Основные понятия и идеи стандарта POSIX

Основные понятия стандарта POSIX

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

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. Константа _POSIX_VERSION имеет значение 200112L.

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 <unistd.h> 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:

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.

Версия ОС Linux, на которой готовился текст данного курса, выдавала следующие значения некоторых конфигурационных констант (см. листинг 1.1).

$ getconf _POSIX_VERSION
199506
$ getconf POSIX2_C_DEV
1
$ getconf _XOPEN_REALTIME
1
$ getconf _POSIX_TRACE
undefined

Это значит, что поддерживается устаревшая версия стандарта POSIX, среди прочих присутствуют средства разработки и возможности реального времени; средства трассировки отсутствуют.

В документации на ОС должны быть отражены вопросы соответствия стандарту POSIX, описаны поддерживаемые дополнительные и нестандартные возможности.

Для приложений понятие соответствия стандарту POSIX богаче нюансами. 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. Желательно, чтобы используемые расширения POSIX-возможностей описывались международными и/или национальными стандартами.

(Отметим, что для реализации понятие 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.

Допускается существование " подпрофилей ", описывающих подмножества стандартных возможностей. Реализация, соответствующая подпрофилю, может функционировать на аппаратных платформах с ограниченными ресурсами и/или обслуживать нужды специфических приложений.

К числу важнейших принадлежат понятия, описывающие поведение реализации в различных ситуациях. Для многих корректных ситуаций поведение бывает неспецифицированным, а значит, мобильное приложение не должно полагаться на совпадение поведения разных реализаций. Для некорректных ситуаций поведение может быть неопределенным; приложению не только не следует полагаться на определенный характер подобного поведения - оно не должно совершать некорректных действий, вызывающих неопределенное поведение.

Еще один близкий термин, " поведение, зависящее от реализации ", дополнительно означает, что поведение реализации необходимо документировать.

Стандарт POSIX - это существующий много лет, развивающийся организм, в котором с каждой новой редакцией что-то появляется, а что-то утрачивается. Устаревшими называются возможности, которые еще поддерживаются различными реализациями, но в будущем они, вероятно, отомрут. Новые приложения не должны их использовать; для каждой из них стандартом предусмотрена адекватная по функциональности современная замена.

Более ограниченный смысл придан термину " унаследованный ": он описывает устаревшие необязательные возможности, которых, разумеется, следует избегать в новых приложениях.

Основные понятия операционных систем, соответствующих стандарту POSIX

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

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.

Для работы с большим числом сущностей всегда предоставляются механизмы группирования и построения иерархий. Существует иерархия файлов, группы пользователей и процессов, подсети и т.п.

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, по сути, для вызова той или иной функции. По этой причине далее мы будем рассматривать преимущественно уровень функций.

Основными операциями, применимыми к объектам ОС, являются чтение, запись и выполнение. Механизм прав доступа позволяет избирательно разрешать и запрещать осуществление подобных операций. Ранее в стандарте фигурировало понятие суперпользователя, не подверженного контролю прав доступа. В POSIX-2001 выбрана более гибкая формулировка - "имеющий соответствующие привилегии ", что отражает прогресс в реализации ОС с расщеплением суперпользовательских возможностей.

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

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.

К операционным системам могут предъявляться качественные требования, например, требование поддержки реального времени: способность обеспечить необходимый сервис в течение заданного отрезка времени.

Среда компиляции POSIX-совместимых приложений

Как правило (хотя это и не всегда осознается), 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 <unistd.h>, 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. Таким образом POSIX-совместимое приложение заявляет, что ему нужны POSIX-имена. Близкую по смыслу роль играет макрос _XOPEN_SOURCE (со значением 600 ).

Примером использования макроса _POSIX_C_SOURCE во включаемых файлах ОС Linux может служить фрагмент, приведенный на листинге 1.2.

#if defined(_REENTRANT) || (_POSIX_C_SOURCE - 0 >= 199506L)
#define LIBXML_THREAD_ENABLED
#endif

Стандартом POSIX предусмотрены некоторые меры для решения важной и трудной проблемы (вызванной в первую очередь необъектным характером языка C), заключающейся в отсутствии пересечений по именам между приложением и операционной системой. Префиксы posix_, POSIX_ и _POSIX_ зарезервированы для нужд стандарта.

С подчеркивания, за которым следует еще одно подчеркивание или заглавная латинская буква, могут начинаться только системные (но не прикладные) имена. Для включаемых файлов описаны префиксы используемых в них имен. Например, для операций управления файлами, фигурирующих в <fcntl.h>, в качестве префиксов задействованы F_, O_, S_. У средств межпроцессного взаимодействия, описанных в файле <sys/ipc.h>, префиксом служит IPC_. К сожалению, заголовочных файлов много, а какая-то общая дисциплина именования отсутствует вследствие исторических причин. Так, для манипулирования характеристиками терминалов в файле <termios.h> определено множество разнообразных имен: EXTB, VDSUSP, DEFECHO, FLUSHO и т.п. Еще имеется четыреста семнадцать имен типа _Exit, abort, abs, acos и т.д., которые могут участвовать в редактировании внешних связей прикладной программы. В результате, прикладной программист может случайно "перебить" системный макрос, внешнюю переменную или функцию, поэтому целесообразно задействовать все диагностические средства среды компиляции и тщательно изучать выдаваемые ими сообщения.

Мобильность POSIX-совместимых приложений

Мобильность приложений, соответствующих стандарту POSIX, принципиально достижима благодаря двум основным факторам. Во-первых - это наличие огромного числа стандартизованных системных сервисов, а во-вторых - возможность динамического выяснения характеристик целевой платформы и подстройки под них приложения. (Естественно, мы имеем в виду мобильность в рамках, регламентируемых стандартом.)

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. Наконец, в пределах процесса можно организовать несколько потоков управления.

Необходимая степень детерминизма выполнения достигается благодаря средствам поддержки реального времени (к ним относятся управление дисциплиной выделение процессоров, сигналы реального времени, удержание страниц в оперативной памяти, таймеры высокого разрешения и т.д.).

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 (впрочем, окна, несомненно, не помешали бы).

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.