Архитектура операционных систем и интерфейсы прикладного программирования

     Проблема, главным образом, заключается в  том, что большинство языков программирования предоставляют пользователю не очень широкий набор стандартизованных функций. Поэтому разработчик исходного кода существенно ограничен в выборе доступных функций API. Как правило, набора стандартных функций оказывается недостаточно для создания полноценной прикладной программы. Тогда разработчик может обратиться к функциям других библиотек, имеющихся в составе системы программирования. В этом случае нет гарантии, что функции, включенные в состав данной системы программирования, но не входящие в стандарт языка программирования, будут доступны в другой системе программирования. Особенно если она ориентирована на другую архитектуру целевой вычислительной системы. Такая ситуация уже ближе к третьему варианту реализации API.

     Например, те же функции mall ос, real! ос и free в языке С фактически не входят в стандарт языка. Они входят в состав стандартной библиотеки, которая «де-факто» входит во все системы программирования, построенные на основе языка С. Общепринятые стандарты существуют для многих часто используемых функций языка. Если же взять более специфические функции, такие как функции порождения новых процессов, то для них ни в С, ни в языке Pascal не окажется общепринятого стандарта.

Реализация  функций API с помощью внешних библиотек

     При реализации функций API с помощью внешних библиотек они предоставляются пользователю в виде библиотеки процедур и функций, созданной сторонним разработчиком. Причем разработчиком такой библиотеки может выступать тот же самый производитель.

     Система программирования ответственна только за то, чтобы подключить объектный код библиотеки к результирующей программе. Причем внешняя библиотека может быть и динамически загружаемой (загружаемой во время выполнения программы).

     С точки зрения эффективности выполнения этот метод реализации API имеет самые низкие результаты, поскольку внешняя библиотека обращается как к функциям ОС, так и к функциям RTL языка программирования. Только при очень высоком качестве внешней библиотеки ее эффективность становится сравнимой с библиотекой RTL.

     Если  говорить о переносимости исходного кода, то здесь требование только одно — используемая внешняя библиотека должна быть доступна в любой из архитектур вычислительных систем, на которые ориентирована прикладная программа. Тогда удается достигнуть переносимости. Это возможно, если используемая библиотека удовлетворяет какому-то принятому стандарту, а система программирования поддерживает этот стандарт.

     Например, библиотеки, удовлетворяющие стандарту  POSIX (см. следующий подраздел), доступны в большинстве систем программирования для языка С. И если прикладная программа использует только библиотеки этого стандарта, то ее исходный код будет переносимым. Еще одним примером является широко известная библиотека графического интерфейса XLib, поддерживающая стандарт графической среды X Window.

     Для большинства специфических библиотек  отдельных разработчиков это  не так. Если пользователь использует какую-то библиотеку, то она ориентирована  на ограниченный набор доступных  архитектур целевой вычислительной системы. Примерами могут служить  библиотеки MFC (Microsoft foundation classes) фирмы Microsoft и VCL (visual controls library) фирмы Borland, жестко ориентированные на архитектуру ОС типа Windows.

     Тем не менее, многие фирмы-разработчики сейчас стремятся создать библиотеки, которые бы обеспечивали переносимость исходного кода приложений между различными архитектурами целевой вычислительной системы. Пока еще такие библиотеки не получили широкого распространения, но есть несколько попыток их реализации — например, библиотека CLX производства фирмы Borland ориентирована на архитектуру ОС типа Linux и ОС типа Windows.

     В целом развитие функций прикладного  API идет в направлении попытки создать библиотеки API, обеспечивающие широкую переносимость исходного кода. Однако, учитывая корпоративные интересы различных производителей и сложившуюся ситуацию на рынке системного программного обеспечения, в ближайшее время вряд ли удастся достичь значительных успехов в этом направлении. Разработка широко применимого стандарта API пока еще остается делом будущего.

     Поэтому разработчики системных программ вынуждены  оставаться в довольно узких рамках ограничений стандартных библиотек  языков программирования.

