Главная Ноутбуки

Стандартизация интерфейсов переносимых операционных систем. POSIX и ОС РВ: попытка систематизации. Основные идеи стандарта POSIX

В курсе рассматривается стандарт на мобильный интерфейс операционной системы (POSIX), а также приемы и методы программирования приложений на основе данного стандарта, поясняемые многочисленными примерами. Затрагиваются вопросы программирования многопроцессных систем, взаимодействия приложений в рамках распределенных конфигураций. 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 предложил известный специалист, основатель Фонда свободного программного обеспечения Ричард Столмэн.

В курсе рассматривается наиболее современная его версия в редакции 2003 г., которую можно назвать "стандартом втройне", а именно: стандартом IEEE Std 1003.1, Техническим стандартом Open Group и, что для нас важнее всего, международным стандартом ISO/IEC 9945. Основная задача настоящего курса состоит в осмыслении приемов и методов использования стандартизованных служебных программ и функций. Не ставилась цель пересказать стандарт, осветив все тонкости реализации ОС, все возможные коды ошибок и т.п. Главное, на наш взгляд, -прочувствовать дух стандарта, научиться мобильным образом применять заложенные в нем возможности. В предположении, что читатель владеет языком С, мы не рассматривали ни его синтаксис, ни хрестоматийные библиотечные функции. Что же касается стандартного командного языка и его интерпретатора, то эта тема изложена довольно подробно, хотя многие практикующие программисты предпочитают пользоваться другими интерпретаторами. Значительное место - и по объему, и по роли - отведено примерам программ. Многие положения стандарта (связанные, скажем, с обработкой ошибочных ситуаций) излагаются не в основном тексте, а в соответствующих примерах Последние по возможности компилировались и выполнялись на нескольких аппаратно-программных платформах, в той или иной степени претендующих на соответствие стандарту POSIX. Тем не менее, недосмотры, конечно, возможны. Мы будем признательны за все замечания и предложения, относящиеся как к курсу в целом, так и к отдельным примерам программ.

История создания и текущий статус стандарта POSIX.

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.

Титульная страница.
Выходные данные.
Лекция 1. Основные понятия и идеи стандарта POSIX.
Лекция 2. Язык shell.
Лекция 3. Утилиты и функции, обслуживающие понятие "пользователь".
Лекция 4. Организация файловой системы.
Лекция 5. Файловый ввод/вывод.
Лекция 6. Средства обработки структурированных данных.
Лекция 7. Процессы.
Лекция 8. Средства межпроцессного взаимодействия.
Лекция 9. Общий терминальный интерфейс.
Лекция 10. Опрос характеристик хостов и их использование в приложениях.
Лекция 11. Сетевые средства.
Лекция 12. Время и работа с ним.
Лекция 13. Языково-культурная среда.
Лекция 14. Заключение.
Список литературы.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Программирование в стандарте POSIX, часть 1, Галатенко В.А., 2016 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

POSIX и ОС РВ: попытка систематизации

Сергей Золотарев, Николай Горбунов

Целью данной статьи является попытка внести определенную ясность в историю развития стандарта POSIX применительно к операционным системам реального времени (ОС РВ).

В качестве введения: зачем нужна стандартизация программного интерфейса?

Одним из важнейших свойств стандарта POSIX является то, что он определяет "стандартизованный программный интерфейс", которого должны придерживаться разработчики сложных программно-аппаратных систем. Создатели этих систем вынуждены сталкиваться с такими требованиями, как сжатые сроки выхода на рынок (из-за жесткой конкуренции), минимизация затрат и ускорение возврата инвестиций. При этом львиная доля расходов, обусловленных замедлением процесса разработки, связана с тем, что программистам приходится "изобретать велосипед", снова и снова реализовывая функциональность, которая уже давно имеется. А ведь этого можно было бы избежать за счет:

повторного использования кода из прошлых и параллельных проектов;
переноса кода из других ОС;
привлечения разработчиков из других проектов (в том числе с использованием других ОС).

Все это возможно благодаря применению ОС со стандартизованным API. Причем если в первом случае организации достаточно иметь некий внутренний стандарт (что особенно характерно для фирменных ОС), то вторые два случая как раз требуют наличия общепризнанных стандартов – например, POSIX.

Таким образом, используя в качестве платформы для своих проектов POSIX-совместимую ОС, разработчик получает возможность перенести готовый код на уровне исходного текста как из своих прошлых или параллельных проектов, так и из проектов третьих фирм. Это не только существенно сокращает сроки разработки ПО, но и повышает его качество, поскольку проверенный код всегда содержит меньше ошибок.

