Ос лекция 1 (2-й семестр – временно)

Вид материала

Содержание

Основные идеи стандарта POSIX
Мобильность POSIX-совместимых приложений
Основные понятия стандарта POSIX
Основные понятия операционных систем, соответствующих стандарту POSIX
Среда компиляции POSIX-совместимых приложений

Подобный материал:

ОС Лекция 1 (2-й семестр – временно)

Обеспечение мобильности (переносимости, портабельности) программного обеспечения (ПО) - задача исключительной важности и сложности; в наше время это обстоятельство едва ли нуждается в пространных обоснованиях. Один из общепринятых способов повышения мобильности ПО - стандартизация окружения приложений: предоставляемых программных интерфейсов, утилит и т.п. На уровне системных сервисов подобное окружение описывает стандарт POSIX (Portable Operating System Interface - мобильный интерфейс операционной системы); название предложено известным специалистом, основателем Фонда свободного программного обеспечения Ричардом Столмэном.

Мы будем рассматривать наиболее современную из доступных версий стандарта POSIX, в редакции 2003 г., которую можно назвать "стандартом втройне", а именно: стандартом IEEE Std 1003.1, Техническим стандартом Open Group и (см. [6], что для нас важнее всего, международным стандартом ISO/IEC 9945

Основополагающим документом для пересмотренного стандарта, первый проект которого был представлен в июле 1999 года, стали Базовые спецификации от Open Group, поскольку они включали положения стандартов IEEE и ISO/IEC. В 2001 году, по завершении подготовительной работы, стандарт содержал следующие четыре части:

основные определения (термины, концепции и интерфейсы, общие для всех частей);
описание прикладного программного C-интерфейса к системным сервисам;
описание интерфейса к системным сервисам на уровне командного языка и служебных программ;
детальное разъяснение положений стандарта, обоснование принятых решений.

Далее в ISO, IEEE и Open Group с большей или меньшей скоростью (в 2001-2002 гг.) прошло формальное утверждение нового стандарта POSIX. Тем временем накапливались относительно мелкие исправления, учтенные в редакции 2003-го года.

С развитием стандарта расширялась и трактовка термина "POSIX". Первоначально он относился к документу IEEE Std 1003.1-1988, описывавшему прикладной программный интерфейс ОС класса Unix. После стандартизации интерфейса на уровне командного языка и служебных программ более правильно понимать под словом "POSIX" стандарт в целом, обозначая перечисленные выше части 2 и 3 через POSIX.1 и POSIX.2 в соответствии с нумерацией документов IEEE и ISO/IEC.

Основные идеи стандарта POSIX

Стандарт POSIX описывает множество базовых, системных сервисов, необходимых для функционирования прикладных программ. Доступ к ним предоставляется посредством интерфейса, специфицированного для языка C, командного языка и общеупотребительных служебных программ.

У каждого интерфейса есть две стороны: вызывающая и вызываемая. Стандарт POSIX ориентирован в первую очередь на вызывающую. Его цель - сделать приложения мобильными на уровне исходного языка. Это значит, в частности, что при переносе C-программ на другую операционную платформу потребуется перекомпиляция. О мобильности выполнимых программ и/или объектных файлов речь не идет.

Стандарт POSIX отнюдь не ограничен рамками Unix-среды. Существуют операционные системы (ОС) "независимого происхождения" (например, системы реального времени), предоставляющие необходимые сервисы и тем самым поддерживающие выполнение POSIX-совместимых приложений. Можно утверждать, что следование стандарту POSIX облегчает перенос приложений практически на любую сколько-нибудь распространенную операционную платформу. Дополнительные усилия по повышению мобильности, прилагаемые на этапе разработки, безусловно, окупятся.

Определяя интерфейс к системным сервисам, POSIX оставляет за рамками рассмотрения их реализацию. В частности, не различаются системные вызовы и библиотечные функции. Не являются объектом стандартизации средства администрирования и аппаратные ограничения. POSIX нейтрален по отношению к системной архитектуре и разрядности процессора, что является важным аспектом мобильности приложений.

В стандарте POSIX проведено разделение на обязательные и дополнительные функции, причем обязательное ядро сделано по возможности компактным.

При разработке новых версий стандарта POSIX главным условием является обратная совместимость: т.е. новые интерфейсы добавлялись так, чтобы они не конфликтовали со старыми, хотя полностью избежать внесения изменений в приложения при переходе на новый стандарт не удастся.

Мобильность POSIX-совместимых приложений

Мобильность приложений, соответствующих стандарту POSIX, принципиально достижима благодаря двум основным факторам:

наличие огромного числа стандартизованных системных сервисов
возможность динамического выяснения характеристик целевой платформы и подстройки под них приложения.

