1. Введение

В настоящее время одним из перспективных и экономически оправданных подходов к развитию информационной индустрии является создание информационных технологий (ИТ) и реализующих их систем (ИТ-систем) на принципах открытости. Основными свойствам открытых систем являются переносимость (программ, данных, пользовательских окружений), интероперабельность (сетевая взаимосвязь и совместное использование ресурсов и данных компонентами распределенных систем), масштабируемость (эффективность функционирования в широких диапазонах характеристик производительности и ресурсов). Достижимость этих качеств возможна лишь на основе высокого уровня стандартизованности интерфейсов ИТ-систем и поддерживающих их платформ.
В настоящее время в обеспечение этого подхода создан мощный методический базис, включающий в качестве концептуальной основы (метауровень) эталонные модели важнейших разделов области ИТ (в первую очередь модели: OSI - для сетевого взаимодействия, ODP - для открытой распределенной обработки, POSIX - для окружений открытых систем, DM - для управления данными, CG - для компьютерной графики), а также обширный набор стандартов или базовых спецификаций, регламентирующих процесс создания ИТ-систем или их компонент на принципах открытости. Также в последние годы создан эффективный и гибкий инструмент комплексирования ИТ - (функциональное) профилирование ИТ, значительно продвинуто решение проблемы аттестации реализаций ИТ (ИТ-систем) на соответствие исходным спецификациям. Огромное значение для технологии создания открытых ИТ-систем приобрела разработка единой таксономии ИТ.
При всем кажущемся благополучии в области построения открытых ИТ-систем узким местом остается, казалось бы давно решенная проблема, - стандартизация языков программирования и их библиотечных окружений, составляющих основную часть прикладного интерфейса (в терминологии международных стандартов - интерфейса на границе прикладной платформы и прикладной программы или API).
В эру объектно-ориентированных технологий основным инструментальным языком построения открытых ИТ-систем становится язык Си++. С целью обеспечения высокого уровня переносимости программ, поддержки объектно-ориентированной технологии проектирования ИТ-систем, бесшовной интеграции языков программирования с языками баз данных следующего поколения, в настоящее время в рамках ИСО (подкомитет 22) осуществляется интенсивная работа по развитию и стандартизации базового языка объектно-ориентированного программирования Си++, а также набора объектно-ориентированных шаблонных библиотек. Данную работу планируется завершить в 1998 г. (срок окончания работ неоднократно переносился). В настоящее время опорными точками процесса формирования стандарта данного языка являются соответствующие проекты стандарта, издаваемые указанным выше комитетом с периодичностью две-три версии в год.
Следует отметить, что создание ведущими фирмами-разработчиками компиляторов, соответствующих текущим проектам стандарта, значительно отстает от темпов развития языка и его библиотечного окружения. Аттестация компиляторов ведущих фирм-поставщиков (таких как Borland, Symantec, Microsoft) показывает наличие в них большого количества ошибок и отклонений от стандарта. По существу, каждая из фирм, реализуя собственные диалекты языка, включает нестандартные конструкции и возможности, не поддерживаемые другими фирмами- разработчиками компиляторов.
Помимо некачественности зарубежных компиляторов, несоответствия их стандартным спецификациям, в последнее время наблюдается тенденция значительного повышения цен на компиляторы, особенно заметное для пользователей, работающих на более мощных, чем обычные персональные компьютеры, системах - рабочих станциях. Помимо материальных потерь, которые несет Россия ежегодно на массовых покупках этого вида продукта, большая опасность монополизации данного рынка малым числом зарубежных фирм представляется, в частности, для организаций, ответственных за решение задач, имеющих стратегическое значение. Зависимость от зарубежных поставщиков, невозможность переноса их компиляторов на оригинальные отечественные образцы вычислительной техники, делает неконкурентными отечественные разработки, отрицательно сказывается на уровне технологий, в частности, кросс-технологий, применяемых при создании многих технических систем. Таким образом, отсутствие качественных отечественных компиляторов, соответствующих стандартному определению языка Си++, оснащенных стандартным набором шаблонных библиотек, и предусматривающих переносимость их и/или адаптацию на широкий спектр машинных архитектур в значительной степени сдерживает развитие отечественной вычислительной техники и прикладных технологий, делает их неконкурентноспособными на международном рынке.
В то же время отечественная школа разработчиков компиляторов богата своими традициями. Сильными школами специалистов в этой области славились: ИПМ, ИТМиВТ, ВЦАН, НФ ИТМиВТ, ЛГУ, РГУ, МГУ и др. Поэтому возрождение этих традиций, создание высококачественных отечественных компиляторов, представляется важной стратегической задачей в области ИТ.
Представляемый проект нацелен на разработку перспективной методологии систем программирования тройного стандарта, оригинальных методов и алгоритмов построения переносимой и адаптируемой к машинным архитектурам системы программирования тройного стандарта (ТСС++) для объектно-ориентированного языка Си++, реализующей стандарт языка Си++, полный набор стандартных шаблонных библиотек, технологический аттестационный комплекс для проверки на соответствие стандарту компилятора системы и его версий. Таким образом, система ТСС++ обеспечит высокий уровень переносимости (на уровне исходного текста) создаваемого программного обеспечения открытых систем.
Основные задачи проекта можно сформулировать следующим образом:

