Другое

Что такое POSIX: Полное руководство по стандартам

Узнайте, что такое POSIX, его важность в операционных системах и как он обеспечивает кроссплатформенную разработку программного обеспечения. Изучите стандарты, обеспечивающие совместимость между Unix-подобными системами.

Авторы: НейроАгент

Что такое POSIX? Я читал статью в Википедии, но всё ещё не понимаю, что это такое и как оно связано с операционными системами и разработкой программного обеспечения.

POSIX, который расшифровывается как Portable Operating System Interface (Переносимый интерфейс операционной системы), представляет собой набор стандартов, определяющих интерфейсы прикладного программирования (API), утилиты оболочки и поведение для Unix-подобных операционных систем. Он был создан IEEE для обеспечения совместимости и переносимости программного обеспечения на различных вариантах Unix, что позволяет разработчикам писать код, который может работать на нескольких операционных системах без модификации.

Содержание

Что такое POSIX?

POSIX расшифровывается как Portable Operating System Interface (Переносимый интерфейс операционной системы) и представляет собой семейство связанных стандартов, определенных IEEE (Институтом инженеров по электротехнике и электронике). Самая актуальная версия — IEEE Std 1003.1-2024, которая является частью Single UNIX Specification (SUS).

По своей сути POSIX — это стандартизационная работа, обеспечивающая согласованность в том, как различные Unix-подобные операционные системы предоставляют интерфейсы разработчикам приложений. Это означает, что когда программа написана в соответствии со стандартами POSIX, теоретически она может работать на любой POSIX-совместимой операционной системе без необходимости значительных модификаций.

Стандарт охватывает несколько ключевых аспектов вычислительной техники:

  • Интерфейсы прикладного программирования (API): как приложения взаимодействуют с операционной системой
  • Оболочка и утилиты: инструменты командной строки и их поведение
  • Системные службы: основная функциональность операционной системы
  • Функции библиотек: расширения стандартной библиотеки C для POSIX-систем

Как объясняется на Wikipedia, “Для повышения совместимости IEEE выпустил стандарт POSIX для интерфейсов прикладного программирования (API) операционных систем, который поддерживается большинством UNIX-систем.”

Исторический контекст

POSIX возник из необходимости решить фрагментацию экосистемы Unix в 1980-х годах. До POSIX различные варианты Unix от разных поставщиков (такие как System V от AT&T и Berkeley Software Distribution от Калифорнийского университета) имели несовместимые интерфейсы и API.

Эта несовместимость создавала серьезные проблемы для разработчиков программного обеспечения, которым нужно было создавать приложения, работающие на различных Unix-системах. IEEE признал эту проблему и инициировал проект POSIX для создания единого стандарта.

Разработка POSIX была тесно связана с эволюцией Unix и языка программирования C. Как отмечено на Wikipedia, “Интерфейс программирования Unix стал основой для широко реализованного стандарта интерфейса операционной системы (POSIX, см. выше). Язык программирования C быстро распространился за пределы Unix и теперь повсеместно используется в системном и прикладном программировании.”

Как POSIX связан с операционными системами

POSIX фундаментально формирует проектирование и реализацию современных операционных систем. Вот как они связаны:

Совместимость операционных систем

POSIX служит мостом между различными операционными системами, обеспечивая их согласованность интерфейсов для разработчиков. Большинство Unix-подобных операционных систем, включая:

  • дистрибутивы Linux
  • варианты BSD (FreeBSD, OpenBSD, NetBSD)
  • macOS (который основан на BSD)
  • IBM AIX
  • HP-UX
  • Solaris

Эти системы реализуют стандарты POSIX в разной степени, обеспечивая кроссплатформенную совместимость.

Стандартизация системных интерфейсов

POSIX определяет, как операционные системы должны предоставлять основные службы приложениям:

  • Управление процессами: создание, управление и синхронизация процессов
  • Операции с файловой системой: чтение, запись и управление файлами и каталогами
  • Обработка ввода-вывода: управление устройствами и потоковыми операциями
  • Межпроцессное взаимодействие: механизмы для обмена данными между процессами
  • Сетевое программирование: интерфейсы сокетов и сетевые службы

Как указано на IBM, “Операционная система (ОС) — это набор программного обеспечения, управляющего аппаратным обеспечением и приложениями компьютера путем распределения ресурсов, включая память, процессор, устройства ввода-вывода и хранилища файлов” — и POSIX предоставляет стандартизированные интерфейсы для этого управления.

