Мобильность на уровне исходных текстов

Мобильность на уровне исходных текстов

Материал, рассмотренный нами в предыдущем разделе, относится к вопросам мобильного программирования в связи с использованием функций операционной среды. Однако, если говорить о переносимости программ между компьютерами с разной архитектурой, имея в виду использование языка Си (не слишком высокого уровня), то нужно учитывать ряд требований, которым должна удовлетворять программа.

Особенности мобильного программирования на языке Си

Особая роль языка программирования Си состоит в том, что он, с одной стороны, позволяет писать для UNIX-систем практически столь же эффективный код, что и языки ассемблера, а с другой, является основным средством переноса программ между UNIX-системами. Можно сказать, что Си является машинно-независимым языком ассемблера для UNIX-систем. Это делает его основным средством написания эффективных и переносимых программ для этого класса вычислительных систем. Стандартизация языка сначала Американским национальным институтом стандартов (ANSI), а затем и Международной организацией по стандартам (ISO) закрепила эту роль, распространив ее и на персональные компьютеры. Будем ссылаться на версию языка Си, определенную стандартом, как на язык ANSI C.

Сказанное не означает, что любая программа, написанная на ANSI C и отлаженная в одной вычислительной системе (ВС), безусловно переносима на любую другую вычислительную систему, также имеющую компилятор языка Си, отвечающий требованиям ANSI. Однако, язык ANSI C определен таким образом, чтобы можно было писать программы, подвергающиеся минимальным изменениям при их переносе на другие вычислительные системы.

Программа на ANSI C переносима из исходной ВС в целевую, если она успешно компилируется в целевой ВС и ее работа функционально эквивалентна работе в исходной ВС.

На переносимость программы влияют особенности как аппаратного, так и программного окружения языка в исходной и в целевой ВС. Можно выделить четыре фактора, влияющих на переносимость программы:

Архитектура существенно влияет на семантику языка, а, следовательно, и на переносимость программных файлов. Во-первых, архитектура определяет множества значений арифметических типов, фиксируя тем самым семантику большинства операций языка. Во-вторых, от архитектуры, а именно, от системы команд, зависит интерпретация операций языка, остающихся недоопределенными даже после фиксирования множеств значений соответствующих типов. В-третьих, от архитектуры зависит схема размещения данных тех или иных типов в соответствующих элементах памяти.

Даже если программа удовлетворяет всем ограничениям ANSI C и прошла стадию компиляции в исходной ВС, может случиться, что в целевой ВС она эту стадию не пройдет из-за того, что некоторые метрические характеристики программы не удовлетворяют ограничениям, принятым в целевой ВС. Примерами таких характеристик являются: число уровней вложенностей составных операторов, операторов цикла и операторов выбора варианта; число описателей указателя, массива и функции, модифицирующих базовый тип в описании объекта; число выражений, вложенных друг в друга по круглым скобкам и т.п.

От алгоритмов работы компилятора зависит, например, порядок вычисления выражений, что влияет как на значения выражений, так и на вырабатываемый ими побочный эффект.

Наконец, семантика многих стандартных библиотечных функций (например, функций ввода/вывода) зависит от особенностей операционной системы.

Все перечисленные факторы учтены в определении ANSI C путем фиксирования неуточняемого (стандартом) поведения программ, неопределенного поведения программ и поведения программ, определяемого реализацией.

Неуточняемое поведение (unspecified behavior) - это поведение правильных программ с корректными данными в ситуациях, для которых стандарт не выдвигает никаких требований.

Неопределенное поведение (undefined behavior) - поведение (динамически) ошибочных программ с возможно некорректными данными или объектами с неопределенными значениями, для которых стандарт не выдвигает никаких требований. Диапазон неопределенного поведения может быть очень разнообразен: от полного игнорирования ситуации с непредсказуемыми результатами до поведения (во время трансляции или выполнения) в соответствии с документацией, описывающей характеристики среды (с выдачей диагностических сообщений или без таковой); возможны случаи преждевременного завершения трансляции или вычислений (с обязательной выдачей диагностического сообщения).

Поведение, определяемое реализацией (implementation-defined behavior) - поведение правильно написанной программы с правильными данными, которое зависит от характеристик реализации и которое должно быть документировано каждой реализацией.

В качестве общей рекомендации по написанию переносимых программ можно посоветовать, во-первых, безусловно избегать использования в программах языковых конструкций с неопределенным поведением, во-вторых, избегать конструкций с неуточняемым поведением в случаях, когда результат ее работы не является однозначным, и, наконец, минимизировать число конструкций, чье поведение определяется реализацией и существенно влияет на результат работы программы.