Кто есть кто в деле развития POSIX

И начнем мы не с самого стандарта POSIX, а с упорядочения роли организаций, участвующих в работе над ним.

Первый участник – это IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Институт инженеров по электрике и электронике), общественная некоммерческая ассоциация профессионалов. IEEE ведет свою историю с 1884 г. (формально – с 1963-го), объединяет 380 000 индивидуальных членов из 150 стран, издает третью часть технической литературы, касающейся применения компьютеров, управления, электро- и информационных технологий, а также более 100 журналов, популярных в среде профессионалов; кроме того, ассоциация проводит в год свыше 300 крупных конференций. IEEE принимала участие в разработке более 900 действующих стандартов (www.ieee.ru/ieee.htm). Сегодня этот институт занимается подготовкой, согласованием, утверждением, публикацией стандартов, но по своему формальному статусу не имеет полномочий принимать такие документы, как международные или национальные стандарты. Поэтому термин "стандарт" в понимании IEEE скорее следует понимать как "спецификация", что более отвечает статусу принимаемых ассоциацией документов. В соответствии с IEEE участвует в программах ряда международных и региональных организаций – IEC, ISO, ITU (International Telecommunication Union), ETSI (European Telecommunications Standards Institute), CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standartization) и в национальных программах, например в программе такой организации, как ANSI.

В состав IEEE входит PASC (Portable Application Standards Committee) – комитет ассоциации, который занимается разработкой семейства стандартов POSIX (www.pasc.org/). Ранее PASC был известен как Технический комитет по операционным системам.

Второй участник работ – ANSI (American National Standards Institute, Американский национальный институт стандартов) – частная некоммерческая организация, которая администрирует и координирует в США деятельность по вопросам стандартизации. В ней работает всего 75 человек, но членами ANSI являются более 1000 компаний, организаций, правительственных агентств и институтов (www.ansi.org). ANSI представляет США в двух основных международных организациях по стандартизации – ISO и IEC.

Третий участник – ISO (International Organization for Standardization, Международная организация по стандартизации). Она создана в 1946 г. по решению Комитета по координации стандартов и Генеральной ассамблеи ООН и официально начала работу 23 февраля 1947 г. (www.iso.org). ISO – это сеть национальных институтов по стандартизации из 146 стран (одна страна – один член ISO) с центральным секретариатом в Женеве (Швейцария). Стандарты ISO разрабатываются в технических комитетах, первым результатом деятельности которых является документ Draft International Standard (DIS), превращающийся после нескольких согласований в Final Draft International Standard (FDIS). После этого вопрос об одобрении данного документа выносится на голосование; при положительном результате он становится международным стандартом.

И наконец, – IEC (International Electrotechnical Commission, Международная электротехническая комиссия – МЭК), основанная в 1906 г. IEC готовит и публикует международные стандарты для всех электрических, электронных и связанных с ними технологий (www.iec.ch/). На 1 ноября 2004 г. действительными членами этой комиссии являлись национальные комитеты 64 стран. IEC издает также и рекомендации, которые выходят на английском и французском языках и носят статус международных стандартов. На их основе разрабатываются региональные и национальные стандарты. За подготовку стандартов в различных областях деятельности IEC отвечают технические комитеты (ТК), в работе которых принимают участие и национальные комитеты, заинтересованные в деятельности того или иного ТК.

IEC – ключевая организация в подготовке международных стандартов по информационным технологиям. В этой области действует объединенный технический комитет по информационным технологиям – JTC 1, сформированный в 1987 г. в соответствии с соглашением между IEC и ISO. JTC1 имеет 17 подкомитетов, курирующих все разработки – от программного обеспечения до языков программирования, компьютерной графики и редактирования изображений, взаимосвязи оборудования и методов безопасности.

Подготовка новых стандартов IEC включает несколько стадий (предварительная, стадия предложения, подготовительная, стадия технического комитета, стадия запроса, одобрения, публикации). Если запланировано, что документ IEC станет только технической спецификацией, а не международным стандартом, пересмотренная версия документа посылается в центральный офис для издания. На выработку заключительного проекта международного стандарта (FDIS) отводится четыре месяца. Если его одобрят все члены технического комитета, он направляется в центральный офис для публикации без стадии одобрения FDIS. После этого FDIS попадает в национальные комитеты, которые должны утвердить его в течение двух месяцев. FDIS считается одобренным, если за него проголосовало более двух третей национальных комитетов, а количество отрицательных голосов не превышает 25%. Если документ не одобрен, он отправляется для пересмотра в технические комитеты и подкомитеты. Стандарт должен быть опубликован не позднее чем через два месяца после одобрения FDIS.

