Тема 1. Прикладной программный интерфейс

План лекции

1. Современные инструментальные средства разработки системно-ориентированных приложений

2. Основы организации нативного прикладного программного интерфейса операционной системы (API)

3. WinAPI — программный интерфейс Windows

4. Системные вызовы Linux

5. Прерывания и их обработка

Введение в дисциплину

Что такое системное программирование?

Системное программирование — разработка программного обеспечения, непосредственно взаимодействующего с операционной системой и аппаратным обеспечением компьютера.

Зачем изучать системное программирование?

Структура курса

1. Современные инструментальные средства разработки

1.1. Инструменты разработки системного ПО

Компиляторы и среды разработки:

Системы сборки:

• CMake — кроссплатформенная система сборки
• Meson — быстрая современная система
• Ninja — быстрый бэкенд для сборки
• Make — классический инструмент

Отладчики и профилировщики:

1.1.1. Rust — язык системного программирования

Rust — современный язык системного программирования, разработанный Mozilla Research.

Ключевые особенности:

• Безопасность памяти без GC — система владения (ownership) и заимствования (borrowing)
• Zero-cost abstractions — абстракции не требуют накладных расходов во время выполнения
• Fearless concurrency — безопасная многопоточность на уровне компилятора
• Современная система сборки — Cargo (сборка, тестирование, зависимости)

Применение в системном программировании:

• Разработка компонентов ядра Linux (поддержка Rust добавлена в ядро 6.1)
• Embedded-системы и микроконтроллеры (no_std)
• Драйверы устройств
• Системные утилиты и CLI-инструменты

Пример функции на Rust:

fn read_file_contents(path: &str) -> Result<String, std::io::Error> {
    std::fs::read_to_string(path)
}

fn main() {
    match read_file_contents("/etc/hostname") {
        Ok(contents) => println!("{}", contents.trim()),
        Err(e) => eprintln!("Ошибка: {}", e),
    }
}

1.1.2. Отладка и профилирование

GDB (GNU Debugger)

Пример сессии отладки:

$ gcc -g -o program program.c
$ gdb ./program
(gdb) break main
(gdb) run arg1 arg2
(gdb) next
(gdb) print buffer
(gdb) backtrace
(gdb) continue

Valgrind

Valgrind — набор инструментов для динамического анализа программ.

Пример использования Memcheck:

$ gcc -g -o program program.c
$ valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all ./program

AddressSanitizer (ASan)

AddressSanitizer — встроенный в GCC/Clang инструмент обнаружения ошибок памяти.

Обнаруживаемые ошибки:

• Выход за границы буфера (buffer overflow)
• Использование освобождённой памяти (use-after-free)
• Двойное освобождение (double free)
• Утечки памяти (memory leak)
• Использование неинициализированной памяти (MSan)

Использование:

$ gcc -fsanitize=address -g -o program program.c
$ ./program

Преимущества перед Valgrind:

• Замедление программы в 2-3 раза (vs 10-50x у Valgrind)
• Встроен в компилятор — не требует отдельной установки
• Точный отчёт с указанием строки кода

strace и ltrace

strace — трассировка системных вызовов и сигналов.

$ strace ./program
$ strace -e open,read,write ./program
$ strace -p 1234

ltrace — трассировка вызовов библиотечных функций.

$ ltrace ./program
$ ltrace -e malloc,free ./program

Практическое применение:

• Диагностика ошибок ввода-вывода (какие файлы открывает программа)
• Анализ производительности (подсчёт системных вызовов)
• Изучение поведения незнакомых программ

WinDbg

WinDbg — отладчик для Windows, поддерживающий отладку как пользовательского, так и kernel-режима.

Ключевые возможности:

• Отладка kernel-mode драйверов и BSOD (Blue Screen of Death)
• Анализ дампов памяти (crash dumps)
• Расширения !analyze, !process, !thread
• Доступен через Microsoft Store и Windows SDK

1.2. Кроссплатформенные библиотеки

Библиотеки абстракции платформы:

Пример кроссплатформенного кода:

// Кроссплатформенное создание потока с std::thread (C++11)
#include <thread>
#include <iostream>

void worker(int id) {
    std::cout << "Thread " << id << " running" << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(worker, 1);
    std::thread t2(worker, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

Абстракция файловой системы (C++17):

#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;

// Кроссплатформенная работа с файлами
fs::path p = "/home/user/document.txt";
bool exists = fs::exists(p);
fs::file_size(p);
fs::create_directory(fs::path("/tmp/mydir"));

1.3. Специфика системного программирования

2. Основы организации API операционной системы

2.1. Что такое API?

API (Application Programming Interface) — набор готовых классов, функций, структур и констант, предоставляемых операционной системой для создания приложений.

Уровни программных интерфейсов:

2.2. Архитектура API

Компоненты прикладного интерфейса:

2.3. Стандарт POSIX

POSIX (Portable Operating System Interface) — семейство стандартов IEEE, определяющих интерфейс между операционной системой и прикладными программами.

3. WinAPI — программный интерфейс Windows

3.1. Основные характеристики WinAPI

WinAPI (Windows API) — основной программный интерфейс операционных систем семейства Windows.

