unseren eigenen Apps noch zusätzlichen Speicherplatz freisetzen können. Reicht vielleicht mal ein stärker komprimiertes JPG aus oder muss es wirklich immer ein PNG sein? Falls es ein PNG sein muss, reichen vielleicht auch mal die 256 Farben eines 8-Bit PNG? Kleine Dateigrößen sind auch gerade für den Austausch zwischen iPhone und Apple Watch hilfreich. Denn wenn wir auf die Uhr sehen, dann wollen wir eins definitiv nicht sehen: Das Lade- bzw. Synchronisations-Symbol. Eine verbesserte Speichernutzung trägt damit auch zu einer besseren Performanz und somit zu einer besseren User Experience bei.

Hauptspeicher und Rechenleistung

Der sorgsame Umgang mit knappen Ressourcen gilt neben dem Speicherplatz ganz genauso für den Umgang mit Hauptspeicher und Rechenleistung (CPU und GPU). Auch hier gilt zunächst, dass die eigene App auf den ersten Blick nichts davon hat, dass sie sorgsam mit diesen Ressourcen umgeht, solange man nicht an die Leistungsgrenze kommt. Dennoch trägt auch die sorgsame Nutzung dieser Ressourcen zur User Experience des Smartphones bei. Benötigt die aktuell (im Vordergrund) benutzte App weitere Ressourcen, so wird beispielsweise diejenige App vom Betriebssystem beendet, die momentan im Hintergrund die meisten Ressourcen benötigt.

Dies beeinträchtigt nicht nur die Ladezeiten für deren nächstes Öffnen sondern ggf. sogar deren Funktionalität, da Hintergrundoperationen nicht mehr durchgeführt werden können. Wir tun somit gut daran, auf die Ressourcennutzung unserer Apps zu achten (so dass wir zumindest nicht die meisten Ressourcen verbrauchen bzw. verschwenden und damit oben auf der Liste stehen). Dies wird mit der Einführung von „echtem“ Multitasking mit iOS 9 auf dem iPad Air 2 noch wichtiger. Wir können dann nicht mehr davon ausgehen, dass unsere App alleine im Vordergrund ist, sondern sie muss sich die Ressourcen ggf. mit einer weiteren App teilen. Der eigenen App stehen dann ein Drittel, die Hälfte oder der ganze Bildschirm zur Verfügung. Apple empfiehlt hier „Nice-to-Have-Funktionalitäten“ zu opfern, wenn die eigene App derzeit nur zur Hälfte oder einem Drittel angezeigt wird. Die Benutzer werden es danken.

Akku-Laufzeit

Der sorgsame Umgang mit Rechenleistung wirkt sich zudem positiv auf die Akkulaufzeit aus. Wir erwarten heute, dass wir unser Smartphone den ganzen Tag lang nutzen können („All-day Battery Life“). Im besten Fall müssen wir es tagsüber nicht aufladen. Dies ist jedoch bei intensiver Nutzung des Geräts leider immer noch nicht möglich. Zwar werden die Akkus immer größer und leistungsfähiger, jedoch müssen wir als Softwareentwickler auch hier unseren Teil dazu beitragen. Mit Bezug auf die Rechenleistung gibt Apple hier die Faustregel an „Schneller = weniger Energieverbrauch“.

Wenn wir somit eine rechenintensive Operation durchführen, so braucht eine „naive“ (Algorithmus-) Variante ohne Optimierung am meisten Energie, gefolgt von einer optimierten Operation. Noch weniger Energie benötigt eine Operation, wenn sie parallel von mehreren CPUs ausgeführt werden kann (Multicore-Optimierung). Optimiert man die Operation dann noch durch OpenCL oder GPU Nutzung, so spart man noch mehr Energie. Dies erscheint zunächst nicht offensichtlich, da eine Operation, die parallel mehrere CPUs und die GPU in Anspruch nimmt, natürlich viel mehr Energie benötigt. Laut Apple kann die Operation aber so viel schneller ausgeführt werden, dass es sich am Ende auszahlt. Es lohnt sich somit nicht, einfach naiv jede Operation so umzusetzen, wie man es schon immer gemacht hat, sondern beispielsweise Bibliotheken zu verwenden, die für Multicore-Nutzung optimiert sind.

Diagramm - Prozessorleistung Algorithmen-Varianten

Schneller = weniger Energieverbrauch. Operationen die bezüglich Multicore, OpenCL und GPU Benutzung optimiert wurden beanspruchen zwar den Prozessor mehr, sind aber deutlich schneller. Operationen mit naiv umgesetzten Algorithmen beanspruchen zwar den Prozessor weniger, durch die lange Rechenzeit wird jedoch am Ende deutlich mehr Akkuleistung verschwendet.

