7.3. Интерфейс прикладного программирования
Общий термин API (application program interface, интерфейс прикладного программирования) разделяется на следующие направления:
– API как интерфейс высокого уровня, принадлежащий к библиотекам RTL;
– API прикладных и системных программ, входящих в поставку операционной системы;
Интерфейс прикладного программирования, как это и следует из названия, предназначен для использования прикладными программами системных ресурсов ОС и реализуемых ею функций. API описывает совокупность функций и процедур, принадлежащих ядру или надстройкам ОС.
Итак, API представляет собой набор функций, предоставляемых системой программирования разработчику прикладной программы и ориентированных на организацию взаимодействия результирующей прикладной программы с целевой вычислительной системой.
Целевая вычислительная система представляет собой совокупность программных и аппаратных средств, в окружении которых выполняется результирующая программа. Сама результирующая программа порождается системой программирования на основании кода исходной программы, созданного разработчиком, а также объектных модулей и библиотек, входящих в состав системы программирования.
Функции API позволяют разработчику строить результирующую прикладную программу так, чтобы использовать средства целевой вычислительной системы для выполнения типовых операций. При этом разработчик программы избавлен от необходимости создавать исходный код для выполнения этих операций.
Программный интерфейс API включает в себя не только сами функции, но и соглашения об их использовании, которые регламентируются операционной системой (ОС), архитектурой целевой вычислительной системы и системой программирования.
Существует несколько вариантов реализации API:
– реализация на уровне системы программирования;
– реализация на уровне внешней библиотеки процедур и функций.
Система программирования в каждом из этих вариантов предоставляет разработчику средства для подключения функций API к исходному коду программы и организации их вызовов. Объектный код функций API подключается к результирующей программе компоновщиком при необходимости.
Возможности API можно оценивать со следующих позиций:
– эффективность выполнения функций API – включает в себя скорость выполнения функций и объем вычислительных ресурсов, потребных для их выполнения;
– широта предоставляемых возможностей;
– зависимость прикладной программы от архитектуры целевой вычислительной системы.
В идеале хотелось бы иметь набор функций API, выполняющихся с наивысшей эффективностью, предоставляющих пользователю все возможности современных ОС и имеющих минимальную зависимость от архитектуры вычислительной системы (еще лучше – лишенных такой зависимости).
Реализация функций API на уровне ОС
При реализации функций API на уровне ОС за их выполнение ответственность несет ОС. Объектный код, выполняющий функции, либо непосредственно входит в состав ОС (или даже ядра ОС), либо поставляется в составе динамически загружаемых библиотек, разработанных для данной ОС. Система программирования ответственна только за то, чтобы организовать интерфейс для вызова этого кода.
В таком варианте результирующая программа обращается непосредственно к ОС. Поэтому достигается наибольшая эффективность выполнения функций API по сравнению со всеми другими вариантами реализации API.
Недостатком организации API по такой схеме является практически полное отсутствие переносимости не только кода результирующей программы, но и кода исходной программы. Программа, созданная для одной архитектуры вычислительной системы, не сможет исполняться на вычислительной системе другой архитектуры даже после того, как ее объектный код будет полностью перестроен. Чаще всего система программирования не сможет выполнить перестроение исходного кода для новой архитектуры вычислительной системы, поскольку многие функции API, ориентированные на определенную ОС, будут в новой архитектуре просто отсутствовать.
Таким образом, в данной схеме для переноса прикладной программы с одной целевой вычислительной системы на другую будет требоваться изменение исходного кода программы.
Переносимости можно было бы добиться, если унифицировать функции API в различных ОС. С учетом корпоративных интересов производителей ОС такое направление их развития представляется практически невозможным. В лучшем случае при приложении определенных организационных усилий удается добиться стандартизации смыслового (семантического) наполнения основных функций API, но не их программного интерфейса.
Хорошо известным примером API такого рода может служить набор функций, предоставляемых пользователю со стороны ОС типа Microsoft Windows – WinAPI (Windows API). Надо сказать, что даже внутри этого корпоративного API существует определенная несогласованность, которая несколько ограничивает переносимость программ между различными ОС типа Windows.
Еще одним примером такого API можно считать набор сервисных функций ОС типа MS-DOS, реализованный в виде набора подпрограмм обслуживания программных прерываний.
Реализация функций API на уровне системы программирования
Если функции API реализуются на уровне системы программирования, они предоставляются пользователю в виде библиотеки функций соответствующего языка программирования. Обычно речь идет о библиотеке времени исполнения – RTL (run time library).
Система программирования предоставляет пользователю библиотеку соответствующего языка программирования и обеспечивает подключение к результирующей программе объектного кода, ответственного за выполнение этих функций.
Очевидно, что эффективность функций API в таком варианте будет несколько ниже, чем при непосредственном обращении к функциям ОС. Так происходит, поскольку для выполнения многих функций API библиотека RTL языка программирования должна все равно выполнять обращения к функциям ОС. Наличие всех необходимых вызовов и обращений к функциям ОС в объектном коде RTL обеспечивает система программирования.
Однако переносимость исходного кода программы в таком варианте будет самой высокой, поскольку синтаксис и семантика всех функций будут строго регламентированы в стандарте соответствующего языка программирования. Они зависят от языка и не зависят от архитектуры целевой вычислительной системы. Поэтому для выполнения прикладной программы на новой архитектуре вычислительной системы достаточно заново построить код результирующей программы с помощью соответствующей системы программирования.
