Комитеты POSIX

Работа по оформлению стандартов UNIX началась группой энтузиастов в 1980 году. Была сформулирована цель – формально определить услуги, которые операционные системы обеспечивают приложениям. Такой стандарт программного интерфейса стал основой документа POSIX (Portable Operating System Interface for Computing Environment – переносимый интерфейс операционной системы для вычислительной среды) [14]. Первая рабочая группа POSIX была образована в 1985 году на основе UNIX-ориентированного комитета по стандартизации /usr/group, также называемой UniForum [47]. Название POSIX было предложено родоначальником GNU Ричардом Столмэном.

Ранние версии POSIX определяют множество системных сервисов, необходимых для функционирования прикладных программ, которые описаны в рамках интерфейса, специфицированного для языка С (интерфейс системных вызовов). Заложенные в нем идеи использовались комитетом ANSI (American National Standards Institute) при создании стандарта языка C, упомянутого ранее. Исходный состав функций, закладываемый в первые версии, опирался на UNIX AT&T (версия SVR4 [48]). Но в дальнейшем происходит отрыв спецификаций стандартов POSIX от этой конкретной ОС. Подход к организации системы на основе множества базовых системных функций был применен не только в UNIX (например, WinAPI фирмы Microsoft).

В 1988 году был опубликован стандарт 1003.1 – 1988, определяющий API (Application Programming Interface, программный интерфейс приложений). Через два года был принят новый вариант стандарта IEEE 1003.1 – 1990. В нем были определены общие правила программного интерфейса, как для системных вызовов, так и для библиотечных функций. Далее утверждаются дополнения к нему, определяющие сервисы для систем реального времени, "нитей" POSIX и др. Важным является стандарт POSIX 1003.2 – 1992 – определение командного интерпретатора и утилит.

Имеется перевод [1] этих двух групп документов, которые получили такие названия: POSIX.1 (интерфейс прикладных программ) и POSIX.2 (командный интерпретатор и утилиты – интерфейс пользователя). В упомянутом переводе содержатся три главы: основные понятия, системные услуги и утилиты. Глава "Системные услуги" разделена на несколько частей, каждая из которых группирует сходные по функциям услуги. Например, в одном из разделов "Базовый ввод/вывод" седьмая часть, посвященная операциям с каталогами, описывает три функции ( opendir, readdir и closedir ). Они определяются в четырех пунктах: "Синтаксис", "Описание", "Возвращаемое значение" и "Ошибки".

Для тех, кто знаком с алгоритмическим языком программирования С, приведем пример фрагментов описания. Фактически такое описание дает представление о том, как специфицируется "Интерфейс системных вызовов". В пункте "Синтаксис" про функцию readdir приведены такие строки:

#include <sys/types.h>

#include <dirent.h>

struct dirent *readdir(DIR *dirp);

Второй пункт ("Описание") содержит следующий текст:

"Типы и структуры данных, используемые в определениях с каталогами, определяются в файле dirent.h. Внутренний состав каталогов определяется реализацией. При чтении с помощью функции readdir формируется объект типа struct dirent, содержащий в качестве поля символьный массив d_name, в котором находится завершаемое символом NUL локальное имя файла.

Readdir читает текущий элемент каталога и устанавливает указатель позиции на следующий элемент. Открытый каталог задается указателем dirp. Элемент, содержащий пустые имена, пропускается".

А вот что приводится в пункте "Возвращаемое значение":

" Readdir при успешном завершении возвращает указатель на объект типа struct dirent, содержащий прочитанный элемент каталога. Прочитанный элемент может заноситься в статическую память и перекрывается очередным таким вызовом, примененным к тому же открытому каталогу. Вызов readdir для различных открытых каталогов не перекрывает читаемую информацию. В случае ошибки или достижении конца файла возвращается нулевой указатель".

В пункте "Ошибки стандарта" указано следующее:

" Readdir и closedir обнаруживают ошибку. [EBADF] Dirp не являются указателем на открытый каталог".

Этот пример показывает, как описываются представляемые приложением услуги. Требования к операционной системе (реализации) заключается в том, что она "…должна поддерживать все обязательные служебные программы, функции, заголовочные файлы с обеспечением специфицированного в стандарте поведения. Константа _POSIX_VERSION имеет значение 200112L [49]".

В мире компьютерных технологий существует такое словосочетание: "программирование POSIX". Этому можно научиться, используя различные руководства по системному программированию UNIX и операционным системам (например, [5]). Есть отдельная книга с таким названием [3]. Заметим, что в предисловии к этой книге сказано, что она описывает ". . . стандарт втройне . . ", так как она опирается на последнюю версию POSIX 2003 года, в основе которой три стандарта: IEEE Std 1003.1, технический стандарт Open Group и ISO/IEC 9945.

Как же проверить соответствие конкретной системы стандарту POSIX? Формализация такого вопроса не так проста, как кажется на первый взгляд. В современных версиях предлагается 4 вида соответствия (четыре семантических значения слова "соответствие": полное, международное, национальное, расширенное).