POSIX в разработке программного обеспечения

Для разработчиков программного обеспечения POSIX — это не просто академический стандарт, а практическая основа, которая позволяет:

Разработка переносимых приложений

POSIX позволяет разработчикам создавать кроссплатформенные приложения, которые могут работать на нескольких операционных системах. Это особенно ценно для:

  • серверных приложений
  • системных утилит
  • инструментов разработки
  • программного обеспечения для научных вычислений
  • корпоративного программного обеспечения

Аспект переносимости отражен в самом названии — “Portable Operating System Interface” (Переносимый интерфейс операционной системы), что означает, что интерфейсы разработаны для переносимости между различными системами.

Стандартизированные практики разработки

POSIX предоставляет согласованные API и поведение, которым могут доверять разработчики:

bash
# Пример POSIX-совместимого скрипта оболочки, работающего на разных системах
#!/bin/sh

# Вывести список всех текстовых файлов в текущем каталоге
find . -type f -name "*.txt" -print > filelist.txt

# Подсчитать строки в каждом файле
while read file; do
    lines=$(wc -l < "$file")
    echo "$file: $lines строк"
done < filelist.txt

Как упоминалось в результатах поиска, “Большинство скриптов в этой книге соответствуют стандарту POSIX (Portable Operating System Interface), поэтому они поддерживаются многими основными вариантами оболочки, включая Bash, ksh и sh, среди прочих.”

Стандарты библиотек и API

POSIX определяет расширения стандартной библиотеки C, которые предоставляют системно-специфическую функциональность:

  • Потоки: pthreads для многопоточного программирования
  • Файловый ввод-вывод: стандартизированные файловые операции
  • Сетевое программирование: интерфейсы сокетов и протоколы
  • Управление процессами: создание и управление процессами
  • Сигналы: обработка асинхронных событий

C POSIX library “была разработана одновременно со стандартом ANSI C. Были предприняты некоторые усилия для обеспечения совместимости POSIX со стандартом C; POSIX включает дополнительные функции по сравнению с теми, что представлены в стандартном C.”

Ключевые компоненты стандарта POSIX

POSIX — это не единый стандарт, а семейство связанных спецификаций. Наиболее важные компоненты включают:

Оболочка и утилиты

POSIX определяет стандартные команды оболочки и утилиты, которые должны быть доступны на всех совместимых системах. Они включают:

  • Команды манипуляции с файлами (ls, cp, mv, rm)
  • Утилиты обработки текста (grep, sed, awk)
  • Управление процессами (ps, kill, nice)
  • Системная информация (uname, date, who)

Как объясняется на Wikipedia, “Это список команд оболочки последней версии Portable Operating System Interface (POSIX) – IEEE Std 1003.1-2024, который является частью Single UNIX Specification (SUS). Эти команды реализованы во многих оболочках на современных Unix, Unix-подобных и других операционных системах.”

Системные интерфейсы

POSIX определяет системные вызовы и API, которые приложения могут использовать для взаимодействия с операционной системой:

  • Создание и управление процессами (fork, exec, wait)
  • Файловые операции (open, read, write, close)
  • Управление памятью (mmap, brk)
  • Сетевое программирование (socket, bind, connect)

Потоки и параллелизм

POSIX определяет стандарт pthreads (POSIX Threads) для многопоточного программирования:

“В вычислительной технике POSIX Threads, широко известные как pthreads (после своего заголовочного файла <pthread.h>), это модель выполнения, которая существует независимо от языка программирования, а также модель параллельного выполнения. Она позволяет программе контролировать несколько разных потоков работы, которые перекрываются во времени.”