Приложения, соответствующие стандарту POSIX, могут быть одно- и многопроцессными, с возможностью динамической адаптации конфигурации к свойствам целевой платформы. Стандартизованы средства порождения и завершения процессов, смены их программ, опроса и/или изменения разнообразных характеристик. Процессы можно приостанавливать и активизировать в заданное время. Механизм сигналов позволяет извещать о событиях и завершать процессы внешним образом. Для их группирования предусмотрены средства управления заданиями. Приложения снабжены регуляторами для управления планированием и приоритетами процессов. Широк спектр средств межпроцессного взаимодействия (очереди сообщений, разделяемая память, семафоры) и управления памятью.

Функции для работы с файлами удовлетворяют потребности приложений в чтении и записи долговременных данных, защите таких данных от несанкционированного доступа. Механизм блокировки фрагментов файлов позволяет обеспечить атомарность транзакций. Асинхронный ввод/вывод дает возможность совмещать операции обмена, оптимизируя тем самым приложения. С помощью множества служебных программ можно относительно легко организовать сложную обработку данных.

В стандарте POSIX тщательно проработаны вопросы доступа к внешним устройствам, подсоединенным по последовательным линиям, особенно к терминалам. Возможно, в большей детализации нуждаются средства работы с такими распространенными носителями, как магнитная лента.

Стандартизованный командный язык shell - адекватное средство для написания небольших мобильных процедур и их быстрой интерактивной отладки. Выделим механизм конвейеров, позволяющий объединять команды в цепочки с фильтрацией промежуточных результатов. Служебные программы образуют развитую среду выполнения для shell-процедур. За счет фонового режима можно организовать одновременное выполнение нескольких программ и взаимодействие с ними посредством обычного терминала без многооконных возможностей.

POSIX стандартизует интерфейс командной строки. В принципе, он достаточен, в меру удобен и, что важно, создает минимум проблем с точки зрения мобильности. Вероятно, в будущих версиях стандарта будет регламентирован графический интерфейс, но, безусловно, это чревато дополнительными сложностями для разработчиков мобильных приложений.

Языково-культурная среда - одно из важнейших понятий стандарта POSIX с точки зрения мобильности. Приложения способны определять нужную им среду и адаптироваться к потребностям пользователей.

Для многопользовательских систем требуется организация взаимодействия большого числа людей. POSIX решает эту проблему, регламентируя средства непосредственного и почтового обмена информацией.

Стандартом POSIX предусмотрены базовые средства поддержки разработки (в первую очередь - для языка C), что, конечно, не снижает потребности в специализированных, развитых системах, когда речь идет о работе с действительно большими программными проектами.

Приложениям предоставляются стандартизованные средства для выяснения как "крупноблочных" характеристик целевой системы (например, спектр поддерживаемых необязательных возможностей), так и более мелких характеристик (текущий размер свободного дискового пространства).

Проблема мобильности приложений чрезвычайно сложна, и было бы преувеличением утверждать, что стандарт POSIX-2001 решает ее полностью. Во-первых, за его рамками остаются такие важнейшие вопросы, как графика, многооконный интерфейс и целый ряд других. Во-вторых, в регламентируемых областях присутствуют "белые пятна" неспецифицированного поведения реализаций. Тем не менее, подчеркнем это еще раз, следование стандарту POSIX - обязательный элемент современной дисциплины разработки прикладных систем.

Основные понятия стандарта POSIX

Стандарт POSIX в редакции 2003-го года - весьма обширный, многогранный документ, где подробно рассматриваются следующие категории системных компонентов:

средства разработки;
сетевые средства;
средства реального времени;
потоки управления;
математические интерфейсы;
пакетные сервисы;
заголовочные файлы;
унаследованные интерфейсы.

Именно такой (на верхнем уровне, далеко не полный) репертуар должна предоставлять операционная система для работы приложения.

Важнейшим является понятие соответствия стандарту POSIX. Мы уже отмечали, что всякий интерфейс располагает двумя сторонами: вызывающей и вызываемой. Две стороны есть и у POSIX-соответствия: соответствие реализации (операционной системы) и приложения.

Реализация (операционная система), соответствующая стандарту POSIX, должна поддерживать все обязательные служебные программы, функции, заголовочные файлы с обеспечением специфицированного в стандарте поведения.

ОС может предоставлять возможности, помеченные в стандарте в качестве дополнительных, а также содержать нестандартные функции. Если утверждается, что поддерживается некоторое расширение, это должно производиться непротиворечивым образом, для всех необходимых частей и так, как описано в стандарте.

В заголовочном файле следует определить константы, соответствующие поддерживаемым необязательным возможностям (например, константа _POSIX2_C_DEV обслуживает средства разработки на языке C). Анализируя эти константы во время компиляции, приложение выяснит возможности используемой ОС и подстроится под них. Аналогичные действия на этапе выполнения могут быть выполнены с помощью функции sysconf() и/или служебной программы getconf.

Для минимизации размеров ОС и приложений стандартом POSIX предусмотрена весьма мелкая гранулярность необязательных возможностей (всего их сорок). С другой стороны, проведено объединение взаимосвязанных необязательных возможностей в группы, что во многих случаях избавляет от анализа большого числа опций. Группы эти таковы:

шифрование;
средства реального времени;
продвинутые средства реального времени;
потоки реального времени;
продвинутые потоки реального времени;
трассировка;
ПОТОКИ;
унаследованные возможности.