К выработке и принятию стандартов POSIX имеют отношение еще несколько организаций.

Open Group – международная организация по стандартизации программного обеспечения, которая объединяет почти 200 производителей и пользовательских сообществ, работающих в области информационных технологий (www.opengroup.org/). Open Group создана в 1995 г. путем слияния двух своих предшественников: X/Open и Open Software Foundation (OSF). Open Group специализируется на разработке методологий сертификации программного обеспечения и проведении тестирования на соответствие определенным требованиям. В частности, Open Group занимается сертификацией для таких направлений, как COE Platform, CORBA, LDAP, Linux Standard Base, Schools Interoperability Framework (SIF), S/MIME Gateway, Single UNIX Specification, Wireless Application Protocol Specifications (WAP) и, наконец, семейство стандартов POSIX (www.opengroup.org/certification/).

Austin Common Standards Revision Group (CSRG) – объединенная техническая рабочая группа, образованная в 2002 г. ISO, IEC и Open Group для создания и сопровождения последних версий стандарта 1003.1, который будет формироваться на основе ISO/IEC 9945-1-1996, ISO/IEC 9945-2-1993, IEEE Std 1003.1-1996, IEEE Std 1003.2-1992 и Single UNIX Specification (www.opengroup.org/press/14nov02.htm).

National Institute of Standards and Technology (NIST) – федеральное агентство в составе Commerce Department’s Technology Administration (www.nist.gov/public_affairs/general2.htm), основанное в США в 1901 г. Задача NIST – разработка и пропаганда стандартов и технологий с целью повышения качества продукции. В состав NIST входит лаборатория по информационным технологиям (Information Technology Laboratory – ITL), одним из результатов деятельности который являются федеральные стандарты по обработке информации (Federal Information Processing Standards – FIPS, www.opengroup.org/testing/fips/general_info.html). NIST/ITL предложила в 1991 г. первоначальный набор тестов для сертификации по POSIX в рамках FIPS PUB 151-1 1990.

Что такое POSIX?

Формально термин POSIX предложен Ричардом Столлманом (Richard Stallman) как аббревиатура для P ortable O perating S ystem interface for unIX (переносимый интерфейс операционных систем для Unix). POSIX разрабатывался для UNIX-подобных операционных систем (их первые версии ведут свой отсчет с начала 1970-х) с целью обеспечения переносимости приложений на уровне исходных текстов.

Первоначальное описание интерфейса было опубликовано в 1986 г., тогда он назывался IEEE-IX (IEEE"s version of UNIX). Однако название быстро изменилось, превратившись в POSIX, и уже в следующей публикации (еще в 1986 г.) использовался этот новый вариант. Некоторое время под POSIX понималась ссылка (или синоним) на группу родственных документов IEEE 1003.1-1988 и части ISO/IEC 9945, а в качестве законченного и утвержденного международного стандарта ISO/IEC 9945.1:1990 POSIX был принят в 1990 г. Спецификации POSIX определяют стандартный механизм взаимодействия прикладной программы и ОС и в настоящее время включают более 30 стандартов под эгидой IEEE, ISO, IEC и ANSI.

На протяжении своей истории POSIX прошел большой путь, при этом многократно изменялись обозначения спецификаций, их конкретное содержание, процедуры и логистика их проверки. За прошедшее время было выпущено несколько редакций стандарта POSIX в рамках различных международных организаций.

История развития стандарта POSIX

Первая версия спецификации IEEE Std 1003.1 была опубликована в 1988 г. В последующем многочисленные редакции IEEE Std 1003.1 были приняты как международные стандарты .

Этапы развития POSIX:

1990 г.

Редакция, выпущенная в 1988 г., была переработана и стала основой для дальнейших редакций и дополнений. Она была одобрена как международный стандарт ISO/IEC 9945-1:1990.

1993 г.

Выходит редакция 1003.1b-1993.

1996 г.

Внесены изменения IEEE Std 1003.1b-1993, IEEE Std 1003.1c-1995 и 1003.1i-1995, однако основная часть документа осталась неизменной. В 1996 г. редакция IEEE Std 1003.1 также была одобрена как международный стандарт ISO/IEC 9945-1:1996.

1998 г.

Появился первый стандарт для "реального времени" – IEEE Std 1003.13-1998. Это расширение стандарта POSIX для встраиваемых приложений реального времени.