Практические примеры и реализации

Реальное использование POSIX

Стандарты POSIX реализованы во множестве реальных сценариев:

c
// Пример POSIX-совместимого кода на C с использованием pthreads
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

void* thread_function(void* arg) {
    printf("Привет из потока!\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    
    // Создать поток с использованием POSIX pthreads
    if (pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL) != 0) {
        perror("Не удалось создать поток");
        return 1;
    }
    
    // Дождаться завершения потока
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

Реализации в операционных системах

Основные операционные системы реализуют стандарты POSIX:

  • Linux: Высокая POSIX-совместимость с полной поддержкой большинства POSIX-возможностей
  • macOS: Основан на BSD, обеспечивает отличную POSIX-совместимость
  • FreeBSD/OpenBSD: Прямые потомки оригинального Unix с сильным соответствием POSIX
  • IBM AIX: Коммерческая реализация Unix с сертификацией POSIX

Инструменты разработки

Многие инструменты разработки используют POSIX для обеспечения кроссплатформенной совместимости:

  • GCC (GNU Compiler Collection) поддерживает расширения POSIX
  • Autotools (autoconf, automake) помогают создавать POSIX-совместимые сборки
  • Многие языки скриптов (Python, Perl, Ruby) имеют POSIX-модули

Преимущества использования стандартов POSIX

Переносимость и совместимость

Основное преимущество POSIX — переносимость кода. Приложения, написанные в соответствии со стандартами POSIX, могут работать на нескольких операционных системах без модификации, что значительно снижает затраты на разработку и время вывода на рынок.

Стандартизированная среда разработки

POSIX предоставляет согласованные интерфейсы и поведение на разных системах, что упрощает разработчикам:

  • Изучить одну систему и применить знания к другим
  • Писать надежный, предсказуемый код
  • Систематически отлаживать проблемы
  • Сотрудничать между командами и организациями

Долгосрочная стабильность

Стандарты POSIX — это зрелые и хорошо установленные стандарты с десятилетиями реального использования. Это означает:

  • API стабильны и маловероятно претерпят значительные изменения
  • Существует обширная документация и знания сообщества
  • Совместимость поддерживается между поколениями систем
  • Проблемы безопасности хорошо изучены и решаются

Принятие в отрасли

POSIX шиоко признан и принят в отрасли:

  • Большинство Unix-подобных систем имеют POSIX-сертификацию
  • Корпоративное программное обеспечение часто требует соответствия POSIX
  • Государственные и военные системы часто предписывают стандарты POSIX
  • Образовательные учреждения преподают POSIX как часть учебных программ компьютерных наук

Заключение

POSIX, или Portable Operating System Interface (Переносимый интерфейс операционной системы), — это фундаментальный стандарт, обеспечивающий совместимость и переносимость между Unix-подобными операционными системами. Вот основные выводы:

  • POSIX — это семейство стандартов IEEE, которые определяют согласованные API, утилиты оболочки и поведение для Unix-подобных систем
  • Он был создан для решения проблем совместимости в фрагментированной экосистеме Unix 1980-х годов
  • POSIX обеспечивает кроссплатформенную разработку, предоставляя стандартизированные интерфейсы, которые работают на разных операционных системах
  • Для разработчиков программного обеспечения POSIX означает более переносимый код, согласованные практики разработки и доступ к зрелым, стабильным API
  • Большинство современных Unix-подобных систем (Linux, macOS, BSD, коммерческие варианты Unix) реализуют стандарты POSIX в разной степени

При разработке программного обеспечения, которое должно работать на нескольких Unix-подобных системах, следование стандартам POSIX обеспечивает максимальную совместимость и снижает необходимость в модификациях кода, специфичных для платформы. Понимание POSIX необходимо любому разработчику, работающему в Unix-подобных средах или создающему кроссплатформенные приложения.

Источники

  1. Операционная система - Wikipedia
  2. Unix - Wikipedia
  3. Список команд POSIX - Wikipedia
  4. C POSIX library - Wikipedia
  5. pthreads - Wikipedia
  6. Что такое операционная система? | IBM
  7. Что такое операционная система? Объяснение типов ОС, функций и примеров - Guru99
  8. Рецепты скриптинга оболочки - LinkedIn
  9. Разработка программного обеспечения - Wikipedia
  10. Программная инженерия - Wikipedia
Авторы
НейроАгент
Автор
Проверено модерацией
НейроОтветы
Модерация
Что такое POSIX: Полное руководство по стандартам