     Что касается прикладных программ, то гораздо  большую перспективу для них  предоставляют технологии, связанные с разработками в рамках архитектуры «клиент—сервер» или трехуровневой архитектуры создания приложений. В этом направлении ведущие производители ОС, СУБД и систем программирования скорее достигнут соглашений, чем в направлении стандартизации API.

     Итак, нами были рассмотрены основные принципы, цели и подходы к реализации системных API. Отметим еще один очень важный момент: желательно, чтобы интерфейс прикладного программирования не зависел от системы программирования. Конечно, были одно время персональные компьютеры, у которых базовой системой программирования выступал интерпретатор с языка Basic, но это скорее исключение. Обычно базовые функции API не зависят от системы программирования и могут использоваться из любой системы программирования, хотя и с применением соответствующих правил построения вызывающих последовательностей. В то же время в ряде случаев система программирования может сама генерировать обращения к функциям API. Например, мы можем написать в программе вызов функции по запросу 256 байт памяти

unsigned char * ptr = malloc (256).

     Система программирования языка С сгенерирует  целую последовательность обращений. Из кода пользовательской программы будет осуществлен вызов библиотечной функции malloc, код которой расположен в RTL языка С. Библиотека времени выполнения в данном случае реализует вызов malloc уже как вызов системной функции API НеарАllос

LPVOID HeapAlloc(

HANDLE   hHeap.     // handle to the private heap block - указатель на блок DWORD  dwFlags.   // heap allocation control  flags - свойства блока DWORD  dwBytes    // number of bytes to allocate  - размер блока ):

     Параметры выделяемого блока памяти в таком  случае задаются системой программирования, и пользователь лишен возможности задавать их напрямую. С другой стороны, если это необходимо, возможно использование функций API прямо в тексте программы.

unsigned char * ptr = (LPVOID) HeapAlloc( GetProcessHeap().  0, 256).

     В этом случае программирование вызова немного усложняется, но получаемый конечный результат будет, как правило, короче и, что самое важное, будет работать эффективнее. Следует отметить, что далеко не все возможности API доступны через обращения к функциям системы программирования. Непосредственное обращение к функциям API позволяет пользователю обращаться к системным ресурсам более эффективным способом. Однако это требует знания функций API, количество которых нередко достигает нескольких сотен.

     Как правило, API не стандартизированы. В каждом конкретном случае набор вызовов API определяется, прежде всего, архитектурой ОС и ее назначением. В то же время принимаются попытки стандартизировать некоторый базовый набор функций, поскольку это существенно облегчает перенос приложений с одной ОС в другую. Таким примером может служить очень известный и, пожалуй, один из самых распространенных стандартов — стандарт POSIX. В этом стандарте перечислен большой набор функций, их параметров и возвращаемых значений. Стандартизированными, согласно POSIX, являются не только обращения к API, но и файловая система, организация доступа к внешним устройствам, набор системных команд (В данном контексте под системными командами следует понимать некий набор программ, позволяющих управлять вычислительными процессами. Например, pstat, kill, dir и др.). Использование в приложениях этого стандарта позволяет в дальнейшем легко переносить такие программы с одной ОС в другую путем простейшей перекомпиляции исходного текста.

     Частным случаем попытки стандартизации API является внутренний корпоративный стандарт компании Microsoft, известный как WinAPI. Он включает в себя следующие реализации: Win16, Win32s, Win32, WinCE. С точки зрения WinAPI (в силу ряда идеологических причин — обязательный графический «оконный» интерфейс пользователя), базовой задачей является окно. Таким образом, WinAPI изначально ориентирован на работу в графической среде. Однако базовые понятия дополнены традиционными функциями, в том числе частично поддерживается стандарт POSIX.

