Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

QNX/UNIX

Анатомия параллелизма

Олег Цилюрик, Егор Горошко

Предисловие

Зачем написана эта книга и кому она предназначена? Различные аспекты построения программных приложений для операционной системы реального времени QNX, родственные тем, которые мы обсуждаем в данном издании, весьма обстоятельно описаны в литературе. Это и основополагающие труды Э. Дейкстры [10] и других авторов, и общая литература по POSIX (Portable Operating System Interface) и ОС UNIX [2, 3, 5–7]. Другие, сугубо специфические аспекты для ОС QNX, такие как обмен сообщениями микроядра, построение менеджеров ресурсов, пулы потоков и еще ряд других приятных вещей, прекрасно описаны в книге Р. Кертена [1].

Однако все эти источники имеют ряд недостатков:

• Техническая документация по QNX, тщательно описывающая API и детали реализации, оставляет в стороне (возможно, как относительно известные) общие вопросы построения параллельных приложений и их взаимодействия.

• Несмотря на наличие множества кратких примеров кода по использованию отдельных вызовов API, в технической документации явно недостаточно примеров их применения в логической последовательности и организации их совместного взаимодействия.

• Издания по UNIX, посвященные общим вопросам, напротив, изобилуют образцами кода, но в силу объективных причин, связанных с длительностью издательского процесса, не отображают новые механизмы, появившиеся в стандартах начиная с конца 90-х годов.

• И наконец, подавляющее большинство переводных книг по программированию для UNIX рассчитано на начальный уровень. Счастливое исключение — книги У. Стивенса, которые мы с удовольствием используем сами и рекомендуем читателям.

В итоге возник замысел написать книгу, в которой будет подведен итог некоторого периода нашего собственного использования ОС QNX и которая будет насыщена примерами в виде законченных проектов или отдельных фрагментов кода. Для удобства читателей *.tgz-архив описываемых в книге приложений размещен по адресу http://www.symbol.ru/library/qnx-unix/pthread.tgz, что позволит полноценно работать с текстом.

По большей части проекты трансформировались из реальных задач, из которых исключалась вся специфика конкретного заказа, только затуманивающая смысл примера. Многие примеры программного кода и приложения подготовлены так, что несут двойную нагрузку: они построены как тесты тех или иных механизмов ОС и, иллюстрируя рассматриваемые аспекты, одновременно позволяют получить численные характеристики тестируемых параметров. Этим книга существенно отличается от технической документации и описательных статей по QNX, которые не слишком богаты численными показателями, подтверждающими то, о чем в них говорится.

Первоначально предполагалось создать достаточно компактный текст, систематизирующий механизмы, итак хорошо известные и понятные… Но по ходу работы объем материала, который необходимо было хотя бы затронуть, начал разрастаться как снежный ком: уточнение незначительного вопроса порождало два новых и часто гораздо более существенных, чем первоначальный; начали «вылезать» несоответствия документации и результатов тестирования; слабо связанные, на первый взгляд, механизмы (например, примитивы синхронизации POSIX и сигналы UNIX) при перекрестном взаимодействии порождают такие эффекты, которые просто нельзя оставить без внимания.

Для того чтобы хоть как-то бороться с лавинным нарастанием объема, было принято решение выделить те механизмы, программные техники и элементы API, которые наиболее слабо затронуты в литературных источниках, и рассматривать их с максимально возможной обстоятельностью (это относится, например, к базовой форме вызова spawn()). Напротив, те элементы, которые достаточно детально описаны и обсуждены или интуитивно понятны (например, все семейство вызовов [1], производных от spawn()), лишь поверхностно перечисляются (даже если позже в примерах кода мы и используем именно эти формы). В конце концов, мы не собирались пересказывать техническую документацию QNX, а хотели детально рассмотреть тонкие механизмы и их несоответствия (между собой или с изложением в документации) на работающих образцах кода.