В рассматриваемых документах приводятся списки двух видов интерфейсных средств: обязательные (по возможности предполагается его компактность) и факультативные. Последние должны либо обрабатываться предписанным образом, либо возвращать фиксированное значение кода ENOSYS, означающего, что функция не реализована.

Отметим, что набор документов POSIX изменяется уже много лет. Но разработчики новых версий всегда стараются максимально сохранить преемственность с предыдущими версиями, В более свежих редакциях может появиться что-то новое. Например, в документе 2004 года были объединены четыре части [50]:

• Base Definitions volume (XBD) – определение терминов, концепций и интерфейсов, общих для всех томов данного стандарта;
• System Interfaces volume (XSH) – интерфейсы системного уровня и их привязка к языку Си, где описываются обязательные интерфейсы между прикладными программами и операционной системой, в частности – спецификации системных вызовов;
• Shell and Utilities volume (XCU) – определение стандартных интерфейсов командного интерпретатора (т.н. POSIX-shell), а также базовой функциональности Unix-утилит;
• Rationale (Informative) volume (XRAT) – дополнительная, в том числе историческая, информация о стандарте.

Как и первые редакции, документ в своей основной части описывает группы представляемых услуг. Каждый элемент там описан в следующих пунктах: NAME (Имя), SINOPSIS (Синтаксис), DISCRIPTION (Описание), RETURN VALUE (Возвращаемое значение), ERRORS (Ошибки) и в заключении EXAMPLE (Примеры).

Современные версии стандарта определяют требования как к операционной системе, так и к прикладным программам. Приведем пример [51].

Функция readdir() должна возвращать указатель на структуру, относящуюся к очередному элементу каталога. Возвращаются ли элементы каталога с именами "точка" и "точка-точка", стандартом не специфицировано. В этом примере возможно четыре исхода, а требование к прикладной программе состоит в том, что она должна быть рассчитана на любой из них.

И в заключение приведем отрывок из курса лекций Сухомлинова ("ВВЕДЕНИЕ В АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ", Сухомлинов В.А. Часть V. Методология и система стандартов POSIX OSE), посвященным области применимости стандартов [52]:

"Область применимости стандартов POSIX OSE (Open System Environment) – обеспечение следующих возможностей (называемых еще свойствами открытости) для разрабатываемых информационных систем:

• Переносимость приложений на уровне исходных текстов (Application Portability at the Source Code Level), т.е. предоставление возможности переноса программ и данных, представленных на исходных текстах языков программирования, с одной платформы на другую.
• Системная интероперабельность (System Interoperability), т.е. поддержка взаимосвязанности между системами.
• Переносимость пользователей (User Portability), т.е. обеспечение возможности для пользователей работать на различных платформах без переобучения.
• Адаптируемость к новым стандартам (Accommodation of Standards), связанным с достижением целей открытости систем.
• Адаптируемость к новым информационным технологиям (Accommodation of new System Technology) на основе универсальности классификационной структуры сервисов и независимости модели от механизмов реализации.
• Масштабируемость прикладных платформ (Application Platform Scalability), отражающая возможность переноса и повторного использования прикладного программного обеспечения применительно к разным типам и конфигурациям прикладных платформ.
• Масштабируемость распределенных систем (Distributed System Scalability), отражающая возможность функционирования прикладного программного обеспечения независимо от развития топологии и ресурсов распределенных систем.
• Прозрачность реализаций (Implementation Transparency), т.е. сокрытие от пользователей за интерфейсами систем особенностей их реализации.
• Системность и точность спецификаций функциональных требований пользователей (User Functional Requirements), что обеспечивает полноту и ясность определения потребностей пользователей, в том числе в определении состава применяемых стандартов."

Это позволяет решать следующие задачи:

• интеграция информационных систем из компонент различных изготовителей;
• эффективность реализаций и разработок, благодаря точности спецификаций и соответствию стандартным решениям, отражающим передовой научно-технический уровень;
• эффективность переноса прикладного программного обеспечения, благодаря использованию стандартизованных интерфейсов и прозрачности механизмов реализации сервисов систем.

Также в стандартах формально определяются такие важные понятия операционных систем: пользователь; файл; процесс; терминал; хост; узел сети; время; языково-культурная среда. Там не приводятся формулировки такого определения, но вводятся применяемые к ним операции и присущие им атрибуты.

Всего в списке стандартов POSIX более трех десятков элементов. Их имена традиционно начинаются буквой "Р", после которой расположено четырехзначное число с дополнительными символами. Существуют также групповые имена стандартов POSIX1, POSIX2 и т.д. Например, POSIX1 связан со стандартами на базовые интерфейсы ОС (Р1003.1х, где вместо х либо пусто, либо символы от a до g; таким образом, в этой группе 7 документов), а POSIX3 – методы тестирования (два документа – Р2003 и Р2003n).