1999 г.

Принято решение внести в основной текст стандарта первые за последние 10 лет существенные изменения, включая объединение со стандартом 1003.2 (Shell и утилиты), так как к тому моменты это были отдельные стандарты. PASC решил закончить изменения базового текста после завершения работы над стандартами IEEE 1003.1a, 1003.1d, 1003.1g, 1003.1j, 1003.1q и 1003.2b.

2004 г.

Последняя на сегодняшний день редакция стандарта 1003.1 была опубликована 30 апреля и выпущена под эгидой Austin Common Standards Revision Group. В нее внесены изменения, касающиеся редакции стандарта 2001 г. Формально редакция 2004 г. известна как IEEE Std 1003.1, 2004 Edition, The Open Group Technical Standard Base Specifications, Issue 6 и включает IEEE Std 1003.1-2001, IEEE Std 1003.1-2001/Cor 1-2002 и IEEE Std 1003.1-2001/Cor 2-2004.

Наиболее важные стандарты POSIX для ОС РВ

Для операционных систем реального времени наиболее важны семь спецификаций стандарта (1003.1a, 1003.1b, 1003.1c, 1003.1d, 1003.1j, 1003.21 ), но широкую поддержку в коммерческих ОС получили только три:

1003.1a (OS Definition) определяет основные интерфейсы ОС, управление заданиями, сигналы, функции файловой системы и работы с устройствами, группы пользователей, конвейеры, FIFO-буферы;
1003.1b (Realtime Extensions) описывает расширения реального времени, такие, как сигналы реального времени, диспетчеризация по приоритетам, таймеры, синхронный и асинхронный ввод-вывод, семафоры, разделяемая память, сообщения. Первоначально (до 1993 г.) этот стандарт обозначался как POSIX.4.
1003.1c (Threads) определяет функции поддержки потоков (нитей) – управление потоками, атрибуты потоков, мьютексы, диспетчеризация. Первоначально обозначался как POSIX.4a.

Кроме указанных стандартов важными для ОС РВ являются следующие стандарты, которые были реализованы в рамках работы над проектом Std 1003.1-2001:

IEEE 1003.1d-1999. Дополнительные расширения реального времени. Первоначально обозначался как POSIX.4b;
IEEE 1003.1j-2000. Улучшенные (advanced) расширения реального времени;
IEEE 1003.1q-2000. Трассировка.

Процедура сертификации

Чтобы соответствовать стандарту POSIX, операционная система должна быть сертифицирована по результатам соответствующего комплекта тестов. С момента появления POSIX набор тестов претерпел формальные и фактические изменения.

В 1991 г. NIST разработал программу тестирования по POSIX в рамках FIPS 151-1 (http://standards.ieee.org/regauth/posix/POSIX-A.FM5.pdf). Этот вариант тестирования базировался на IEEE 1003.3 "Standard for Test Methods for Measuring Conformance to POSIX" Draft 10, May 3, 1989. В 1993 г. NIST закончил программу тестирования (POSIX Testing Program) для FIPS 151-1 и начал программу для FIPS 151-2 (www.itl.nist.gov/fipspubs/fip151-2.htm). FIPS 151-2 адаптировал "Information Technology – Portable Operating System Interface (POSIX) – Part 1: System Application Program Interface (API) ," являющуюся стандартом ISO/IEC 9945-1:1990. Наборы тестов для FIPS 151-2 основывались на IEEE 2003.1-1992 "Standard for Test Methods for Measuring Conformance to POSIX".

NIST различает две методологии сертификации: самосертификация (self-certification) и сертификация аккредитованными в IEEE тестовыми лабораториями (Accredited POSIX Testing Laboratories – APTL). В первом случае компания проводит тестирование самостоятельно, но по плану, утвержденному в NIST. Во втором случае тестирование выполняется независимой лабораторией с помощью автоматизированных наборов тестов. Всего было аккредитовано две APTL-лаборатории: Mindcraft (www.mindcraft.com) и Perennial (www.peren.com).

В 1997 г. NIST/ITL объявила о намерении прекратить сертификацию по FIPS 151-2 в конце текущего года (официально – 31 декабря 1997 г.), в то же время Open Group сообщила о том, что собирается взять на себя с 1 октября того же года сервис по сертификации в соответствии с FIPS 151-2, основанный на программе NIST/ITL. Те же функции с 1 января 1998-го взяла на себя Ассоциация по стандартизации IEEE (IEEE-SA), и также на основе FIPS 151-2.

