3. Основные функции библиотек программ и их составы.

Библиотеки подпрограмм составляют существенную часть систем программирова­ния. Наряду с дружественностью пользовательского интерфейса, состав доступных библиотек подпрограмм во многом определяет возможности системы программиро­вания и ее позиции на рынке средств разработки программного обеспечения. Библиотеки подпрограмм входили в состав средств разработки, начиная с самых ранних этапов их развития. Даже когда компиляторы еще представляли собой от­дельные программные модули, они уже были связаны с соответствующими библио­теками, поскольку компиляция так или иначе предусматривает связь программ со стандартными функциями исходного языка. Эти функции обязательно должны вхо­дить в состав библиотек.

С точки зрения системы программирования библиотеки подпрограмм состоят из двух основных компонентов. Это собственно файл (или множество файлов) библио­теки, содержащий объектный код, и набор файлов описаний функций, подпрограмм, констант и переменных, составляющих библиотеку. Описания оформляются на со­ответствующем входном языке (например, для языка С или С++ это будет набор заголовочных файлов). Иногда эти файлы могут быть совмещены (например, в си­стеме программирования Turbo Pascal стандартные библиотеки представлены в виде объектных файлов специального формата — TPU — Turbo Pascal Units). Кроме того, в современных системах программирования в состав библиотеки входит также опи­сание ее на естественном языке в виде файла подсказок и справок. Набор файлов описания библиотеки служит для информирования компилятора о составе входящих в библиотеку функций. Обрабатывая эти файлы, компилятор получает всю необходимую информацию о составе библиотеки с точки зрения вход­ного языка программирования. Эти файлы предназначены только для того, чтобы избавить разработчика от необходимости постоянного описания библиотечных функций, подпрограмм, констант и переменных.

В состав системы программирования может входить большое количество разнообраз­ных библиотек. Среди них всегда можно выделить основную библиотеку содержащую обязательные функции входного языка программирования. Т акая библиотека назы­вается обычно стандартной библиотекой языка. Эта библиотека всегда используется компилятором, поскольку без нее разработка программ на данном входном языке не­возможна. Все остальные библиотеки необязательны и подключаются к результирую­щей программе только по прямому указанию разработчика.

В процессе развития систем программирования состав библиотек постоянно расши­рялся. В них включалось все большее и большее число функций. Это было вызвано тем, что система программирования, предоставляющая пользователю более широ­кий выбор библиотечных функций, получала лучшие позиции на рынке средств разработки программного обеспечения. Сами по себе библиотеки подпрограмм и функций, созданных для того или иного языка, также становились товаром на рын­ке средств разработки. Этот естественный процесс продолжается до сих нор, и чем длиннее история существования того или иного языка программирования, тем шире диапазон существующих для него библиотек.

Системы программирования для некоторых языков продолжают существовать во многом благодаря тому, что для них создан мощный аппарат библиотечных функ­ций. Так, язык FORTRAN существует благодаря широчайшему набору функций для работы с математическими и физическими процессами, а язык COBOL благодаря набору функций из финансовой сферы.

В ходе развития систем программирования принципы создания и использования библиотечных функций претерпели мало изменений. Принципиально новые воз­можности предоставили только современные ОС, которые позволили подключать к результирующим программам не статические, а динамические библиотеки.

Статические библиотеки подпрограмм

Статические библиотеки подпрограмм и функций представляют собой часть объ­ектного кода, которая встраивается (подключается) к резуль тирующей программе на этапе ее разработки.

Все статические библиотеки подключаются к результирующей программе один раз на этапе ее создания, после чего они являются ее неотъемлемой частью. Код стати­ческих библиотек входит в состав исполняемого файла программы точно так же, как и объектный код, созданный компилятором на основе исходного текста программы. При выполнении программы нет никакого различия между объектным кодом, по­строенным на основании исходного текста, созданного разработчиком, и объектным кодом библиотеки.

Объектный код статической библиотеки подключается компоновщиком к результи­рующей программе при создании исполняемого модуля. Поэтому но своей структуре статическая библиотека мало чем отличается от обычных объектных файлов, порож­даемых компилятором. Чаще всего система программирования хранит объектный код входящих в ее состав библиотек в некотором упакованном виде. При подключении библиотеки к исполняемому файлу компоновщик распаковывает ее код и встраивает его в общий объектный код результирующей программы в обычном порядке.

