M4: C Read-Eval-Print-Loop (crepl)

1. 背景

现代编程语言提供交互式语言运行环境 read-eval-print-loop (REPL): python, node, 就连 Java 都引入了 jshell。例如 Python Shell (以及更方便的 Jupyter Notebook) 可以快速帮助大家解决高等数学作业、高精度计算等烦恼：

你会预期 C 语言同样也可以实现 “交互式” 的 shell，支持即时定义函数，而且能计算 C 表达式的数值。如果你输入一行代码，比如strlen("Hello World")，这段代码会经历 gcc 编译、动态加载、调用执行，最终把代码执行得到的数值 11 打印到屏幕上。这就是本实验的内容。

2. 实验描述

crepl - 逐行从 stdin 中输入单行 C 语言代码，并根据输入内容分别处理：

• 如果输入一个 C 函数的定义，则把函数编译并加载到进程的地址空间中；
• 如果输入是一个 C 语言表达式，则把它的值输出。

总览

crepl

描述

解释执行每一行标准输入中的 C “单行” 代码 (假设我们只使用 int 类型，即所有输入的表达式都是整数；定义函数的返回值也永远是整数)，分如下两种情况：

(1) 函数

为了简化实验与操作系统无关的细节，如果输入的字符串 (一行) 以 int 开头，我们就认为它是一个函数。

int fib(int n) { return (n <= 1) ? 1 : fib(n - 1) + fib(n - 2); }

函数接收若干 int 类型的参数，返回一个 int 数值。如果一行是一个函数，我们希望它将会经过 gcc 编译，并被加载到当前进程的地址空间中。函数可以引用之前定义过的函数。

(2) 表达式

如果一行不是以 int 开头，我们就认为这一行是一个 C 语言的表达式，其类型为 int，例如

1 + 2 || (fib(3) * fib(4))

以下是我们的参考实现：

我们的参考实现调用了 pygments 实现了语法高亮，展示了一种可能性，但你完全没有做这件事情的必要，我们也不鼓励这么做。我们对大家只有最简的实验要求：你只要你为每一个函数或表达式输出一行 (包含结果) 即可，例如你可以把你的 crepl 实现成这样：

$ ./crepl-64
int gcd(int a, int b) { return b ? gcd(b, a % b) : a; }
OK.
gcd(256, 144) * gcd(56, 84)
= 448.

这个实验表明，编译和解释并没有明确的边界——在 OpenJDK 的实现中，即便是 “解释器” 也是编译的 (只是没有经过优化)。动态 (just-in-time) 技术在程序运行时 (而非程序执行前) 进行编译，并将编译得到的二进制代码 (指令/数据) 动态加载。其中最成功的案例之一是 Sun (现在是 Oracle) 的 Java 虚拟机 HotSpot (现在是OpenJDK的一部分)，它使 Java 彻底摆脱了 “性能低下” 的诟病，也是引领 Web 热潮的核心后端技术。另一个最成功的案例是 JavaScript 的 V8 引擎。借助 Webkit/v8，Chrome 成功地把微软公司的 Internet Explorer 拖下神坛，并且奠定了 Google 在互联网技术领域的霸主地位。

3. 正确性标准

你只要能正确解析单行的函数 (以 int 开头)，并且默认其他输入都是表达式即可。我们可能会输入不合法的 C 代码 (例如不合法的表达式)；你的程序应该给出错误提示而不应该 crash。你可以做出比较友好的假设——不像之前的实验，会为了 “强迫” 你掌握某些知识而使你疯狂 Wrong Answer。这个实验纯属放松，Online Judge 没有刁难你的测试用例，都和 demo 中的差不多。

• 注意我们允许函数和表达式调用之前 (在 crepl 中) 定义过的函数；
• 你可以假设我们输入的命令/表达式数量不超过 100 个；
• 注意你处在的运行目录可能没有写入的权限。建议你将创建的临时文件都放在 /tmp/ 目录下。建议使用 mkstemp family API 创建临时文件；
• 主进程确实求出了所有表达式的值。
• 禁止使用 C 标准库 system 和 popen。这稍稍增加了实验的难度，不过并没有增加多少。请把这个限制理解成强迫大家掌握操作系统知识的训练。

4. 实验指南

4.1 解析读入的命令

框架代码里已经包含了读入命令的循环 (看起来像是一个小 shell)，它打印出一个提示符，然后接受输入并解析：

while (1) {
    printf("crepl> ");
    fflush(stdout);

    if (!fgets(line, sizeof(line), stdin)) {
        break;
    }

    // To be implemented.
    printf("Got %zu chars.\n", strlen(line));
}

当你在终端里按下 Ctrl-d，会结束 stdin 输入流，fgets 会得到 NULL。

这段代码里一个有趣的小细节是对 fflush 的调用：你会发现把它去掉对程序的运行并没有什么影响。但如果你在 fgets 之前插入一些延迟，例如 sleep(1)，你会发现 fgets 会 flush stdout 的缓冲区。但 C 标准并没有规定这个行为，glibc 只是因为大家用错得太多，为大家贴心地兜了——其实 System 领域这种 “事实行为” 并不少见，大家错得多了，我们的库函数、编译器等不得不做出防御性的行为容忍大家犯错。一个例子是某一时期本的 gcc 会非常激进地对能证明的 undefined behavior 进行优化，但却导致不少以前 “正确” 工作的代码的崩溃，到新版本里反而不再做这些激进的优化了。