Например, в группу "средства реального времени" (_XOPEN_REALTIME) входят возможности четырнадцати видов, в том числе планирование на основе приоритетов, асинхронный ввод/вывод, семафоры, таймеры и т.п.

Для приложений понятие соответствия стандарту POSIX несколько сложнее. Предусмотрено строгое соответствие, главный отличительный признак которого - ограничение круга используемых возможностей рамками стандарта. Рассматривается и соответствие с применением расширений; в этом случае документация на приложение должна содержать описание требуемых нестандартных возможностей. Причем, желательно, чтобы используемые расширения POSIX-возможностей описывались международными и/или национальными стандартами.

Однако, что реализация понятия строгого POSIX-соответствия бессмысленно хотя бы по той причине, что не бывает операционных систем без средств администрирования, а они не описываются данным стандартом.

Профилем будем называть набор опций, описывающих необязательные возможности. Соответствие профилю означает соответствие стандарту POSIX и поддержку заданных возможностей. Разумным образом выбранные профили позволяют учитывать потребности представительных классов пользователей и/или приложений.

Основные понятия операционных систем, соответствующих стандарту POSIX

Мы рассмотрим следующие основные понятия операционных систем, соответствующих стандарту POSIX:

пользователь;
файл;
процесс;
терминал;
хост;
узел сети;
время;
языково-культурная среда.

Это первичные понятия. Их нельзя строго определить, но можно пояснить с помощью других понятий и отношений. Для каждого из выделенных понятий будут описаны присущие им атрибуты и применимые к ним операции.

В тексте стандарта POSIX содержатся следующие пояснения основных понятий вместе со ссылками на атрибуты и операции.

У пользователя есть имя и числовой идентификатор.
Файл - объект, допускающий чтение и/или запись и имеющий такие атрибуты, как права доступа и тип. К числу последних относятся обычный файл, символьный и блочный специальные файлы, канал, символьная ссылка, сокет и каталог. Реализация может поддерживать и другие типы файлов.
Процесс - адресное пространство вместе с выполняемыми в нем потоками управления, а также системными ресурсами, которые этим потокам требуются. Процессы выполняются в определенном окружении, частью которого является языково-культурная среда (Locale), образованная такими категориями, как символы и их свойства, форматы сообщений, дата и время, числовые и денежные величины. Как правило, с процессом ассоциированы по крайней мере три файла - стандартный ввод, стандартный вывод, стандартный протокол. Обычно стандартный ввод назначается на клавиатуру терминала, а стандартный вывод и стандартный протокол - на экран. Со стандартного ввода читаются команды и (иногда) исходные данные для них. На стандартный вывод поступают результаты выполнения команд. В стандартный протокол помещаются диагностические сообщения.
Терминал (или терминальное устройство) - символьный специальный файл, подчиняющийся спецификациям общего терминального интерфейса.
Сеть - совокупность взаимосвязанных хостов.
Языково-культурная среда - часть пользовательского окружения, зависящая от языковых и культурных соглашений.

Для написания программ, оперирующих с сущностями POSIX-совместимых систем, применяются командный интерпретатор (язык shell) и/или компилируемый язык C. В первом случае приложение может пользоваться служебными программами (утилитами), во втором - функциями. Функциональный интерфейс операционных систем естественно считать первичным, поскольку большинство служебных программ предназначены для вызова той или иной функции.

В POSIX-совместимых ОС определены объекты, которые можно назвать вспомогательными; они помогают организовать взаимодействие между основными сущностями. Особенно широк спектр средств межпроцессного взаимодействия.

Среда компиляции POSIX-совместимых приложений

Как правило, разработка приложений ведется в кросс-режиме, то есть платформа разработки (эквивалентный термин - инструментальная платформа) не совпадает с платформой выполнения (называемой также целевой платформой). На инструментальной платформе создается среда компиляции приложений, так что результат компиляции может быть перенесен для последующего выполнения на целевую платформу.

Важнейшая часть среды компиляции - заголовочные (или включаемые) файлы, содержащие прототипы функций, определения символических констант, макросов, типов данных, структур и т.п. Для каждой описанной в стандарте POSIX функции определено, какие заголовочные файлы должны быть включены использующим ее приложением (обычно требуется один файл).

Выше было указано, что посредством символических констант, определенных в заголовочном файле , операционная система предоставляет приложению информацию о поддерживаемых возможностях. Стандартом POSIX предусмотрен симметричный механизм, называемый механизмом макросов проверки возможностей, он позволяет приложениям объявлять о своем желании получить доступ к определенным прототипам и именам.

Основным макросом проверки возможностей является _POSIX_C_SOURCE. Среди требований к приложениям, строго соответствующим стандарту POSIX, фигурирует необходимость определения символической константы _POSIX_C_SOURCE со значением 200112L до включения каких-либо заголовочных файлов.

#if defined (_POSIX_C_SOURCE - 0 >= 199506L)

#define LIBXML_THREAD_ENABLED

#endif