Будучи один pas созданной с использованием статических библиотек, результирую­щая программа в дальнейшем уже никак не зависит от изменений в этих библиоте­ках, а также от их наличия в вычислительной системе, где она будет выполняться.

Весь необходимый объектный код уже входит в состав такой программы. В этом оче­видное преимущество использования статических библиотек. В то же время статические библиотеки обладают двумя недостатками, один из кото­рых является весьма существенным.

Во-первых, при наличии ошибки в библиотеке она будет проявляться во всех программах, которые используют эту библиотеку , а после ее исправления все такие программы нужно будет построить (пересобрать) заново с использовани­ем обновленной библиотеки. Конечно, если учесть, что в современных системах программирования все новые библиотеки появляются только после тщательной всесторонней отладки, этим недостатком можно пренебречь.

Во-вторых, поскольку объектный код статических библиотек встраивается в ис­полняемый файл, это ведет к увеличению объема результирующей программы. В современных прикладных программах более 50 % объектного кода может со­ставлять код из файлов библиотек. При наличии многих программ, использую­щих код одной и той же библиотеки, это ведет к неэффективному использова­нию как места для хранения исполняемых файлов программ, так и оперативной памяти вычислительной системы во время их выполнения. В особенности это относится к системным библиотекам — библиотекам ОС, которые используются если не всеми, то очень многими программами.

Именно второй недостаток статических библиотек послужил толчком к созданию другого типа библиотек подпрограмм и функций динамически загружаемых (или просто динамических) библиотек.

Динамические библиотеки подпрограмм

Динамические (динамически загружаемые) библиотеки подключаются к результиру­ющей программе в момент ее выполнения. В этом основное отличие динамических библиотек от обычных статических библиотек.

Возможны два основных варианта загрузки динамических библиотек при выпол­нении результирующей программы. В первом варианте динамическая библиотека загружается в оперативную память компьютера сразу же, как только начинает вы­полняться программа, использующая данную библиотеку, вне зависимости от того, будет ли выполняться обращение к функциям библиотеки или нет. Во втором вари­анте библиотека загружается в оперативную память только тогда, когда происходит непосредственное обращение к одной из ее подпрограмм или функций. Соответ­ственно, существует два варианта освобождения памяти, занимаемой динамической библиотекой: она освобождается либо только по завершении выполнения всей про­граммы, либо по команде основной программы, сигнализирующей о том, что данная библиотека более использоваться не будет.

Второй вариант является более предпочтительным с точки зрения экономии объема занимаемой оперативной памяти. Но он сложнее в реализации и требует указаний разработчика программы, поскольку только разработчик может явно определить мо­менты выполнения программы, которые требуют загрузки в память той или иной библиотеки или, наоборот, освобождения памяти, когда библиотека более не будет использоваться. Первый вариант менее экономично расходует оперативную память, но проще в реализации, поскольку компоновщик сам может определить переченьвсех используемых в программе библиотек и обеспечить загрузку их в память и мо­мент начала выполнения программы. Современные системы программирования предусматривают, как правило, оба варианта работы с динамически загружаемыми библиотеками — решение о том, какой вариант будет использован, принимает раз­работчик программы. В принципе, одна программа может предполагать различные варианты работы с различными библиотеками выбор зависит от объема кода би­блиотеки и от частоты обращений к ней.

За загрузку динамических библиотек в оперативную память, освобождение памяти, занятой динамическими библиотеками, а также за связь кода и данных библиотек с кодом и данными исполняемой программы отвечает динамический загрузчик , ко­торый входит в состав ОС. Он же обеспечивает повторное использование кода ди­намических библиотек. Повторное использование кода заключается в том, что, если две различные программы обращаются к одной и той же динамической библиотеке, нет необходимости загружать ее объектный код в оперативную память дважды достаточно обеспечить доступ обеим программам к одной и той же копии объект­ного кода при условии разделения данных.

