Читаем Системное программирование в среде Windows онлайн бесплатно

В этой книге описывается разработка приложений с использованием интерфейса прикладного программирования (Application Programming Interface, API) операционных систем Windows компании Microsoft, причем основное внимание уделяется базовым системным службам, включая управление файловой системой, процессами и потоками, межпроцессное взаимодействие, сетевое программирование и синхронизацию. Пользовательские интерфейсы, внутренние функции Windows и драйверы ввода/вывода в данной книге не рассматриваются, хотя сами по себе эти темы не менее важны и представляют не меньший интерес. Для примеров преимущественно выбирались реалистичные сценарии, и поэтому многие из них вполне могут служить в качестве основы для построения реальных приложений.

Win32/Win64 API, или обобщенно Windows API, поддерживаются семейством 32– и 64-разрядных операционных систем компании Microsoft, в которое в настоящее время входят Windows XP, Windows 2000 и Windows Server 2003. К числу ранних представителей этого семейства относятся операционные системы Windows NT, Windows Me, Windows 98 и Windows 95; в настоящее время эти системы считаются устаревшими, однако многие из приведенных в книге примеров программ способны выполняться и под их управлением. Вопросы перехода от платформы Win32 к развивающейся платформе Win64 обсуждаются по мере необходимости. Win64, поддерживаемый в качестве 64-разрядного интерфейса в некоторых версиях Windows Server 2003 и Windows XP, почти идентичен Win32.

Не вызывает сомнений, что Windows API является важнейшим фактором, который оказывает влияние на весь процесс разработки приложений, и во многих случаях вытесняет поддерживаемый операционными системами UNIX и Linux POSIX API, поскольку считается более предпочтительным или, по крайней мере, предоставляющим те же возможности для приложений, ориентированных на настольные и серверные системы. Поэтому многие опытные программисты заинтересованы в скорейшем изучении Windows API, и данная книга призвана содействовать этому.

Прежде всего, необходимо рассказать вам о том, что представляет собой Windows API, и показать, как им пользоваться в реальных ситуациях, причем этот рассказ должен быть как можно более кратким и не перегруженным излишними деталями. Поэтому данная книга предназначена не для использования в качестве справочного руководства, а для ознакомления с основными свойствами наиболее важных функций и демонстрации возможностей их применения в ситуациях практического программирования. Вооружившись этими знаниями, читатель сможет воспользоваться обширной справочной документацией, предоставляемой компанией Microsoft, для самостоятельного углубленного изучения отдельных вопросов, расширенных возможностей и менее приметных функций в соответствии с возникшими потребностями или заинтересованностью. Лично мне при таком подходе изучение Windows API далось легко, а разработка Windows-программ доставила огромное удовольствие, хотя и без неприятных минут также не обошлось. Мои порывы энтузиазма легко просматриваются в некоторых местах книги, что, собственно, и неудивительно. Впрочем, это вовсе не свидетельствует о том, что я безоговорочно соглашусь с превосходством Windows API над API других операционных систем (ОС), но относительно того, что у него есть масса положительных качеств, вряд ли кто-либо станет возражать.

Авторы многих книг, посвященных Windows, значительное внимание уделяют объяснению того, что представляют собой процессы, виртуальная память, межпроцессное взаимодействие, вытесняющий планировщик, но при этом не показывают, как все это используется в реальных ситуациях. Программистам, имеющим опыт работы с системами UNIX, Linux, IBM MVS, Open VMS и некоторыми другими ОС эти понятия уже знакомы, и они заинтересованы лишь в том, чтобы как можно быстрее перейти к изучению того, как эти возможности реализованы в Windows. К тому же, в большинстве книг по Windows важное место отводится методам программирования на основе пользовательского интерфейса. С целью концентрации внимания лишь на самых главных базовых возможностях, предоставляемых системой, в данной книге тема пользовательского интерфейса не затрагивается, и мы ограничиваемся обсуждением лишь простого консольного символьного ввода/вывода.