При написании этого материала нам не были доступны никакие внутренние или специфические материалы разработчиков, кроме официальной технической документации ОС QNX, общедоступной литературы, информации, циркулирующей в Интернете в обсуждениях QNX-сообществ (в первую очередь http://qnx.org.ru и http://qnxclub.net), и контактов с коллегами-разработчиками. Многие тонкие детали приходилось восстанавливать путем тестирования и последующего толкования наблюдаемых результатов.

Как следствие, совершенно не исключено, что некоторые полученные нами результаты были неверно интерпретированы, а описания содержат определенные неточности - текущее состояние текста отображает наше сегодняшнее понимание наблюдаемых процессов и механизмов в системе, оно может измениться уже завтра. Мы были бы в высшей степени признательны за всякое указание на сомнительные в этом смысле места, что поможет сделать этот текст максимально адекватным и пригодным для использования.

Более того, не все наши вопросы к системе на сегодняшний день находят удовлетворительное решение — в силу ли ошибочной интерпретации процессов, наблюдаемых нами в системе, или в силу наличия в системе естественных «узлов и закрутов» (А. Ремизов), который мы пока не в состоянии раскрутить. На таких вопросах мы сознательно акцентируем внимание, даже если пока и не можем предложить на них удовлетворительных ответов.

Но в этой технологии формирования материала по принципу «черного ящика»[1] есть и своя положительная оборотная сторона: описанные и тестированные фрагменты кода отображают состояние и функционирование механизмов ОС «как они есть», а не «как они должны быть». Это вдвойне актуально, учитывая, что разработчик QNX, фирма QSSL, не раз в своей технической документации описывала компоненты как реально существующие, в то время как их только предполагалось реализовать в последующих версиях (маршрутизация QNET «над» IP, механизмы shared memory и др.), или описывала механизмы в таком туманном изложении (дисциплины балансировки нагрузки QoS, НАМ), что трудно понять, в какой степени они уже пригодны к практическому применению, а в какой — являются лишь экспериментальными наработками на будущее.

Такая неполнота информации недопустима при разработке целевых систем повышенной надежности для критических областей применения. Хочется надеяться, что наше изложение органично дополнит техническую документацию QNX, что позволит приблизить QNX к практическому использованию. Также надеемся, что эта книга окажется полезной для программистов, работающих в сфере реальных разработок.

Предполагается, что читатель уже достаточно обстоятельно знаком с общей техникой программирования в С/С++[2] и имеет некоторый опыт в описываемой области по другим ОС (Linux, MS-DOS, MS Windows и др.). На основах программной техники мы останавливаться не будем, многие образцы кода, использующие общеизвестные и часто употребляемые приемы, будут даваться без комментариев. Более того, текст на протяжении книги очень «неровный» по глубине изложения. Например, текст приложения, предложенный В. Зайцевым, требует существенных предварительных знаний, а еще лучше — опыта разработки в QNX. Однако при первом чтении такие «усложненные» фрагменты могут быть опущены без ущерба для понимания основного материала.

И наконец, последнее (по порядку, но не по значимости); большая часть излагаемого материала и образцов программного кода базируется на POSIX-стандартизованных механизмах (там, где обратное не оговорено особо) и поэтому может быть отнесена не только к ОС QNX, но и расширена на другие UNIX-подобные системы. Мы же в подавляющем большинстве примеров кода для программной проверки своих положений в качестве эталонной платформы используем ОС QNX как одну из доступных систем UNIX.

На основе ревизии последних лет можно сказать, что в QNX механизмы POSIX реализованы наиболее полно и последовательно относительно других систем, однако и в среде других ОС проводится активная работа по приведению их API в точное соответствие с POSIX. Один из примеров подобной эволюции в ОС Linux мы рассматриваем в тексте; в среде ОС NetBSD заявлено о приведении к соответствию с расширениями POSIX реального времени механизмов потоков и синхронизации. Большая часть кода, приводимого в тексте, может быть перенесена (иногда с незначительными изменениями) в другие системы: Linux, FreeBSD, NetBSD и проч. Отличия же в деталях функционировании рассматриваемых механизмов в разных системах, наоборот, только помогают прояснить детальную картину происходящего. Именно поэтому эта двойственность и была вынесена в заголовок книги: «QNX/UNIX».