Другая общая рекомендация заключается в использовании возможностей препроцессора Си для локализации непереносимых фрагментов программы. Это касается использования макроимен вместо явных констант, зависящих от реализации; использования условной трансляции для включения в окончательный текст программы того или иного фрагмента в зависимости от вычислительной системы (особенно это касается конструкций, чье поведение определяется реализацией и существенно влияет на результат работы программы) и т.д.

Далее мы перечисляем все случаи неуточняемого, неопределенного и зависящего от реализации поведения программ, а, кроме того, в наименее очевидных случаях объясняем их влияние на переносимость. После этого приводятся требования стандарта к метрическим ограничениям компиляторов.

Неуточняемое поведение

Не уточняются следующие вопросы:

В зависимости от того, вычисляются ли инициирующие константные выражения в окружении трансляции или в окружении выполнения программы, статические данные могут получать различные начальные значения.

Предыдущие четыре ситуации влияют на вывод текста на дисплей.

Переносимая программа не должна использовать информацию о представлении (т.е. о битовой структуре) плавающих типов, поскольку именно в реализации плавающей арифметики существенно различаются разные вычислительные системы.

За исключением тех случаев, когда порядок вычисления выражения зафиксирован синтаксическими правилами или указан в стандарте каким-либо другим образом (для операции вызова функции (), операций логического умножения, логического сложения, условной операции и операции перечисления выражений), порядок вычисления подвыражений и порядок возникновения побочных эффектов не уточняется. Выражение, содержащее более, чем одно вхождение одной и той же коммутативной и ассоциативной бинарной операции (*, +, &, ^, |), может свободно перегруппировываться, независимо от наличия скобок, при условии, что типы операндов или результаты от такой перегруппировки не изменятся. В переносимой программе следует избегать выражений, порядок вычисления которых существенно влияет на их значения или вырабатываемые побочные эффекты. Если же такое выражение возникает, то содержащий его оператор всегда можно разбить на эквивалентную последовательность из нескольких операторов, не содержащих подобных выражений. Например, оператор

x=f()+g();

можно заменить на последовательность операторов

y=f();

x=y+g();

или

y=g();

x=f()+y;

в зависимости от нужного порядка вызова функций f() и g().

Чтобы зафиксировать некоторое конкретное группирование операций, нужно присвоить значение выражения, которое требуется явно выделить, некоторому объекту данных, либо поставить перед группирующими скобками унарный оператор плюс.

Переносимая программа не должна использовать информацию о распределении памяти под формальные параметры, поскольку не только разные компиляторы по-разному решают эту задачу, но даже один компилятор может различным образом отводить память под формальные параметры при различных режимах своей работы.

Переносимая программа не использует перечисленную информацию, поскольку она либо различается для разных реализаций языка, либо даже является случайной в рамках одной реализации.

Неопределенное поведение

Поведение не определяется для следующих ситуаций:

Все перечисленные ситуации являются ошибочными, однако разные реализации могут по-разному реагировать на них. Может даже случиться, что в некоторых реализациях программы с неопределенным поведением работают и выдают нужные результаты. Однако такие программы, как правило, невозможно перенести на другую вычислительную систему.

Например, используя в расчетной программе неверные арифметические операции (деление на ноль или операции, приводящие к переполнению или потере значимости), можно добиться удовлетворительной, с точки зрения конечного результата, работы этой программы за счет использования нюансов обработки таких исключительных ситуаций в рамках конкретной вычислительной системы. На других же вычислительных системах эта программа либо вообще не будет работать, либо будет выдавать неудовлетворительные результаты. Больше того, может потребоваться даже изменение алгоритма, реализуемого программой, из-за невозможности воспроизвести использованные нюансы исходной вычислительной системы хотя бы потому, что программист мог и не знать обо всех использованных тонкостях аппаратуры по принципу "есть результат и ладно" (кстати, техническая документация может и не содержать описания всех тонкостей).

Возникновения ситуаций с неопределенным поведением можно, а при разработке переносимых программ, безусловно, нужно избегать.

Поведение, зависящее от реализации

Каждая реализация должна описать поведение во всех ситуациях, перечисленных в этом разделе.

Семантика фактических параметров функции main.

Для облегчения переноса программы полезно локализовать обработку внешних аргументов.

Число значащих начальных символов (сверх 31) в идентификаторе без внешней связи.

В переносимой программе не используется свыше 31 значащего символа в идентификаторах без внешней связи.

Число значащих начальных символов (сверх 6) в идентификаторе с внешней связью.

В переносимой программе не используется свыше 6 значащих символов в идентификаторах с внешней связью.