В соответствии с принятой в данной книге точке зрения Windows — это всего лишь API операционной системы, предоставляющий набор вполне понятных средств. Потребность в ускоренном изучении Windows испытывают многие программисты, независимо от уровня их опыта, и без знания Windows немыслимо обсуждение таких, например, тем, как модель компонентного объекта (Component Object Model, СОМ), разработанная компанией Microsoft. В некоторых отношениях системы Windows превосходят остальные системы, в других — отстают от них или находятся примерно на том же уровне. Задача данной книги состоит в том, чтобы продемонстрировать, как эффективнее всего использовать эти возможности в реальных ситуациях для разработки полезных, высококачественных и высокопроизводительных приложений.

• Все, кто хочет быстро научиться разрабатывать приложения, независимо от уровня подготовки.

• Программисты и специалисты по разработке программного обеспечения, перед которыми стоит задача переноса существующих приложений, написанных, в частности, для UNIX, на любую из платформ Windows. В книге демонстрируются сравнительные возможности функций и моделей программирования, связанных с использованием Windows, UNIX и стандартной библиотеки С. Каждая из обычных функциональных возможностей UNIX, включая управление процессами, синхронизацию, файловые системы и межпроцессное взаимодействие, рассматривается в терминах Windows.

• Читатели, приступающие к разработке новых проектов, которые не ограничены в своих действиях необходимостью переноса имеющихся программных кодов на другие платформы. В книге охвачены многие аспекты проектирования и реализации программ и продемонстрированы способы использования функций Windows для создания полезных приложений и решения обычных задач программирования.

• Программисты, использующие СОМ и .NET Framework, которые найдут здесь массу полезной информации, облегчающей изучение принципов работы динамически подключаемых библиотек (dynamic link libraries, DLL), моделей потоков и способов их применения, интерфейсов и синхронизации.

• Студенты, изучающие компьютерные дисциплины на старших курсах вузов или занятые подготовкой дипломных работ, связанных с системным программированием или разработкой приложений. Книга будет полезна также тем, кто изучает многопоточное программирование или сталкивается с необходимостью создания сетевых приложений. Ее также можно использовать в качестве полезного дополнения к таким, например, источникам, как книга У. Ричарда Стивенса (W. Richard Stevens) Advanced Programming in the UNIX Environment (см. библиографию), что позволит студентам сравнить возможности Windows и UNIX. Эта книга будет хорошим подспорьем и для студентов, проходящих курс ОС, поскольку в ней показано, какими именно средствами обеспечивается базовая функциональность ОС, представляющих интерес в коммерческом отношении.

Единственным допущением, которое неявно присутствует во всем вышесказанном, является предположение о том, что читатели имеют опыт программирования на языке С.

Наряду со значительным обновлением и реорганизацией по сравнению с первыми двумя изданиями, в третьем издании добавлен обширный объем нового материала. Это издание призвано решать следующие задачи:

• Охватить новые возможности, появившиеся в Windows XP, Windows 2000 и Windows Server 2003, а также рассмотреть вопросы перехода к платформе Win64.

• Исключить материал, учитывающий специфику ОС Windows 95, Windows 98 и Windows ME (семейство "Windows 9x"), как устаревший, поскольку на поставляемых в настоящее время персональных системах устанавливается Windows XP, и ограничения, свойственные Windows 9х, уже потеряли свою актуальность.[1] В примерах программ без каких бы то ни было оговорок используются средства, которые входят лишь в текущие версии Windows, хотя в результате этого в Windows 9x некоторые программы работать не будут.

• Предоставить более полное освещение темы потоков и синхронизации, включая связанные с этим аспекты производительности, масштабируемости и надежности. Глава 9, равно как и некоторые из примеров в главе 10, являются новыми.

• Подчеркнуть все возрастающее влияние Windows 2000 и Windows Server 2003 и входящих в их состав новых средств на возможности высокопроизводительных, масштабируемых, многопоточных серверных приложений.

• Исследовать зависимость производительности программ от принципов их построения, обратив особое внимание на многопоточные программы с синхронизацией и на особенности эксплуатации этих программ в условиях симметричных многопроцессорных (Symmetrical Multiprocessor, SMP) систем.