В 2003 г. IEEE-SA и Open Group объявили о начале новой совместной программы по сертификации последних версий POSIX, начиная с IEEE 1003.1™ 2001. Сейчас Open Group имеет несколько наборов тестов, которые покрывают IEEE Std 1003.1-1996, IEEE Std 1003.2-1992, IEEE Std 1003.1-2003 и IEEE Std 1003.13-1998 (www.opengroup.org/testing/testsuites/posix.html). Продукт считается сертифицированным по POSIX, если он прошел полную процедуру сертификации, по результатам тестирования удовлетворяет всем предъявленным требованиям и занесен в официальный реестр сертифицированных продуктов .

Наборы тестов включают:

VSX-PCTS1990 (www.opengroup.org/testing/testsuites/vsxpcts1990.htm) – набор conformance-тестов для системных интерфейсов IEEE Std 1003.1-1990;
VSPSE54 (www.opengroup.org/testing/testsuites/VSPSE54.htm) – набор conformance-тестов для IEEE Std 1003.13-1998 Profile PSE54 (многоцелевое реальное время);
VSX-PCTS2003 (www.opengroup.org/testing/testsuites/vsxpcts2003.htm) – набор conformance-тестов для системных интерфейсов IEEE Std 1003.1-2003 (только обязательные части);
VSC-PCTS2003 (www.opengroup.org/testing/testsuites/vscpcts2003.htm) – набор conformance-тестов для IEEE Std 1003.1-2003 (shell and utilities – только обязательные части).

Кроме того, Open Group разработала тесты для стандартов POSIX Realtime и профиля стандартов Embedded POSIX. Набор тестов для POSIX Realtime (www.opengroup.org/testing/testsuites/realtime.html) включает следующие тесты:

IEEE POSIX 1003.1b-1993/1003.1i-1995 Realtime extension and IEEE POSIX 1003.1,2003 Edition;
IEEE Std POSIX 1003.1c-1995 Threads (pthreads) extension and IEEE POSIX 1003.1,2003 Edition;
IEEE POSIX 1003.1d-1999 Additional Realtime Extension and IEEE POSIX 1003.1,2003 Edition;
IEEE POSIX 1003.1j-2000 Advanced Realtime Extension and IEEE POSIX 1003.1,2003 Edition;
IEEE POSIX 1003.1q-2000 Trace and IEEE POSIX 1003.1,2003 Edition and IEEE POSIX 1003.1,2003 Edition;

Набор тестов профиля стандартов Embedded POSIX (www.opengroup.org/testing/testsuites/embedded.html) включает следующие тесты:

IEEE POSIX 1003.1-1990 (5310 тестов);
IEEE POSIX 1003.1b-1993/1003.1i-1995 Realtime extension (1430 тестов);
IEEE Std POSIX 1003.1c-1995 Threads (pthreads) extension (1232 теста);
IEEE POSIX 1003.13-1998 Profile 52.

Немного о путанице в терминологии

Применительно к группе стандартов POSIX в английском языке часто используются не один, а целых три термина. К сожалению, они сходны по значению и часто переводятся одинаково, что вносит определенную путаницу. Термины эти таковы:

сompatibility (буквально – "совместимость");
сompliance (буквально – "соответствие");
сonformance (буквально – "согласованность").

Первый термин применительно к POSIX формально не определен. Второй означает, что организация – производитель программного продукта самостоятельно заявляет о том, что продукт этот (полностью или частично) соответствует перечисленным стандартам NIST-PCTS. Третий термин подразумевает, что программный продукт прошел установленную систему тестов либо с помощью аккредитованной лаборатории, либо в рамках Open Group и на это имеется документальное подтверждение (так называемое Conformance Statement). Далее в тексте статьи везде будут приводиться оригиналы терминов, чтобы исключить неоднозначность.

Сертифицированные ОС РВ

Если придерживаться строгих правил, требующих, чтобы данные о сертифицированной ОС РВ были опубликованы в официальном реестре и тестирование проводились по уровню conformance, то в настоящее время есть всего две сертифицированные ОС РВ (данные приведены в хронологическом порядке):

LynxOS v.3 (продукт фирмы Lynx Real-Time Systems, которая сейчас называется LynuxWorks, Inc., www.lynuxworks.com) предназначена для разработки ПО встроенных систем, функционирующих в режиме жесткого реального времени, производителями комплектного и телекоммуникационного оборудования, в частности изготовителями бортовых систем военного применения. Разработка может осуществляться как на самой целевой системе (self-hosted), так и на инструментальном компьютере (host), готовое ПО предназначено для работы на целевой системе (target). LynxOS v.3 сертифицирована на согласованность (conformance) стандарту POSIX на платформе Intel и PowerPC. Информацию об этом можно найти на сайте IEEE http://standards.ieee.org/regauth/posix/posix2.html . LynxOS сертифицирована по POSIX 1003.1-1996 компанией Mindcraft, являющейся IEEE POSIX Accredited POSIX Testing Laboratory по набору тестов NIST FIPS 151-2 Conformance Test Suite. Номер документа, подтверждающего сертификацию: Reference File: IP-2LYX002, Reference File: IP-2LYX001.