Платформенно-независимый  интерфейс POSIX

     POSIX (Portable Operating System Interface for Computer Environments) — плат-форменно независимый системный интерфейс для компьютерного окружения. Это стандарт IEEE, описывающий системные интерфейсы для открытых операционных систем, в том числе оболочки, утилиты и инструментарии. Помимо этого, согласно POSIX, стандартизированными являются задачи обеспечения безопасности, задачи реального времени, процессы администрирования, сетевые функции и обработка транзакций. Стандарт базируется на UNIX-системах, но допускает реализацию и в других ОС.

     POSIX возник как попытка всемирно известной организации IEEE (IEEE (Institute of Electrical and Electronical Engineers) — американский Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) пропагандировать переносимость приложений в UNIX-средах путем разработки абстрактного, платформенно-независимого стандарта. Однако POSIX не ограничивается только UNIX-системами; существуют различные реализации этого стандарта в системах, которые соответствуют требованиям, предъявляемым стандартом IEEE Standard 1003.1-1990 (POSIX.1). Например, известная ОС реального времени QNX соответствует спецификациям этого стандарта, что облегчает перенос приложений в эту систему, но UNIX-системой не является ни в каком виде, ибо ее архитектура использует абсолютно иные принципы.

     Этот  стандарт подробно описывает VMS (virtual memory system, систему виртуальной памяти), многозадачность (МРЕ, multiprocess executing) и технологию переноса операционных систем (CTOS). Таким образом, на самом деле POSIX представляет собой множество стандартов, именуемых POSIX.1 — POSIX. 12.

     В табл. 5.1 приведены основные направления, описываемые данными стандартами. Следует также особо отметить, что POSIX.1 предполагает язык С как основной язык описания системных функций API.

Таблица 5.1. Семейство стандартов POSIX

     Таким образом, программы, написанные с соблюдением данных стандартов, будут одинаково выполняться на всех POSIX-совместимых системах. Однако стандарт в некоторых случаях носит лишь рекомендательный характер. Часть стандартов описана очень строго, тогда как другая часть только поверхностно раскрывает основные требования. Нередко программные системы заявляются как POSIX-совместимые, хотя таковыми их назвать нельзя. Причины кроются в формальности подхода к реализации POSIX-интерфейса в различных ОС. На рис. 5.1 изображена типовая схема реализации строго соответствующего POSIX приложения.

Рис. 5.1. Приложения, строго соответствующие стандарту POSIX

     Из  рис. 5.1 видно, что для взаимодействия с операционной системой программа  использует только библиотеки POSIX.1 и стандартную библиотеку RTL языка С, в которой возможно использование лишь 110 различных функций, также описанных стандартом POSIX.1.

     К сожалению, достаточно часто с целью  увеличить производительность той  или иной подсистемы либо из соображений  введения фирменных технологий, которые ограничивают использование приложения соответствующей операционной средой, при программировании используются другие функции, не отвечающие стандарту POSIX.

     Реализации  POSIX API на уровне операционной системы различны. Если UNIX-системы в своем абсолютном большинстве изначально соответствуют спецификациям IEEE Standard 1003.1-1990, то WinAPI не является POSIX-совместимым. Однако для поддержки данного стандарта в операционной системе MS Windows NT введен специальный модуль поддержки POSIX API, работающий на уровне привилегий пользовательских процессов. Данный модуль обеспечивает конвертацию и передачу вызовов из пользовательской программы к ядру системы и обратно, работая с ядром через WinAPI. Прочие приложения, написанные с использованием WinAPI, могут передавать информацию POSIX-приложениям через стандартные механизмы потоков ввода/вывода (stdin, stdout) [97].

Пример  программирования в различных API ОС

     Для наглядной демонстрации принципиальных различий API наиболее популярных современных операционных систем для ПК рассмотрим простейший пример, в котором реализуется следующая задача.

     Постановка  задачи: необходимо подсчитать количество пробелов в текстовых файлах, имена которых должны указываться в командной строке. Рассмотрим два варианта программы, решающей эту задачу, — для Windows (с использованием WinAPI) и для Linux (POSIX API).