Neben der Multicore-Optimierung habe ich folgende weitere Empfehlungen zur Optimierung der Akkulaufzeit mitgenommen:

  • Nur dann transparente Overlays in Videos verwenden, wenn wirklich nötig, da diese Overlays energiesparende Mechanismen aushebeln.
  • Networking (Bluetooth, WLAN, LTE) minimieren. Muss die App wirklich immer im Hintergrund synchronisiert werden, oder reicht es vielleicht die Synchronisation bei der nächsten Benutzung durchzuführen?
  • Sleep Zustand nicht verzögern.
  • Operationen erst dann durchführen, wenn der Benutzer deren Ergebnis benötigt.
  • GPS Nutzung nicht übertreiben. Man muss auch nicht immer gleich alles in der App aktuell halten. Man kann z.B. auch Minutenlang die Position einfach von der Hardware tracken lassen (M7 Motionprocessor) und aktualisiert die App erst später, z.B. sobald die App wieder in den Vordergrund kommt. d.h. verwendet wird.
  • Operationen dann durchführen, wenn der Benutzer das Gerät gerade aktiv verwendet.

Apple hat zudem iOS 9 hinsichtlich Akkulaufzeit verbessert und verspricht mit iOS 9 auf gleicher Hardware 1 Stunde mehr Akkulaufzeit als mit iOS 8. Hierzu werden beispielsweise folgende Änderungen eingeführt:

  • Liegt das mobile Gerät mit dem Display nach unten (Face Down), wird das Display nicht eingeschaltet, um eine Benachrichtigung anzuzeigen.
  • Die Sleep Timer wurden optimiert. So wird das Display beispielweise schneller wieder ausgeschaltet, wenn der Benutzer schon aktiv mit einer Benachrichtigung interagiert. Ohne Interaktion bleibt das Display länger an, da der Benutzer die Benachrichtigung ggf. noch nicht gesehen hat.
  • Benutzer werden in den Einstellungen informiert, was viel Energie verbraucht und es werden Vorschläge gemacht, wie man den Energieverbrauch verbessern kann.

Außerdem wird mit iOS 9 ein „Low Power Mode“ eingeführt, der bei gleicher Hardware zusätzliche 3 Stunden Akkulaufzeit bringen soll. Aktiviert der Benutzer diesen Mode, so werden beispielsweise keine Background-Downloads durchgeführt und keine E-Mails im Hintergrund abgerufen.

Nicht immer das Letzte rauspressen

Es bleibt natürlich abzuwarten, ob Architekten, Programmierer und Designer gute Nachbarn sein können und (augenscheinlich) uneigennützig ihre Apps bezüglich des Umgangs mit knappen Ressourcen optimieren. Vielleicht pressen sie auch weiterhin alles bis aufs Letzte aus den verfügbaren Ressourcen raus („Nach mir die Sintflut.“). Hiervor möchte ich auf jeden Fall waren. Es geht nämlich nicht nur um die Optimierung der User Experience des Smartphones für den Benutzer. Ein rücksichtsvoller bzw. rücksichtsloser Umgang mit knappen Ressourcen hat ggf. auch einen Einfluss auf das eigene Business. So kann beispielsweise eine App, die wenig Speicherplatz und Akkulaufzeit „frisst“, momentan sogar ein Alleinstellungsmerkmal (USP) sein. Dies gilt insbesondere für Apps, für die es viele Konkurrenz-Apps gibt, die sich nicht wirklich in ihrer Funktionalität unterscheiden (z.B. Wetter-Apps).

Viel wichtiger ist jedoch, dass Benutzer selbst mittlerweile einen viel besseren Überblick haben, welche Apps die Ressourcen ihrer Smartphones verschwenden. In den iPhone Einstellungen unter „Allgemein->Benutzung->Batterienutzung“ bzw. „Allgemein->Benutzung->Speicher verwalten“ werden alle Apps in einer Rangliste aufgeführt.

iPhone Speicher- und Akkunutzung

iPhone Einstellungen: Batterienutzung (Links), Speichernutzung (Mitte), Speicherintensive App löschen (Rechts)

Möchte der Benutzer beispielsweise eine App löschen, die seiner Meinung nach zu viel Speicherplatz benötigt, so kann er die App direkt dort löschen. Dazu werden nur 2 Klicks benötigt. Wer jedoch sorgsam mit den knappen Ressourcen umgeht, hat offensichtlich nichts zu befürchten.