回到实验，在上面的代码里，如果读入的字符串以 int 开头，你就可以假设是一个函数；否则就可以假设是一个表达式。

4.2 把函数编译成共享库

这个实验最核心的技术处理，就是在程序的外部，通过另一个进程完成一小段代码到二进制代码的编译。对于一个一行的函数，比如：

int gcd(int a, int b) { return b ? gcd(b, a % b) : a; }

编译器可以将它翻译成如下指令序列：

   0:    endbr64 
   4:    mov    %edi,%eax
   6:    test   %esi,%esi
   8:    je     13
   a:    cltd   
   b:    idiv   %esi
   d:    mov    %esi,%eax
   f:    mov    %edx,%esi
  11:    jmp    6
  13:    ret    

我只要试图将这些代码封装在一个动态连接库 (共享库, shared object) 中，这个库就 (gdb 的汇编代码) 就可以被其他程序在运行时加载了。没错，你只需要 M2 (libco) 中的编译选项即可。

除了编译和命名的问题，大家可能会感到困惑是，如果我的函数调用了其他函数怎么办？

int foo() { return bar() + baz(); }

你不妨试着编译这个程序……它竟然可以被编译！所以忽略所有的 warnings 就好了！最后，为了巩固大家在上一个实验中学过的知识，我们限制你不能使用 libc 中的 system 和 popen——它们会让实验变得有些过于简单。

4.3 把表达式编译成共享库

把函数编译成共享库是常规操作——库函数。但表达式怎么办？又用到我们这门课里反复用的小技巧了：我们可以做一个 wrapper 呀！每当我们收到一个表达式，例如 gcd(256, 144) 的时候，我们都可以 “人工生成” 一段 C 代码

int __expr_wrapper_4() {
    return gcd(256, 144);
}

注意到函数名里的数字——我们通过加上数字为表达式生成不一样的名字。我们的表达式变成一个函数，我们就可以把它编译成共享库了。把动态库加载到地址空间并得到 __expr_wrapper_4 的地址，直接进行函数调用就能得到表达式的值了。这是一个小小的 hack——但实际上真正的 REPL 也会用类似的方式处理动态生成的代码：给它一个临时的 “名字”。

4.4 共享库的加载

GPT-4-turbo 回复 (无删节)：在 C 语言中，你可以使用动态链接库 (Dynamic Linking Library) 的功能来加载 .so 文件并调用其中的函数。.so 文件是在类 Unix 系统 (如 Linux) 中使用的共享库 (Shared Library) 格式。下面是如何在C语言中加载 .so 文件并调用其中的 foo 函数的步骤：

1. 包含必要的头文件：你需要包含 <dlfcn.h> 头文件，它提供了动态加载库所需的 dlopen、dlsym 和 dlclose 函数。
2. 打开共享库：使用 dlopen() 函数加载 .so 文件。你需要提供库的路径和加载模式（通常是 RTLD_LAZY 或 RTLD_NOW）。
3. 获取函数指针：使用 dlsym() 函数获取共享库中函数的地址。你需要提供 dlopen 返回的句柄和函数名。
4. 调用函数：通过函数指针调用函数。
5. 关闭共享库：使用 dlclose() 关闭加载的库。

下面是一个示例代码，展示如何实现上述步骤：

#include <stdio.h>
#include <dlfcn.h>

int main() {
    void *handle;
    void (*foo)(void);  // 假设foo是一个无参数且返回void的函数
    char *error;

    // 打开共享库
    handle = dlopen("libfoo.so", RTLD_LAZY);
    if (!handle) {
        fprintf(stderr, "%s\n", dlerror());
        return 1;
    }

    // 清除现有的错误
    dlerror();

    // 获取foo函数的地址
    *(void **) (&foo) = dlsym(handle, "foo");
    if ((error = dlerror()) != NULL)  {
        fprintf(stderr, "%s\n", error);
        dlclose(handle);
        return 1;
    }

    // 调用函数
    foo();

    // 关闭共享库
    dlclose(handle);
    return 0;
}

注意：

• 确保在调用 dlopen() 时提供正确的库路径。如果库不在标准路径中，你需要提供完整路径。
• 使用 dlsym() 时，你需要正确地处理类型转换，确保函数指针的类型与实际函数的类型匹配。
• 在生产环境中，应该检查每个动态链接函数的返回值以确保操作成功。