Единообразное выполнение функций языка обеспечивается системой программирования. При ориентации на различные архитектуры целевой вычислительной системы в системе программирования могут потребоваться различные комбинации вызовов функций ОС для выполнения одних и тех же функций исходного языка. Это должно быть учтено в коде RTL. В общем случае для каждой архитектуры целевой вычислительной системы будет требоваться свой код RTL языка программирования. Выбор того или иного объектного кода RTL для подключения к результирующей программе система программирования обеспечивает автоматически.
Проблема, главным образом, заключается в том, что большинство языков программирования предоставляют пользователю не очень широкий набор стандартизованных функций. Поэтому разработчик исходного кода существенно ограничен в выборе доступных функций API.
Как правило, набора стандартных функций оказывается недостаточно для создания полноценной прикладной программы. Тогда разработчик может обратиться к функциям других библиотек, имеющихся в составе системы программирования. В этом случае нет гарантии, что функции, включенные в состав данной системы программирования, но не входящие в стандарт языка программирования, будут доступны в другой системе программирования. Особенно если она ориентирована на другую архитектуру целевой вычислительной системы. Такая ситуация уже ближе к третьему варианту реализации API.
Реализация функций API с помощью внешних библиотек
При реализации функций API с помощью внешних библиотек они предоставляются пользователю в виде библиотеки процедур и функций, созданной сторонним разработчиком. Причем разработчиком такой библиотеки может выступать тот же самый производитель.
Система программирования ответственна только за то, чтобы подключить объектный код библиотеки к результирующей программе. Причем внешняя библиотека может быть и динамически загружаемой (загружаемой во время выполнения программы).
С точки зрения эффективности выполнения этот метод реализации API имеет самые низкие результаты, поскольку внешняя библиотека обращается как к функциям ОС, так и к функциям RTL языка программирования. Только при очень высоком качестве внешней библиотеки ее эффективность становится сравнимой с библиотекой RTL.
Если говорить о переносимости исходного кода, то здесь требование только одно – используемая внешняя библиотека должна быть доступна в любой из архитектур вычислительных систем, на которые ориентирована прикладная программа. Тогда удается достигнуть переносимости. Это возможно, если используемая библиотека удовлетворяет какому-то принятому стандарту, а система программирования поддерживает этот стандарт.
Например, библиотеки, удовлетворяющие стандарту POSIX, доступны в большинстве систем программирования для языка С. И если прикладная программа использует только библиотеки этого стандарта, то ее исходный код будет переносимым.
Для большинства специфических библиотек отдельных разработчиков это не так. Если пользователь использует какую-то библиотеку, то она ориентирована на ограниченный набор доступных архитектур целевой вычислительной системы. Примерами могут служить библиотеки MFC (Microsoft foundation classes) фирмы Microsoft и VCL (Visual Components Library) фирмы Borland, жестко ориентированные на архитектуру ОС типа Windows.
Тем не менее, многие фирмы-разработчики сейчас стремятся создать библиотеки, которые бы обеспечивали переносимость исходного кода приложений между различными архитектурами целевой вычислительной системы. К ним можно отнести библиотеку CLX (Component Library for Cross Platform) производства фирмы Borland ориентированную на архитектуру ОС типа Linux и ОС типа Windows.
В целом развитие функций прикладного API идет в направлении попытки создать библиотеки API, обеспечивающие широкую переносимость исходного кода. Однако, учитывая корпоративные интересы различных производителей и сложившуюся ситуацию на рынке системного программного обеспечения, в ближайшее время вряд ли удастся достичь значительных успехов в этом направлении.
Поэтому разработчики системных программ вынуждены оставаться в довольно узких рамках ограничений стандартных библиотек языков программирования.
Что касается прикладных программ, то гораздо большую перспективу для них предоставляют технологии, связанные с разработками в рамках архитектуры «клиент – сервер» или трехуровневой архитектуры создания приложений. В этом направлении ведущие производители ОС, СУБД и систем программирования скорее достигнут соглашений, чем в направлении стандартизации API.
Итак, нами были рассмотрены основные принципы, цели и подходы к реализации системных API. Отметим еще один очень важный момент: желательно, чтобы интерфейс прикладного программирования не зависел от системы программирования. Обычно базовые функции API не зависят от системы программирования и могут использоваться из любой системы программирования, хотя и с применением соответствующих правил построения вызывающих последовательностей. В то же время в ряде случаев система программирования может сама генерировать обращения к функциям API.
Как правило, API не стандартизированы. В каждом конкретном случае набор вызовов API определяется, прежде всего, архитектурой ОС и ее назначением. В то же время принимаются попытки стандартизировать некоторый базовый набор функций, поскольку это существенно облегчает перенос приложений с одной ОС в другую.
Таким примером может служить очень известный и, пожалуй, один из самых распространенных стандартов – стандарт POSIX. В этом стандарте перечислен большой набор функций, их параметров и возвращаемых значений.
Стандартизированными, согласно POSIX, являются не только обращения к API, но и файловая система, организация доступа к внешним устройствам, набор системных команд. Использование в приложениях этого стандарта позволяет в дальнейшем легко переносить такие программы с одной ОС в другую путем простейшей перекомпиляции исходного текста.
Частным случаем попытки стандартизации API является внутренний корпоративный стандарт компании Microsoft, известный как WinAPI. Он включает в себя следующие реализации: Win 16, Win32s, Win32, WinCE.
С точки зрения WinAPI (в силу ряда идеологических причин – обязательный графический «оконный» интерфейс пользователя), базовой задачей является окно. Таким образом, WinAPI изначально ориентирован на работу в графической среде. Однако базовые понятия дополнены традиционными функциями, в том числе частично поддерживается стандарт POSIX.