INTEGRITY v.5 (продукт фирмы Green Hills Software, www.ghs.com) сертифицирована на согласованность (conformance) по POSIX 1003.1-2003, System Interfaces для архитектуры PowerPC в июле 2004 г. (http://get.posixcertified.ieee.org/select_product.tpl). Набор тестов VSX-PCTS 2003.

POSIX и операционная система QNX

QNX v.4.20 (разработчик – фирма QNX Software Systems, www.qnx.com) сертифицирована на соответствие (compliance) по POSIX 1003.1-1988 для платформы Intel компанией DataFocus Incorporated. Тестирование проводилось 13 сентября 1993 г., дата выдачи документа – 1 ноября 1993 г. Набор тестов NIST PCTS 151-1, версия 1.1.

QNX Neutrino (версия 6.3) соответствует (complies to) следующим стандартам семейства POSIX (www.qnx.com/download/download/8660/portability.pdf):

POSIX.1 (IEEE 1003.1);
POSIX.1a (IEEE 1003.1a);
POSIX.2 (IEEE 1003.2);
POSIX.4 (IEEE 1003.1b);
POSIX.4a (IEEE 1003.1c);
POSIX.1b (IEEE 1003.1d), IEEE 1003.1j;
POSIX.12 (IEEE 1003.1g).

Компания QNX Software Systems, создатель QNX Neutrino, планирует также сертификацию (conformance) QNX Neutrino по некоторым из этих стандартов; работы запланированы на 2005 г. (www.qnx.com/news/pr_959_1.html).

Литература

IEEE Standards Association Operation Manual. IEEE, October 2004.
Kevin M. Obeland. POSIX in Real-Time, Embedded Systems Programming, 2001.
IEEE/ANSI Standard 1003.1: Information Technology – (POSIX) – Part1: System Application: Program Interface (API).
Gallmeister, B. O. Programming for the Real World, POSIX.4 Sebastopol, CA: O’Reilly & Associates, 1995.
National Institute of Standards and Technology, PCTS:151-2, POSIX Test Suite.
POSIX: Certified by IEEE and The Open Group. Certified Policy. The Open Group, October 21, 2003, Revision 1.1.

POSIX (Portable Operating System Interface for Computer Environments - независимый от платформы системный интерфейс для компьютерного окружения) - это стандарт IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers - институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике), описывающий системные интер-

" В данном контексте под системными командами следует понимать некий набор программ, позволяющих управлять вычислительными процессами, например pstat, kill, dir и др.

Интерфейс POSIX___________________________________________________ 305

фейсы 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 операционных системах.

Интерфейс POSIX начинался как попытка пропаганды институтом IEEE идей переносимости приложений в UNIX-средах путем разработки абстрактного независимого от платформы 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 систему виртуальной памяти (Virtual Memory System, VMS), многозадачность (Multiprocess Executing, МРЕ) и технологию переноса операционных систем (CTOS). Таким образом, на самом деле POSIX представляет собой множество стандартов POSIX. 1-POSIX. 12. В табл. 9.1 перечислены основные направления, описываемые данными стандартами. Следует также особо отметить, что в POSIX. 1 основным языком описания системных функций API предполагается язык С.

Таблица 9.1. Семейство стандартов POSIX

Стандарт Стандарт ISO Краткое описание

POSIX.0 Нет Введение в стандарт открытых систем. Данный документ

не является стандартом в чистом виде, а представляет собой рекомендации и краткий обзор технологий

POSIX.1 Да Системный интерфейс API (язык С)

POSIX.2 Нет Оболочки и утилиты (одобренные IEEE)

POSIX.3 Нет Тестирование и верификация

POSIX.4 Нет Задачи реального времени и потоки выполнения

POSIX.5 Да Использование языка ADA применительно

к стандарту POSIX. 1

POSIX.6 Нет Системная безопасность

POSIX.7 Нет Администрирование системы

POSIX.8 Нет Сети, «прозрачный» доступ к файлам, абстрактные

сетевые интерфейсы, не зависящие от физических протоколов, вызовы RPC, связь системы с приложениями, зависящими от протокола