• Разработать концепцию создания и сопровождения систем программирования тройного стандарта, обеспечивающих реализацию стандарта входного языка и стандарта его библиотечного окружения, а также содержащих аппарат аттестации систем программирования на соответствие их языковому стандарту. Данный аппарат обеспечивает устойчивость систем тройного стандарта в условиях развития стандарта языка.
• Исследовать и разработать высокоэффективные алгоритмы и структуры данных для реализации на их основе переносимого компилятора объектно- ориентированного языка Си++ (с адаптируемой кодогенерацией), соответствующего полному стандарту языка. Создать базовый компилятор объектно-ориентированного языка Си++, соответствующего стандарту языка, удовлетворяющий требованию параметризации кодогенерации для настройки его на широкий спектр машинных архитектур, а также требованию переносимости компилятора (на уровне исходного текста) на различные платформы;
• Исследовать и разработать высокоэффективные алгоритмы и структуры данных для реализации на их основе объектно-ориентированных шаблонных библиотек, входящих в стандартное описание языка Си++. Создать полный набор объектно-ориентированных шаблонных библиотек, входящих в стандартное описание языка Си++.
• Исследовать и разработать методы, высокоэффективные алгоритмы и структуры данных, вспомогательные инструментальные средства для реализации на их основе пакета программ для аттестации компиляторов языка Си++ на их соответствие стандарту. Создать пакет программ для аттестации компиляторов языка Си++ на их соответствие стандарту.

2. Компилятор Си++

Важнейшей задачей при разработке компилятора с языка программирования Си++, предпринятой в рамках проекта системы программирования тройного стандарта, являлось обеспечение максимально полного соответствия его входного языка стандартному определению Си++.
Понятно, что эта задача является весьма и весьма тяжелой. Невозможно обеспечить полную синхронизацию процесса разработки с независимо идущим процессом стандартизации, который протекает весьма интенсивно (новые версии проекта стандарта появляются примерно один раз в квартал) и сопровождается постоянными модификациями как синтаксиса, так и семантики языка.
К сожалению, появление очередной версии стандарта не сопровождается указателем изменений по отношению к предыдущей версии, поэтому контроль соответствия компилятора последней версии превращается в отдельную весьма трудоемкую задачу, которая в весьма незначительной степени может быть автоматизирована (например, путем использования процессоров сравнения текстов).
В качестве примера радикального изменения языка можно привести главу 14 проекта стандарта (Шаблоны). Первые версии определяли сравнительно простые средства параметризации периода компиляции (правда, описание содержало большое количество неясных мест), которые допускали простую модель реализации, основанную на "отложенной компиляции". Однако, в 1995 году указанная глава подверглась кардинальной ревизии (ее объем увеличился в несколько раз) с существенным расширением возможностей и усложнением синтаксиса и семантики. В основном это было обусловлено стремлением поддержать возможности, заложенные в Стандартной Библиотеке Шаблонов (Standard Template Library) Александра Степанова [2], которая в качестве составной части вошла в проект стандарта. "Новые шаблоны" не допускали отложенную компиляцию, явно требуя полного синтаксического и семантического контроля непосредственно в месте описания шаблонов. Это привело не только к перепроектированию соответствующих компонент компилятора, но затронуло очень многие, формально не связанные с шаблонами, его модули. Можно сказать, что многие алгоритмы трансляции пришлось параметризовать, научив их "понимать" те или иные случаи вхождения шаблонных конструкций. Подчеркнем, что это относится к давно разработанным и протестированным фрагментам компилятора.
Компилятор в целом можно рассматривать как композицию следующих процессоров, каждый из которых реализован в виде независимой программы:

• Препроцессор Си++;
• Компилятор переднего плана Си++ (front-end compiler);
• Генератор объектного кода.

