12.1. Основные понятия
Системная программа – программа, предназначенная для поддержания работоспособности прикладных программ пользователя или для повышения эффективности их использования.
Прикладная программа – программа, предназначенная для решения задач в определенной области науки, техники, культуры, или для личных нужд пользователя.
Системное программирование – это процесс разработки системных программ.
В последнее время появилось понятие промежуточного программного обеспечения (ПО), включающего в себя элементы как системного, так и прикладного программирования.
Промежуточное ПО (middleware) – это совокупность программ, осуществляющих управление вторичными (конструируемыми самим ПО) ресурсами, ориентированными на решение широкого класса задач универсального значения. К такому ПО относятся менеджеры транзакций, серверы БД, серверы коммуникаций и другие программные серверы.
С точки зрения инструментальных средств разработки промежуточное ПО ближе к прикладному, так как не работает на прямую с первичными ресурсами, а использует для этого сервисы, предоставляемые системным ПО. С точки зрения алгоритмов и технологий разработки промежуточное ПО ближе к системному, так как всегда является сложным программным изделием многократного и многоцелевого использования и в нем применяются те же или сходные алгоритмы, что и в системном ПО.
Современная тенденция развития ПО состоит в снижении объема как системного, так и прикладного программирования. Основная часть работы программистов выполняется в промежуточном ПО.
Снижение объема системного программирования определено современными концепциями ОС, объектно-ориентированной архитектурой и архитектурой микроядра, в соответствии с которыми большая часть функций системы выносится в утилиты, которые можно отнести и к промежуточному ПО. Снижение объема прикладного программирования обусловлено тем, что современные продукты промежуточного ПО предлагают все больший набор инструментальных средств и шаблонов для решения задач своего класса.
Значительная часть системного и практически все прикладное ПО пишется на языках высокого уровня, что обеспечивает сокращение расходов на их разработку, модификацию и переносимость.
Системное ПО подразделяется на системные управляющие программы и системные обслуживающие программы.
Управляющая программа – системная программа, реализующая набор функций управления, который включает в себя управление ресурсами и взаимодействие с внешней средой, восстановление работы системы после проявления неисправностей в технических средствах.
Программа обслуживания (утилита) – программа, предназначенная для оказания услуг общего характера пользователям и обслуживающему персоналу.
Управляющая программа совместно с набором необходимых для эксплуатации системы утилит составляют операционную систему.
Кроме входящих в состав операционной системы утилит могут существовать и другие утилиты (того же или стороннего производителя), выполняющие дополнительное (опционное) обслуживание. Как правило, это утилиты, обеспечивающие разработку программного обеспечения для операционной системы.
Система программирования – система, образуемая языком программирования, компилятором или интерпретатором программ, представленных на этом языке, соответствующей документацией, а также вспомогательными средствами для подготовки программ к форме, пригодной для выполнения.
12.2. Использование командной строки
В операционной системе Windows NT/XP/Vista параллельно с красочными графическими интерфейсами продолжает сохраняться интерфейс командной строки. Хотя пользователями он используется достаточно редко, системному администратору без него не обойтись. Чтобы вызвать командную строку, нужно нажать кнопку «Пуск», а затем выбрать опцию «Выполнить». В раскрывшемся окне следует набрать cmd (командный процессор Windows) и щелкнуть на «Ok». Появится окно черного цвета с белыми буквами – интерфейс командной строки. На экране может быть написано следующее.
C:\ Documents and Settings\ UserName >
Это означает, что открыта папка «UserName», которая в свою очередь находится в папке «Documents and Settings», расположенной на диске «C». Знак «>» является приглашением к вводу команды. Если вы наберете команду «dir», а затем введете ее с помощью клавиши «Enter», то на экране появится список папок и файлов, находящихся в папке «UserName». Если хотите перейти в другой каталог, то нужно набрать команду «сd», а за ней указать путь, куда вы желаете перейти. Если вы решили ознакомиться со списком других внутренних команд процессора, то следует ввести команду «help».