• Учесть замечания читателей и студентов, касающиеся исправления недочетов и улучшения стиля изложения, а также все их советы и пожелания, как важные, так и самые незначительные.

Расположение глав соответствует их тематической направленности, и поэтому сначала рассматриваются средства, необходимые для работы исключительно однопоточных приложений, затем средства, используемые для управления процессами и потоками, и лишь после этого обсуждаются вопросы сетевого программирования в среде с многопоточной поддержкой. Благодаря такой организации книги читателю будет легко следить за логикой изложения, последовательно переходя от файловых систем к управлению памятью и отображению файлов, далее — к процессам, потокам и синхронизации, а затем — к межпроцессному и сетевому взаимодействию и вопросам защиты приложений. Кроме того, такая организация позволяет естественным образом достраивать примеры по мере их усложнения, во многом подобно тому, как действует разработчик, когда сначала создает простой прототип, а затем постепенно вводит в него дополнительные возможности. Рассмотрение вопросов повышенной сложности, таких как асинхронный ввод/вывод и проблемы защиты, перенесено в самый конец книги.

В пределах каждой главы, после краткого обсуждения отдельной функциональности, например, управления процессами или отображения файлов, подробно рассматриваются наиболее важные из соответствующих функций Windows и их взаимосвязь между собой. Изложение сопровождается иллюстративными примерами. В основной текст включены лишь наиболее существенные части листингов программ; полные тексты программ, а также необходимые включаемые файлы, вспомогательные функции и прочий код приведены в приложении А или доступны на Web-сайте книги . Во всех случаях, когда какие-либо возможности поддерживаются только текущими версиями Windows (XP, 2000 и Server 2003) и не поддерживаются предыдущими, например, Windows 9x и Windows NT, в которых не реализованы многие из усовершенствованных возможностей, делаются отдельные оговорки. В каждой главе приводится список дополнительной рекомендованной литературы и предлагается несколько упражнений. Многие упражнения акцентируют внимание на вопросах, которые имеют важное значение и представляют определенный интерес, но не были отражены в основном тексте, тогда как другие упражнения заставляют читателя глубже разобраться в темах более сложного или специального характера.

В главе 1 предлагается высокоуровневое введение в семейство ОС Windows и Windows API. Используемая в качестве примера простая программа демонстрирует основные элементы стиля программирования Windows и создает фундамент для реализации усовершенствованных возможностей Windows. Win64 и проблемы межплатформенной миграции программ предварительно рассматриваются в главе 1, более полно изучаются в главе 16, и обсуждаются по мере изложения в остальной части книги там, где это оказывается необходимым.

В главах 2 и 3 рассматриваются файловые системы, операции консольного ввода/вывода, блокирование файлов и управление каталогами. В главе 2 также рассказывается о кодировке Unicode — расширенном символьном наборе, который используется в Windows. Соответствующие иллюстративные примеры охватывают последовательный и прямой доступ к содержащимся в файле данным, обход дерева каталогов и архивирование файлов. Глава 3 заканчивается обсуждением программного управления реестром, имеющего много общего с управлением файлами и каталогами.

Глава 4 знакомит читателя с обработкой исключений в Windows, включая структурную обработку исключений (Structured Exception Handling, SEH), которая будет широко использоваться на протяжении всей книги. Во многих книгах изучение SEH откладывается до последних глав, однако мы, ознакомившись с этим средством уже на начальной стадии, получим возможность сразу же пользоваться им, что значительно упростит для нас некоторые задачи программирования и позволит повысить качество программ. Кроме того, здесь описано также одно из новейших средств — векторная обработка исключений.

В главе 5 рассмотрены вопросы управления памятью в Windows и показано, каким образом отображение файлов используется не только для упрощения программирования, но и для повышения производительности программ. В этой же главе рассмотрена организация библиотек DLL.

В главе 6 приводятся начальные сведения о процессах, управлении процессами и простых методах синхронизации в Windows. Далее в главе 7 эти понятия используются для описания управления потоками. Примеры в каждой из глав иллюстрируют многочисленные преимущества, включая упрощение программ и повышение их производительности, которые обеспечивает использование потоков и процессов.