Имеет ли значение регистр символов, входящих в идентификаторы с внешней связью.

При разработке переносимых программ лучше исходить из того, что регистр символов, входящих в идентификатор с внешней связью, не имеет значения (т.е. не различаются заглавные и прописные буквы).

Символы входного алфавита, кроме явно определенных в стандарте.

Это касается, в основном, символов, используемых в символьных и строковых константах (например, русские буквы).

Символы из набора времени выполнения (за исключением пустого символа и (в окружении выполнения) явно определенных символов входного символьного набора) и их коды.

В переносимых программах нежелательно использование информации о кодах символов, поскольку они могут различаться в разных реализациях.

Соответствие символов входного алфавита (в символьных и строковых константах) символам алфавита времени выполнения.

В основном это касается управляющих символов. Например, символ "конец строки" (\n) в разных реализациях может быть представлен в потоках ввода-вывода различными последовательностями кодов. Надо стараться писать программу так, чтобы ее поведение не зависело от конкретного представления управляющих символов в окружении выполнения.

Число и порядок символов в целом.

Эти различия несущественны в самостоятельных программах, которые не позволяют себе играть типами (например, преобразуя указатель на целое в указатель на символы и проверяя содержимое памяти по указателю), но могут проявиться при обработке данных, поступающих извне.

Число и порядок следования разрядов в символах из набора символов времени выполнения.

Значение символьной константы, состоящей из символа или управляющей последовательности, не представимой в алфавите времени выполнения.

Переносимой программе не следует использовать информацию этих двух пунктов.

Значение символьной константы, состоящей более, чем из одного символа.

В переносимой программе не следует использовать символьные константы более, чем из одного символа.

Следует ли трактовать "простые" символьные объекты как знаковые или беззнаковые.

Переносимая программа не должна зависеть от того, является ли тип char знаковым или беззнаковым.

Представление и наборы значений различных целочисленных типов.

В переносимой программе лучше всего исходить из минимальных наборов значений, зафиксированных стандартом, а также из той минимальной информации о представлении, которая в приводится в стандарте.

Результат преобразования целого к более короткому знаковому целому или результат преобразования беззнакового целого к знаковому целому той же длины, если значение не может быть представлено.

Переносимая программа не использует эту информацию.

Результаты поразрядных операций над знаковыми целыми.

В переносимой программе следует использовать только такие поразрядные операции, результат которых не зависит от реализации.

Знак остатка целочисленного деления.

Переносимая программа не использует эту информацию.

Является ли сдвиг вправо значения знакового целочисленного типа логическим или арифметическим.

Переносимая программа не должна зависеть от вида сдвига вправо знаковых целых.

Представление и наборы значений различных типов вещественных чисел.

Переносимая программа не зависит от представления вещественных чисел. Наборы значений вещественных типов влияют на точность вычислений.

Способ округления, когда вещественное число преобразуется к более узкому вещественному числу.

В переносимой программе лучше всего исходить из того, что способ округления неизвестен.

Тип целого, которое может вместить максимальный размер массива, то есть тип size_t - тип результата операции sizeof.

Результат преобразования указателя в целое и наоборот.

Тип целого, которое может вместить разность между двумя указателями на один и тот же массив - ptrdiff_t.

Переносимая программа не должна использовать информацию предыдущих трех пунктов.

Элемент смеси union используется как элемент другого типа.

Переносимая программа не должна осуществлять доступ к элементу смеси после того, как был изменен элемент смеси другого типа, поскольку в этом случае используется информация о битовой структуре представления значения соответствующего типа.

Дополнение пустот и выравнивание элементов записей.

Это обычно не доставляет проблем, если только двоичные данные, записанные одной реализацией, не читаются другой. Конечно же, не следует использовать эту информацию в переносимой программе.

Считается ли "простое" целое битовое поле знаковым или беззнаковым.

Переходит ли битовое поле, не умещающееся в одном целом, в следующее.

Порядок расположения битовых полей в целом.

Может ли битовое поле пересекать физические границы ячеек памяти.

Переносимая программа не должна использовать всю эту информацию.

Максимальное число описателей, которые могут модифицировать базовый тип.

Переносимой программе нужно исходить из того, что любая реализация должна допускать использование в модификации базового типа, либо непосредственно, либо через эквивалентность типов, по крайней мере 12 описателей указателей, массивов и функций (в любых комбинациях).

Максимальное число вариантов в переключателе.

Переносимая программа должна исходить из того, что число вариантов в переключателе не должно превышать 255.

Будет ли значение односимвольной символьной константы в выражении, управляющем условным включением фрагментов программ, совпадать со значением такой же константы в наборе символов окружения выполнения. Может ли такая константа иметь отрицательное значение.