Большинство операционных систем, в том числе DOS и UNIX, позволяют передать программе, написанной на языке C++, при запуске один или несколько параметров. Они называются параметрами командной строки и разделяются при записи пробелами. Непосредственно в функцию main() эти параметры не передаются. Вместо них функция main() получает два других параметра. Один из них – это количество аргументов командной строки (целое число). По традиции он обозначается как argc (argument count – количество аргументов). Второй параметр – это массив указателей на символьные строки. Его обычно называют argv (argument vector – вектор аргумента). Имя запускаемой программы является первым аргументом, поэтому каждая программа имеет, по крайней мере, один аргумент.
Общепринятым подходом является проверка аргумента argc, гарантирующая соответствие количества переданных и полученных аргументов. В листинге 12.1 показан пример использования аргументов командной строки.
Листинг 12.1. Код программы «TestProgram»
____________________________________________________________________
#include <iostream.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
cout<<«Received «<<argc<<» arguments…\n»;
for (int i=0; i<argc; i++)
cout<<«argument «<<i<<«: «<<argv[i]<<endl;
return 0;
}
Этот код нужно запустить из командной строки. Предположим, что для файла исполняемой программы мы выбрали название: TestProgram.exe. Тогда требуется войти в ту папку, в которой размещается этот файл, и набрать после знака приглашения, например, следующее:
TestProgram I am system programmer !
Получим следующий результат:
Received 6 arguments…
argument 0: TestProgram
argument 1: I
argument 2: am
argument 3: system
argument 4: programmer
argument 5: !
Как можно видеть, элемент argv[0] – это имя программы, а первый аргумент командной строки – argv[1].
Далее в лекции приведены примеры коротких программ, реализующих простое последовательное копирование содержимого файла тремя различными способами:
- С использованием библиотеки С.
- С использованием Windows API.
- С использованием вспомогательной функции Windows – CopyFile.
Последовательная обработка файлов является простейшей, наиболее распространенной и самой важной из возможностей, обеспечиваемых любой операционной системой, и почти в каждой большой программе хотя бы несколько файлов обязательно подвергаются этому виду обработки. Поэтому простая программа обработки файлов предоставляет прекрасную возможность ознакомиться с Windows и принятыми в ней соглашениями.
В приведенных программах организована лишь простейшая проверка ошибок, которые могут возникать на стадии выполнения, а существующие файлы просто перезаписываются.
12.3. Копирование файла с использованием стандартной библиотеки языка C
Как видно из текста программы 12.2, стандартная библиотека С поддерживает объекты потоков ввода/вывода FILE, которые напоминают, несмотря на меньшую общность, объекты Windows HANDLE, представленные в программе 12.3.
Листинг 12.2. Копирование файлов с использованием библиотеки С
____________________________________________________________________
/* Программа копирования файлов cpC.
Реализация, использующая библиотеку C. */
/* срC file1 file2: Копировать файл1 в файл2. */
# include <iostream.h>
# include <stdio.h>
# include <errno.h>
# define BUF_SIZE 256
int main (int argc, char *argv [])
{
FILE *in_file, *out_file;
char rec [BUF_SIZE];
size_t bytes_in, bytes_out;
if (argc != 3) {
cout<< «Use: срС file1 file2\n»;
return 1;
}
in_file = fopen (argv [1], «rb»);
if (in_file == NULL) {
perror (argv [1]);
return 2;
}
out_file = fopen (argv [2], «wb»); if (out_file == NULL) {
perror (argv [2]);
return 3;
}
/* Обработать входной файл по одной записи за один раз.*/
while((bytes_in = fread (rec, 1, BUF_SIZE, in_file))>0) {
bytes_out = fwrite (rec, 1, bytes_in, out_file);
if (bytes_out != bytes_in) {
perror («Неустранимая ошибка записи.»);
return 4;
}
}
fclose (in_file);
fclose (out_file);
return 0;
}
Предположим, что с помощью приведенной программы мы хотим содержание файла my.doc скопировать в файл my2.doc. Тогда в командной строке нужно набрать следующее
cpC my.doc my2.doc
Расширения имен файлов нужно указывать обязательно. Исполняемый файл должен иметь название cpC.exe.
Этот простой пример может служить наглядной иллюстрацией ряда общепринятых допущений и соглашений программирования, которые не всегда применяются в Windows.