„Bei uns ist alles anders!“

Jeder von Euch war sicherlich schon in einer solchen Situation:

  • Der Chef kommt von einer Konferenz: „Wir führen jetzt DevOps ein!“
  • Ein Kollege kommt von einer UX-Weiterbildung: „Wir sollten ab jetzt Paper Prototyping machen!“
  • Der Product Owner kommt von einem neuen Kunden: „Wir sollten den Kunden ganz eng in die Entwicklung einbinden!“
  • Der CIO kommt von einem Vortrag über Netflix: „Unsere Software muss jetzt bei Amazon Web Services betrieben werden.“

Alle berichten enthusiastisch über ihre neuen Erkenntnisse und die Reaktion der Kollegen ist häufig die gleiche: „Das ist zwar schön, geht aber bei uns nicht, weil:“

"Bei uns ist alles anders"

Auf den ersten Blick erscheint diese Aussage meist plausibel und wird oft öffentlichkeitswirksam mit einem Beispiel unterlegt. Dennoch hält diese Aussage bei genauerem Hinsehen oft nicht stand. Hierfür sind uns bisher hauptsächlich 2 Ursachen begegnet: Subjektiv wahrgenommene, extreme Komplexität oder eine überzogene Erwartung bezüglich der Präzision von Software Engineering (SE) Methoden.

Wahrgenommene Komplexität

Dass wir uns in der eigenen Domäne besonders gut auskennen, ist eine absolute Stärke und notwendig, um tolle Produkte zu bauen: Wir kennen die Kunden (manche davon sogar persönlich), die Konkurrenz, den Markt, wichtige Einflussfaktoren und vor allem die Historie des eigenen Unternehmens.

Das hat aber nicht nur Vorteile: Weil wir für unser eigenes Unternehmen alle Details und (noch so abstrusen) Spezialfälle kennen, erscheint unser eigenes Business als viel komplizierter als das der Konkurrenz. Weil wir deren Details und Spezialfälle eben nicht kennen, tendieren wir eher dazu, sie zu simplifizieren. In unserem eigenen Unternehmen sehen wir oft den Wald vor lauter Bäumen nicht und die Fähigkeit zur Abstraktion bleibt im Tagesgeschäft auf der Strecke. Wir tendieren somit dazu, die Situation im eigenen Unternehmen zu übertreiben und die Situation von anderen Unternehmen zu untertreiben.

Untertreiben der fremden Situation, Übertreiben der eigenen Situation

Die wahrgenommene Komplexität (im eigenen Unternehmen) nimmt noch dadurch zu, dass Unternehmen oft groß sind und das Wissen auf viele Köpfe verteilt ist. Somit ist es dem Einzelnen meist gar nicht möglich, sich eine Übersicht zu verschaffen. Um trotzdem zur notwendigen Abstraktion zu kommen, müssen sehr viele Leute involviert werden. Die dadurch entstehende Prozesskomplexität wird dann als Komplexität des zu lösenden Problems wahrgenommen. Diese Prozesskomplexität nimmt man bei der Konkurrenz nicht wahr und somit erscheint deren zu lösendes Problem einfacher.

Diagramm - Wahrgenommene Komplexität

Wahrgenommene Komplexität in Abhängigkeit zum eigenen Detailwissen

Schauen wir uns als Beispiel die Einführung von DevOps an. Wir haben von vielen Unternehmen gehört, dass es erfolgreich eingeführt wurde. Soll es aber bei uns zum Einsatz kommen, dann fallen uns alle Details ein, die dagegen sprechen: alle zu involvierenden Personen und ihre Eigenheiten, Machtspiele und Veränderungsresistenzen, die Komplexität in Varianten und Releases der eigenen Produkte und Systeme und alle internationalen Unterschiede. Alle diese Details sind uns von den anderen Unternehmen nicht bekannt und führen somit nicht zu wahrgenommener Komplexität.

"Überzogene Erwartung"

(Uns) Informatikern fällt es besonders leicht, Gegenbeispiele zu finden, die belegen, dass eine Neuerung nicht 100%ig angewendet werden kann. Dies gilt meist sogar für eine Anwendung im Allgemeinen aber auf jeden Fall für eine Anwendung im eigenen Unternehmen. Selbst wenn die Neuerung zu 99,9% angewendet werden könnte, so finden wir die 0,1%, in denen es nicht funktioniert. Somit liefern wir den Todesstoß durch Gegenbeispiele:

  • „Herr Müller aus dem Betrieb würde niemals mit uns zusammenarbeiten, daher können wir kein DevOps einführen!“
  • „Bei uns können nicht alle Mitarbeiter zeichnen, somit können wir kein Paper Prototyping einführen!“
  • „Die meisten unsere Kunden wissen eh nicht was sie brauchen, somit können wir sie auch nicht in die Entwicklung mit einbinden!“
  • „Wir hatten auch schon mal Kunden aus dem militärischen Bereich, somit dürfen wir gar keine Daten in der Cloud speichern und schon gar nicht bei einem Unternehmen aus den USA!“