3. Стандартная библиотека Си++: принципы построения

Стандартная Библиотека языка Си++ (The Standard C++ Library) представляет собой весьма значительную (как по объему, так и по "идеологической" насыщенности) часть готовящегося стандарта языка Си++. Описание Библиотеки (главы 17-27) в совокупности составляет более половины общего объема Предварительного Стандарта [1]. Помимо внушительного размера, предлагаемый стандартный комплекс библиотечных ресурсов языка Си++ воплощает большое количество важных принципов и подходов, отражающих современное состояние программистской теории и практики.
Как и язык в целом, Библиотека находится в состоянии разработки, причем интенсивность ее модификаций от версии к версии в целом выше, нежели интенсивность модификаций описания собственно языка. Тем не менее, базовый состав Библиотеки и многие ее существенные особенности можно считать уже устоявшимися. Это позволяет кратко рассмотреть ее основные черты.
Прежде всего необходимо отметить несколько существенных черт, свойственных проекту Стандартной Библиотеки. Важным (и в то же время очевидным) моментом представляется адекватная поддержка воплощенной в языке парадигмы объектно-ориентированного программирования. Практически все библиотечные ресурсы спроектированы в виде иерархий классов; используется понятие абстрактных классов и механизм виртуальных функций.
Другая особенность - активное использование шаблонов (templates) для повышения уровня абстракции базовых алгоритмов. Следует специально отметить, что в последних версиях проекта Си++ средства типовой (с ударением на "и") параметризации времени компиляции, обеспечиваемые в языке понятием шаблона, весьма существенно усилились новыми возможностями, и произошло это прежде всего под влиянием требований, возникавших в процессе проектирования Стандартной Библиотеки.
Между прочим, техника применения шаблонов в библиотечных модулях может служить прекрасным пособием для изучения этого средства языка по причине тщательной продуманности структуры и иерархии библиотечных шаблонов. Это тем более существенно, что сам по себе данный языковой механизм спроектирован в Си++ явно не лучшим образом и теоретически может приводить к невообразимо запутанным конструкциям.
Наконец, третья важная черта Библиотеки - использование механизма исключительных ситуаций (exceptions). Практически все возможные "нештатные" эффекты в процессе выполнения библиотечных функций специфицированы в виде исключительных ситуаций; в библиотеке предусмотрена иерархия стандартных классов, предназначенных именно передачи значений при возбуждении исключительных ситуаций.
Однако наиболее существенной идеологической концепцией, на основе которой строится Стандартная Библиотека, является технология "generic programming" (обобщенного программирования), впервые примененная для Си++ А.Степановым при разработке его Standard Template Library [2, 4] (и вошедшей в качестве составной части в Стандартную Библиотеку). Как результат, важнейшей особенностью Стандартной Библиотеки Си++ становится тенденция к максимальному обобщению структур и алгоритмов при одновременном сохранении их эффективности. Практически явное выделение понятийного ядра библиотеки позволило упростить общую схему ее построения. Кроме того, произошел отказ от попыток создания замкнутой системы классов и функций, предоставляющей пользователю фиксированный сервис. Наоборот, основное внимание в библиотеке уделяется универсальным шаблонным средствам порождения требуемого пользователю контекстно-ориентированного кода. С точки зрения классического понимания слова "библиотека" С++ Standard Library скорее является средством быстрой разработки контекстно-ориентированных библиотек, предоставляя программисту совокупность понятий, в терминах которых он может проектировать собственные системы, и набор типовых решений с использованием этих понятий.
Таким образом, общую структуру Стандартной Библиотеки Си++ можно представить как объединение нескольких крупных компонент, каждая из которых предоставляет набор примитивов и типовых решений, позволяющих достаточно легко построить набор конкретных классов и функций для некоторой прикладной области.
Практически каждая компонента Библиотеки существенно использует возможности, предоставляемые другими компонентами, за счет чего достигается максимальная гибкость, общность и эффективность. В качестве примера можно привести следующую схему, отражающую взаимодействие компонент библиотеки, используемых при реализации ввода/вывода. Здесь связь вида Компонента1-->Компонента2 отражает тот факт, что для построения второй компоненты привлекаются понятия из первой компоненты.

     #include 

     #include 

     class IntGreater {

           public:

                  bool  operator()( int x, int y) const { return x>y; }

     };

     int main()

     {

         int x[1024];

         ............                        // Инициализация

         sort(&x[0],&x[1024]);               // Обычное упорядочивание

         sort(&x[0],&x[1024],IntGreater);    // Упорядочивание по убыванию

     }

• Расширяемый набор классов и определений, необходимых для поддержки понятий самого языка Си++ (Language Support Library).
• Классы поддержки диагностики пользовательских приложений (Diagnostics Library);
• Утилиты общего назначения (General Utilities);
• Контейнеры (Containers) и итераторы (Iterators);
• Обобщенные алгоритмы (Algorithms);
• Средства локализации программ (Locales);
• Классы и функции для математических вычислений (Numeric Library);
• Средства работы со строками (Strings Library);
• Ввод/вывод (Input/Output Library).

4. Тестовый пакет