- Объекты открытых файлов идентифицируются указателями на структуры FILE (в UNIX используются целочисленные дескрипторы файлов). Указателю NULL соответствует несуществующий объект. По сути, указатели являются разновидностью дескрипторов объектов открытых файлов.
- В вызове функции fopen указывается, каким образом должен обрабатываться файл – как текстовый или как двоичный. В текстовых файлах содержатся специфические для каждой системы последовательности символов, используемых, например, для обозначения конца строки. Во многих системах, включая Windows, в процессе выполнения операций ввода/вывода каждая из таких последовательностей автоматически преобразуется в нулевой символ, который интерпретируется в языке С как метка конца строки, и наоборот. В нашем примере оба файла открываются как двоичные.
- Диагностика ошибок реализуется с помощью функции perror, которая, в свою очередь, получает информацию относительно природы сбоя, возникающего при вызове функции fopen, из глобальной переменной errno. Вместо этого можно было бы воспользоваться функцией ferror, возвращающей код ошибки, ассоциированный не с системой, а с объектом FILE.
- Функции fread и fwrite возвращают количество обработанных байтов, непосредственно, а не через аргумент, что оказывает существенное влияние на логику организации программы. Неотрицательное возвращаемое значение говорит об успешном выполнении операции чтения, тогда как нулевое – о попытке чтения метки конца файла.
- Функция fclose может применяться лишь к объектам типа FILE (аналогичное утверждение справедливо и в отношении дескрипторов файлов UNIX).
- Операции ввода/вывода осуществляются в синхронном режиме, то есть прежде чем программа сможет выполняться дальше, она должна дождаться завершения операции ввода/вывода.
Преимуществом реализации, использующей библиотеку С, является ее переносимость на платформы UNIX, Windows, а также другие системы, которые поддерживают стандарт ANSI С. Кроме того, в том, что касается производительности, вариант, использующий функции ввода/вывода библиотеки С, ничуть не уступает другим вариантам реализации. Тем не менее, в этом случае программы вынуждены ограничиваться синхронными операциями ввода/вывода, хотя влияние этого ограничения будет несколько ослаблено использованием потоков Windows.
Как и их эквиваленты в UNIX, программы, основанные на функциях для работы с файлами, входящих в библиотеку С, способны выполнять операции произвольного доступа к файлам (с использованием функции fseek или, в случае текстовых файлов, функций fsetpos и fgetpos), но это является уже потолком сложности для функций ввода/вывода стандартной библиотеки С, выше которого они подняться не могут. Вместе с тем, Visual C++ предоставляет нестандартные расширения, способные, например, поддерживать блокирование файлов. Наконец, библиотека С не позволяет управлять средствами защиты файлов.
Резюмируя, можно сделать вывод, что если простой синхронный файловый или консольный ввод/вывод – это все, что вам надо, то для написания переносимых программ, которые будут выполняться под управлением Windows, следует использовать библиотеку С.
12.4. Копирование файла с использованием Windows
В программе 12.3 решается та же задача копирования файлов, но делается это с помощью Windows API.
Листинг 12.3. Копирование файлов с использованием Windows API, первая реализация
_____________________________________________________________________
/* Программа копирования файлов cpW.
Реализация, использующая Windows.*/
/* cpW file1 file2: Копировать файл1 в файл2.*/
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <iostream.h>
#define BUF_SIZE 256
int main(int argc, LPTSTR argv[]) {
HANDLE hIn, hOut;
DWORD nIn, nOut;
CHAR Buffer [BUF_SIZE];
if(argc != 3) {
cout<<«Use: cpW file1 file2\n»;
return 1;
}
hIn = CreateFile(argv[1], GENERIC_READ, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);
if (hIn==INVALID_HANDLE_VALUE) {
cout<<«Невозможно открыть входной файл. Ошибка: %x\n», GetLastError ();
return 2;
}
hOut = CreateFile (argv[2], GENERIC_WRITE, 0, NULL, CREATE_ALWAYS, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);
if(hOut==INVALID_HANDLE_VALUE) {
cout<<«Невозможно открыть выходной файл. Ошибка: %x\n», GetLastError ();
return 3;
}
while(ReadFile(hIn, Buffer, BUF_SIZE, &nIn, NULL)&&nIn > 0) {
WriteFile (hOut, Buffer, nIn, &nOut, NULL);
if (nIn != nOut) {
cout<<«Неустранимая ошибка записи: %x\n», GetLastError ();
return 4;
}
}
CloseHandle (hIn);
CloseHandle (hOut);
return 0;
}
Этот пример иллюстрирует некоторые особенности программирования в среде Windows.