Häufig ist jedoch unser Anspruch an SE-Methoden zu hoch. Statt zu erwarten, dass sie uns in einem überwiegenden Teil der Fälle helfen, erwarten wir 100% Anwendbarkeit und Präzision, am besten anwendbar ohne viel Vorwissen und trotzdem mit tollen Ergebnissen. Sofern dies nicht vollständig gegeben ist, tendieren wir stark zur Ablehnung der Methode. Eine solch ablehnende Haltung wird dann gleich noch generalisiert und die Anwendbarkeit der Methode grundsätzlich in Frage gestellt. Es erscheint plausibel, die 99,9% Verbesserung sicherheitshalber fallen zu lassen, da die Methode nicht 100% funktioniert.

"Software Engineering ist keine exakte Wissenschaft!"

Dabei vergessen wir leider: Software Engineering ist keine exakte Wissenschaft. Vielmehr dient es dazu, den Umgang mit vielen komplexen Einflussfaktoren in der Entwicklung von Software besser beherrschbar zu machen:

  • Mitarbeit von vielen Menschen mit ganz unterschiedlichen Hintergründen und Wissensständen
  • Lösung immer neuer Problemstellungen durch Software. Diese Problemstellungen sind meist nicht klar, ändern sich über die Zeit und werden von verschiedenen Menschen verschieden wahrgenommen
  • Verwendung innovativer Technologien, die häufig nicht in allen Facetten verstanden sind

In einem solch komplexen und heterogenen Umfeld ist es eigentlich klar, dass SE-Methoden nur mit Abstraktionen arbeiten und Approximationen anbieten können. Sie sind selten wirklich formal und erfordern immer ein gewisses Expertenwissen. Im Umkehrschluss ist es dann die Aufgabe der anwendenden Menschen, die Übertragbarkeit oder Nichtübertragbarkeit zu erkennen und im Falle einer Anwendung auch konkret auszugestalten.

In der konkreten Anwendung von SE-Methoden bleibt daher immer der Mensch gefordert: Er hat Gestaltungsspielraum und kann seine Kreativität einbringen. Softwareentwicklung ist keine überaus planbare und vorhersehbare Aktivität, sondern erfordert einen hohen Grad Forschungs- und Planungstätigkeiten (Gedanken dazu in einem Blog-Beitrag von Ralf Westphal).

"Es gibt keine Flileßband-Tätigkeiten im Software Engineering!" (Foto: Pradit.Ph / Shutterstock.com, http://www.shutterstock.com/gallery-2909461p1.html?cr=00&pl=edit-00)

Tätigkeiten mit extrem hoher Wiederholbarkeit (wie zum Beispiel Montage am Fließband) gibt es bei der Softwareentwicklung fast nicht, insbesondere weil Software, einmal erschaffen, beliebig ohne Aufwand vervielfältigt werden kann. Für alle wiederkehrenden Aufgaben entstehen Tools zur Automatisierung, wie zum Beispiel für die Testautomatisierung oder für Continuous Delivery. Zu großen Teilen  ist Softwareentwicklung aber weniger formal und planbar und fordert mehr den Menschen. Wäre dies nicht so, dann wäre Softwareentwicklung mittlerweile vollständig automatisiert und nicht mehr auf Menschen angewiesen. Obwohl das offensichtlich ist, haben dennoch viele den Wunsch nach einer Supermethode, die perfekt auf jeden Kontext passt, völlig reproduzierbar ist (und im Falle der Existenz direkt alle Jobs kosten würde).

Das alles soll natürlich nicht heißen, dass SE-Methoden nicht noch weitaus besser werden können und müssen. Mary Shaw zeigt sehr gut auf, wie sich Software Engineering gegenwärtig gegenüber anderen Ingenieursdisziplinen positioniert und welches Verbesserungspotential noch besteht. Die (angewandte) Forschung hat also noch viel zu tun!

In diesem Wissen über SE-Methoden müssen alle Beteiligten handeln: nicht vorschnell Methoden und Ideen ablehnen. Bevor wir sagen „bei uns ist alles anders“ sollten wir darüber nachdenken, wo Abstraktion und Approximation am Werk sind. Die Kunst ist es also gerade nicht, durch ein Gegenbeispiel eine neue Idee auszuhebeln, sondern umfassend zu beurteilen, ob in der Summe eine SE-Methode wirtschaftlich und erfolgreich einsetzbar ist. Das Ergebnis einer Beurteilung ist oft nicht offensichtlich, wer jedoch zu einem Ergebnis kommen kann ist offensichtlich ein Experte.

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