Ключевые особенности:

• Реализован в виде DLL-библиотек (kernel32.dll, user32.dll, gdi32.dll)
• Использует соглашение вызовов stdcall
• Поддерживает Unicode (UTF-16) и ANSI кодировки
• Обширная документация от Microsoft

Основные DLL:

• kernel32.dll — управление памятью, процессами, потоками
• user32.dll — оконный интерфейс, ввод с клавиатуры и мыши
• gdi32.dll — графический вывод, рисование

3.2. Структура WinAPI-программы

Минимальная программа на WinAPI:

#include <windows.h>

int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance, 
                   HINSTANCE hPrevInstance,
                   LPSTR lpCmdLine, 
                   int nCmdShow)
{
    MessageBox(NULL, 
               "Hello, World!", 
               "My First WinAPI App",
               MB_OK);
    return 0;
}

Типы данных WinAPI:

• HANDLE — дескриптор объекта
• HWND — дескриптор окна
• HINSTANCE — дескриптор экземпляра приложения
• LPSTR/LPWSTR — указатели на строки

3.3. Системные вызовы в Windows

Механизм системных вызовов:

1. Приложение вызывает функцию из ntdll.dll
2. Происходит переход в режим ядра (sysenter/syscall)
3. Выполняется код ядра (ntoskrnl.exe)
4. Возврат в пользовательский режим

Пример системного вызова:

// Высокоуровневая функция
HANDLE CreateFile(...);

// Низкоуровневый системный вызов
NTSTATUS NtCreateFile(...);

4. Системные вызовы Linux

4.1. Интерфейс системных вызовов Linux

Системные вызовы Linux — механизм взаимодействия пользовательских программ с ядром.

Способы вызова:

• Через библиотеку libc (рекомендуется)
• Непосредственно через прерывание/инструкцию syscall
• Через библиотеку syscall()

Традиционный механизм (x86):

mov eax, 4          ; номер системного вызова (write)
mov ebx, 1          ; файловый дескриптор (stdout)
mov ecx, message    ; указатель на сообщение
mov edx, length     ; длина сообщения
int 0x80            ; прерывание ядра

4.2. Основные системные вызовы Linux

Категории системных вызовов:

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
char buffer[1024];
ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
close(fd);

4.3. Сравнение WinAPI и Linux API

Соответствие основных функций:

5. Прерывания и их обработка

5.1. Концепция прерываний

Прерывание — сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события, требующего немедленной реакции.

Типы прерываний:

• Аппаратные — от устройств (клавиатура, таймер, диск)
• Программные — инициированные программой (int 0x80, syscall)
• Исключения — ошибки выполнения (деление на ноль, page fault)

Вектор прерываний:

5.2. Обработка прерываний

Механизм обработки:

1. Возникновение прерывания
2. Сохранение контекста (регистры, флаги)
3. Определение обработчика по вектору
4. Выполнение кода обработчика
5. Восстановление контекста
6. Возврат к прерванному коду (iret)

Современные механизмы:

• MSR (Model Specific Registers) — быстрые системные вызовы
• sysenter/sysexit — Intel
• syscall/sysret — AMD/Intel x86-64

5.3. Практическое применение

Использование прерываний в системном программировании:

• Реализация многозадачности (таймер)
• Обработка ввода/вывода (асинхронность)
• Взаимодействие с драйверами устройств
• Реализация системных вызовов

Пример: обработка сигнала в Linux

#include <signal.h>

void handler(int sig) {
    printf("Получен сигнал %d\n", sig);
}

signal(SIGINT, handler);

Резюме

Ключевые моменты лекции:

1. API — интерфейс между приложением и ОС
2. WinAPI — мощный, но специфичный для Windows
3. POSIX/Linux API — стандартный, переносимый
4. Системные вызовы — основной механизм взаимодействия с ядром
5. Прерывания — фундаментальный механизм управления в ОС

Что изучать дальше:

• Процессы и потоки (Тема 2)
• Объекты ядра и синхронизация (Тема 3)
• Параллельная обработка (Тема 4)

Вопросы для самопроверки

1. Что такое API и какие уровни он включает?
2. Какие основные DLL составляют WinAPI?
3. Как происходит системный вызов в Linux?
4. Чем отличаются аппаратные и программные прерывания?
5. Какие механизмы быстрых системных вызовов используются в современных процессорах?

Практические задания

Самостоятельная работа (6 часов):

1. Настроить среду разработки для системного программирования
2. Изучить структуру WinAPI-приложения и POSIX-программы
3. Написать программу, использующую системные вызовы для работы с файлами
4. Исследовать различия в обработке ошибок в Windows и Linux

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Таненбаум, Э. Современные операционные системы. — 4-е изд. — СПб.: Питер, 2021.
2. Лав, Р. Linux. Системное программирование. — 2-е изд. — СПб.: Питер, 2024.
3. Kerrisk, M. The Linux Programming Interface. — No Starch Press, 2010.

Дополнительная:

4. Документация Microsoft Learn: https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/
5. Linux man pages: https://man7.org/linux/man-pages/
6. Arch Linux man pages: https://man.archlinux.org/
7. C++ Reference: https://en.cppreference.com/
8. POSIX Standard: https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/