- В программу всегда включается файл <windows.h>, в котором содержатся все необходимые определения функций и типов данных Windows.
- Все объекты Windows идентифицируются переменными типа Handle, причем для большинства объектов можно использовать одну и ту же общую функцию CloseHandle.
- Рекомендуется закрывать все ранее открытые дескрипторы, если в необходимость в них отпала, чтобы освободить ресурсы. В то же время, при завершении процессов относящиеся к ним дескрипторы автоматически закрываются ОС, и если не остается ни одного дескриптора, ссылающегося на какой-либо объект, то ОС уничтожает этот объект и освобождает соответствующие ресурсы. Как правило, файлы подобным способом не уничтожаются.
- Windows определяет многочисленные символические константы и флаги. Обычно они имеют длинные имена, нередко поясняющие назначение данного объекта. В качестве типичного примера можно привести имена INVALID_HANDLE_VALUE и GENERIC_READ.
- Функции ReadFile и WriteFile возвращают булевские значения, а не количества обработанных байтов, для передачи которых используются аргументы функций. Это определенным образом изменяет логику организации работы циклов. Нулевое значение счетчика байтов указывает на попытку чтения метки конца файла и не считается ошибкой.
- Функция GetLastError позволяет получать в любой точке программы коды системных ошибок, представляемые значениями типа DWORD. В листинге 12.3 показано, как организовать вывод генерируемых Windows текстовых сообщений об ошибках.
- Windows NT обладает более мощной системой защиты файлов, чем предшествующие ей версии. В данном примере защита выходного файла не обеспечивается.
- Такие функции, как CreateFile, обладают богатым набором дополнительных параметров, но в данном примере использованы значения по умолчанию.
12.5. Копирование файла с использованием вспомогательной функции Windows
Для повышения удобства работы в Windows предусмотрено множество вспомогательных функций (convenience functions), которые, объединяя в себе несколько других функций, обеспечивают выполнение часто встречающихся задач программирования. В некоторых случаях использование этих функций может приводить к повышению производительности. Например, благодаря применению функции CopyFile значительно упрощается программа копирования файлов (листинг 12.4). Помимо всего прочего, это избавляет нас от необходимости заботиться о буфере, размер которого в двух предыдущих программах произвольно устанавливался равным 256.
Листинг 12.4. Копирование файлов с использованием вспомогательной функции Windows
___________________________________________________________________
/* Программа копирования файлов cpCF.
Реализация, в которой для повышения удобства
использования и производительности программы
используется функция Windows CopyFile. */
/* cpCF файл1 файл2: Копировать файл1 в файл2. */
#include <windows.h> #include <stdio.h>
#include <iostream.h>
int main (int argc, LPTSTR argv[]) {
if (argc != 3) {
cout<<«Use: cpCF file1 file2\n»;
return 1;
}
if(!CopyFile (argv[1], argv[2], FALSE)) {
cout<<«Ошибка при выполнении функции CopyFile: %x\n», GetLastError ();
return 2;
}
return 0;
}
12.6. О целесообразности использования стандартной библиотеки С
В каких случаях при обработке файлов можно обойтись библиотекой С, а в каких необходимо использовать системные вызовы Windows? Тот же вопрос можно задать и в отношении использования потоков (streams) ввода/вывода C++ или системы ввода/вывода, которая предоставляется платформой .NET. Простых ответов на эти вопросы не существует, но если во главу угла поставить переносимость программ на платформы, отличные от Windows, то в тех случаях, когда приложению требуется только обработка файлов, а не, например, управление процессами или другие специфические возможности Windows, предпочтение следует отдавать библиотеке С и потокам ввода/вывода C++.
К числу возможностей Windows, не поддерживаемых библиотекой С, относятся блокирование и отображение файлов (необходимое для разделения общих областей памяти), асинхронный ввод/вывод, произвольный доступ к файлам чрезвычайно крупных размеров (4 Гбайт и выше) и взаимодействие между процессами.