Метод связи с входными файлами, подлежащими включению в программу.

Обработка имен в кавычках, относящихся к включаемым файлам.

Поведение каждой директивы #pragma.

Определение имен __DATE__ и __TIME__, когда, соответственно дата и время трансляции не может быть доступно.

Константа, получающаяся при подстановке макроопределения NULL, обозначающая пустой указатель.

Предыдущие 6 пунктов описывают зависящее от реализации поведение препроцессора. Остальные пункты описывают определяемое реализацией поведение библиотечных программ.

Диагностическое сообщение и способ завершения программы, применяемый в функции assert.

Наборы символов, проверяемые в функциях isalnum, isalpha, iscntrl, islower, isprint и isupper.

Значения, выдаваемые математическими функциями при возникновении ошибок области определения.

Устанавливают ли математические функции целое выражение errno в положение ERANGE при возникновении потери значимости.

Набор сигналов для функции signal.

Семантика каждого сигнала, распознаваемого библиотечной функцией signal.

Обработка умолчаний и входов в программу для каждого вида сигналов, распознаваемых функцией signal.

Восстанавливается ли стандартная обработка, если при обработке сигнала функцией, указанной при вызове функции signal, возникает сигнал SIGILL.

Нужно ли заканчивать последнюю строку текстового потока символом "конец строки".

Появятся ли при вводе обычные пробелы, записанные в текстовый поток непосредственно перед символом конца строки текста.

Количество символов NULL, которые дописываются к двоичному потоку.

Характеристики буферизации файлов.

Существует ли файл нулевой длины.

Правила образования правильных имен файлов.

Может ли один файл открываться много раз.

Результат выполнения функции remove над открытым файлом.

Эффект работы функции rename, если файл с новым именем существовал ранее.

Выходная строка, получающаяся при работе преобразования %p в функции fprintf.

Входная строка, поступающая для преобразования %p в функции fscanf.

Интерпретация символа ^, который есть ни первый, ни последний символ в списке сканирования в преобразовании %[ в функции fscanf.

Значение, которое получает errno от функций fgetpos и ftell в случае неудачи.

Сообщения, выдаваемые функцией perror.

Поведение функций calloc, malloc и realloc в случае, если размер запрошенной памяти равен нулю.

Поведение функции abort по отношению к открытым и временным файлам.

Статус, возвращаемый функцией exit, если значение фактического параметра не равно нулю, или значениям макроимен EXIT_SUCCESS и EXIT_FAILURE.

Набор имен окружения и метод изменения списка окружения, используемый функцией getenv.

Содержание и режим выполнения командной строки функцией system.

Знак значения, возвращаемого функцией сравнения (memcmp, strcmp или strncmp), если первая пара различающихся символов разнится в старшем разряде.

Содержание строк сообщений об ошибках, возвращаемых функцией strerror.

Местный временной пояс и летнее время.

Точка отсчета для функции clock.

Метрические ограничения переносимой программы

Переносимая программа должна удовлетворять следующим метрическим ограничениям:

Обеспечение независимости от особенностей версии ОС UNIX

Специфичным видом мобильности приложений на уровне исходных текстов является возможность их выполнения с несколькими версиями одного и того же варианта ОС UNIX, включая ранние версии, далекие от современных стандартов. Достаточно часто поздние версии не обеспечивают полной совместимости с более ранними версиями, поскольку такая совместимость не дала бы возможности добиться в поздних версиях соответствия стандартам.

По-видимому, единственным на текущий момент практическим приемом для достижения такого рода мобильности приложений на уровне исходных текстов является развитое применение операторов условной компиляции в текстах программ (условной компиляции на уровне файлов включения часто оказывается недостаточно, поскольку в зависимости от версии системы в прикладной системе приходится использовать разные комбинации системных вызовов и других библиотечных функций). Обычно в основных файлах включения поддерживаются символические константы, значения которых позволяют судить об особенностях используемой версии ОС. Опираясь на значения этих констант, можно добиться того, что правильно написанная прикладная программа будет правильно компилироваться (и собираться) в среде конкретной версии операционной системы. Наличие единого текста облегчает сопровождение прикладной программы и облегчает достижение его одинаковой функциональности при работе с разными версиями системы (хотя такие тексты, переполненные операторами условной компиляции, обычно очень трудно читаются; можно только рекомендовать по мере возможности локализовать куски программы, зависящие от версии ОС).

Предыдущая глава | Оглавление | Следующая глава


Comments: info@citmgu.ru
Copyright © CIT
Hosted by uCoz