POSIX.9 Да Использование языка Fortran, применительно

к стандарту POSIX. 1

POSIX. 10 Нет Super-computing Application Environment Profile (AEP)

POSIX. 11 Нет Обработка транзакций AEP

POSIX. 12 Нет Графический интерфейс пользователя (GUI)

306______________________________ Глава 9. Архитектура операционных систем

Таким образом, программы, написанные с соблюдением данных стандартов, будут одинаково выполняться на всех POSIX-совместимых системах. Однако стандарты отчасти носят всего 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 формальном подходе к реализации интерфейса POSIX в различных операционных системах. На рис. 9.1 изображена типовая схема реализации строго соответствующего POSIX приложения.

Рис. 9.1. Схема реализации приложения, строго соответствующего стандарту POSIX

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

К сожалению, достаточно часто с целью увеличения производительности той или иной подсистемы либо для введения фирменных технологий, которые ограничивают область применения приложения соответствующей операционной средой, при программировании используются другие функции, не отвечающие стандарту POSIX.

Реализации стандарта POSIX 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 его поддержки в операционной системе Windows NT введен специальный модуль API для поддержки стандарта POSIX, работающий на уровне привилегий пользовательских процессов. Данный модуль обеспечивает преобразование 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 и stdout .

Примеры программирования для разных интерфейсов API____________________ 307

Примеры программирования для разных интерфейсов API

Для наглядной демонстрации принципиальных различий интерфейсов API наиболее популярных современных операционных систем для персональных компьютеров рассмотрим простейший пример, в котором необходимо подсчитать количество пробелов в текстовых файлах, имена которых должны указываться в командной строке. Рассмотрим два варианта программы: для Windows (с использованием WinAPI) и для Linux (POSIX API).

Поскольку нас интересует работа с параллельными задачами, пусть при выполнении программы для каждого из перечисленных в командной строке файлов создается свой процесс или поток выполнения (задача), который параллельно с другими процессами (потоками) производит работу по подсчету пробелов в «своем» файле. Результатом работы программы будет являться список файлов с подсчитанным количеством пробелов для каждого.

Следует обратить особое внимание на то, что приведенные ниже реализации программ решения данной задачи не являются единственно возможными. В обеих рассматриваемых операционных системах существуют разные методы работы с файловой системой и управления процессами. В данном случае рассматривается только один, но наиболее характерный для соответствующего интерфейса API вариант.

Для того чтобы было удобнее сравнивать эту (листинг 9.1) и следующую (листинг 9.2) программы, а также учитывая, что задача не требует для своего решения оконного интерфейса, в тексте использованы только те вызовы API, которые не затрагивают графический интерфейс. Конечно, нынче редко какое приложение не использует возможностей GUI, но зато в нашем случае сразу можно увидеть разницу в организации параллельной работы запускаемых вычислений.

Большие различия в спецификациях ОСРВ и огромное количество существующих микроконтроллеров выдвигают на передний план проблему стандартизации в области систем реального времени.

Наиболее ранним и распространенным стандартом ОСРВ является стандарт POSIX (IEEE Portable Operating System Interface for Computer Environments, IEEE 1003.1). Первоначальный вариант стандарта POSIX появился в 1990 г. и был предназначен для UNIX-систем, первые версии которых появились в 70-х годах прошлого века. Спецификации POSIX определяют стандартный механизм взаимодействия прикладной программы и операционной системы и в настоящее время включают набор более чем из 30 стандартов. Для ОСРВ наиболее важны семь из них (1003.1a, 1003.1b, 1003.1c, 1003.1d, 1003.1j, 1003.21, 1003.2h), но широкую поддержку в коммерческих ОС получили только три первых.

Несмотря на явно устаревшие положения стандарта POSIX и большую востребованность обновлений стандартизации для ОСРВ, заметного продвижения в этом направлении не наблюдается.

Стандарт POSIX был создан как стандартный интерфейс сервисов операционных систем. Этот стандарт дает возможность создавать переносимые приложения. Впоследствии этот стандарт был расширен особенностями режима реального времени.

Спецификации POSIX задают стандартный механизм взаимодействия приложения и ОС. Необходимо отметить, что стандарт POSIX тесно связан с ОС Unix, тем не менее, разработчики многих ОСРВ стараются выдержать соответствие этому стандарту.