Формат файлов динамических библиотек может быть различным. Как правило, он строго определяется требованиями соответствующей ОС и близок к формату испол­няемых файлов. Как и статические библиотеки, динамические библиотеки преду­сматривают описание входящих в них функций в виде текста па соответствующем входном языке, чтобы дать информацию о них компилятору в ходе обработки ис­ходного текста программы и избавить разработчика от создания таких описаний. Но для динамических библиотек компилятор не включает в код программы обращения к функциям, как он это делает для статических библиотек. Вместо этого в код встав­ляются вызовы соответствующих функций ОС, обеспечивающих обращение к коду динамической библиотеки, если связь с библиотекой осуществляется но первому варианту работы. Если же связь с динамической библиотекой осуществляется но второму варианту, то разработчик сам должен организовать вызов соответствующих функций ОС в исходном коде.

Преимущества динамических библиотек очевидны — они не требуют включения в результирующую программу объектного кода часто используемых функций, чем существенно сокращают ее объем. Конечно, динамические библиотеки требуют на­личия в ОС специального механизма, позволяющего подключать часть объектного кода непосредственно но ходу выполнения программы. Однако для современных ОС, выполняющихся в вычислительных системах, которые поддерживают широкий набор методов адресации, это не является проблемой (14,15, 62].

Недостатки динамически загружаемых библиотек заключаются в том, что результи­рующие программы оказываются связаны с объектным кодом, непосредственно не входящим в их состав. Ъгда для выполнения такой программы обязательно требует­ся наличие всех используемых ею библиотек в составе вычислительной системы, где эта программа выполняется. Кроме того, логика работы резулвирующей программы становится зависимой от кода всех входящих в нее библиотек. Изменение библио­теки, которое может происходить независимо от разработчиков программы, может повлиять на функционирование самой программы. Т акое развитие событий порой оказывается неожиданным для пользователя.

мощыо специальных системных функций, предоставляемых ОС. Как правило, для удобства работы с ними эти функции входят в состав одной или нескольких динами­чески загружаемых библиотек, поставляемых ОС. Кроме того, в составе ОС обычно предусмотрен специальный набор наиболее часто используемых ресурсов интер­фейса, называемых системными. Пользователь не должен разрабатывать и включать в состав результирующей программы такой ресурс он может воспользоваться ре­сурсом, входящим в состав ОС. Примерами системных ресурсов являются: внешний вид текста системных сообщений (системный шрифт или фонт), основной фон окон и меню прикладных программ, внешний вид наиболее употребительных органов управления (кнопок, списков и т. п.).

В каком бы виде и формате ни хранились ресурсы в резуль тирующей программе, порядок их создания практически всегда один и тот же: сначала создается описание ресурсов пользовательского интерфейса на входном языке описания ресурсов, затем оно обрабатывается компилятором ресурсов , входящим в состав системы програм­мирования. После этого компоновщик подключает ресурсы к исполняемому файлу результирующей программы, или оформляет их в виде динамически загружаемой библиотеки, или оставляет в виде отдельного файла ресурсов.

Язык описания ресурсов — это, как правило, простой язык, построенный на осно­ве регулярной грамматики. 11о строить описания ресурсов в таком виде неэффек­тивно, так как любому разработчику внешний вид интерфейса программы удобнее формировать в виде графических образов. Это тем более важно, поскольку часто интерфейс создают не программисты, а дизайнеры. Поэтому современные системы программирования имеют в своем составе графические средства редактирования ресурсов пользовательского интерфейса. Эти средства позволяют создавать интер­фейс в виде графических образов, на основе которых потом строится его описание на языке описания ресурсов. В системах программирования, предлагающих средства быстрой разработки приложений (RAD), средства разработки графического интер­фейса позволяют также создать простейший шаблон исходного кода для работы с этим интерфейсом.

Преимущество использования ресурсов заключается в том, что пользовательский интерфейс результирующей программы можно проектировать, создавать и изме­нять независимо от логики работы самой программы. Эту работу можно поручить дизайнерам, в то время как исходный код создают программисты. Например, что­бы перевести программу на новый язык¹, часто бывает достаточно перевести на этот язык все текстовые сообщения и строковые элементы форм, и это гораздо удобнее выполнять, если они находятся отдельно, а не внутри исходного кода.