Соответствие стандарту POSIX для ОС и аппаратной платформы должно быть сертифицировано с помощью прогона на них тестовых наборов. Однако, если ОС не является Unix-подобной, выдержать это требование становится непростой задачей. Тестовые наборы существуют только для POSIX 1003.1a. Поскольку структура POSIX является совокупностью необязательных возможностей, поставщики ОС могут реализовать только часть стандартного интерфейса, и при этом говорить о POSIX-комплиантности своей системы.

Несмотря на то, что стандарт POSIX вырос из Unix"а, он затрагивает основополагающие абстракции операционных систем, а расширения реального времени применимы ко всем ОСРВ.

К настоящему времени стандарт POSIX рассматривается как семейство родственных стандартов: IEEE Std 1003.n (где n - это номер).

Сегодня мы попытаемся выяснить, что описывает стандарт POSIX. Стандарты предназначены для того, чтобы мой компьютер мог взаимодействовать с вашим. Благодаря им, на двух похожих компьютерах веб-страницы или трансляция видео в реальном времени будут выглядеть одинаково.

Однако стандартны предназначены для более масштабных задач, нежели простой обмен какими-либо данными между пользователями. Некоторые стандарты определяют особую модель, благодаря которой открываются возможности, значительно превосходящие по своему значению совместимость файлов или сетей. Стандарт POSIX относится к их числу.

Что такое POSIX?

POSIX (произносится как «позикс») - это интерфейс портативных операционных систем. Но что это значит? Во-первых, нужно обозначить область действия понятия «портативность», в этом конкретном случае, и определиться с понятием «интерфейс». Чтобы выяснить это, необходимо отталкиваться от того, что оба понятия неразрывно связаны.

«Портативность», в контексте стандарта POSIX, относится к исходному коду (не к бинарникам, которые из этих самых исходников собираются). Теперь выясним, что такое «интерфейс». В программировании, «интерфейс» - это взаимодействие вашего кода с остальным кодом. Интерфейс ждет от вашего кода предоставления определенной информации. Ваш код, в свою очередь, предполагает получение определенной информации от интерфейса. Хороший пример - функция fopen() в языке Си. Она ожидает информации из двух частей: путь к файлу и режим, в котором он будет открыт. С помощью этих данных, операционная система возвращает другой вид информации, который называется «дескриптор файла». Дескриптор файла может быть использован для чтения файла или записи в файл. Это и есть интерфейс. Из всего этого следует, что POSIX-совместимый код может быть скомпилирован под любую POSIX-совместимую операционную систему без серьезных изменений, а значит, он будет портативным.

Список интерфейсов, относящихся к стандарту POSIX, находится , однако, даже несмотря на его огромную длину, вполне возможно, что он неполон. POSIX не ограничивается системными вызовами, он также определяет стандарты для оболочек операционных систем (шеллов, иначе - интерфейсов командной строки), системных утилит, вроде «awk» или «echo», системных библиотек и многого другого.

Стандарт POSIX появился в виде проекта Ричарда Столлмана в 1985 году и в дальнейшем был оформлен как IEEE Std 1003.-1998. Как видно из названия, 1998 год был годом официальной публикации. С тех пор было выпущено большое количество дополнений и расширений к POSIX, который постепенно превращается в целое семейство стандартов, формально известное как IEEE 1003, признанное в качестве международного, с обозначением SO/IEC 9945, попросту называемое стандарт семейства POSIX.

Операционной системе вовсе необязательно быть POSIX-совместимой или уж тем более иметь сертификат POSIX, однако это позволяет разработчикам создавать приложения, инструменты и платформы, не переписывая код раз за разом, а лишь дополнять и подключаться к уже готовому. Также совсем не обязательно писать POSIX-совместимый код, однако это значительно улучшает переносимость проектов между операционными системами. Это значит, что умение писать код, который совместим со стандартом POSIX, является ценным само по себе, и, безусловно, очень полезно для карьеры. Крупные проекты, такие как Gnome или KDE, придерживаются стандарта POSIX, что гарантирует их работу на разных операционных системах. Подсистема POSIX реализована даже в последних выпусках Windows. Linux, как известно, поддерживает большинство системных вызовов, относящихся к стандарту POSIX, также как и крупное расширение к нему, называемое «Стандартная база Linux», которая предназначена для объединения дистрибутивов Linux в плане поддержки исходных кодов и бинарных данных.

Надеюсь, мы пролили свет на вопрос «что такое POSIX». Обладаете интересной информацией по теме? Пожалуйста, поделитесь ей в комментариях.

Статьи по теме