This is a live mirror of the Perl 5 development currently hosted at https://github.com/perl/perl5
28e585d4be9390bdad0119b9319109fc4f80083c
[perl5.git] / pod / perlpacktut.pod
1 =head1 NAME
2
3 perlpacktut - tutorial on C<pack> and C<unpack>
4
5 =head1 DESCRIPTION
6
7 C<pack> and C<unpack> are two functions for transforming data according
8 to a user-defined template, between the guarded way Perl stores values
9 and some well-defined representation as might be required in the 
10 environment of a Perl program. Unfortunately, they're also two of 
11 the most misunderstood and most often overlooked functions that Perl
12 provides. This tutorial will demystify them for you.
13
14
15 =head1 The Basic Principle
16
17 Most programming languages don't shelter the memory where variables are
18 stored. In C, for instance, you can take the address of some variable,
19 and the C<sizeof> operator tells you how many bytes are allocated to
20 the variable. Using the address and the size, you may access the storage
21 to your heart's content.
22
23 In Perl, you just can't access memory at random, but the structural and
24 representational conversion provided by C<pack> and C<unpack> is an
25 excellent alternative. The C<pack> function converts values to a byte
26 sequence containing representations according to a given specification,
27 the so-called "template" argument. C<unpack> is the reverse process,
28 deriving some values from the contents of a string of bytes. (Be cautioned,
29 however, that not all that has been packed together can be neatly unpacked - 
30 a very common experience as seasoned travellers are likely to confirm.)
31
32 Why, you may ask, would you need a chunk of memory containing some values
33 in binary representation? One good reason is input and output accessing
34 some file, a device, or a network connection, whereby this binary
35 representation is either forced on you or will give you some benefit
36 in processing. Another cause is passing data to some system call that
37 is not available as a Perl function: C<syscall> requires you to provide
38 parameters stored in the way it happens in a C program. Even text processing 
39 (as shown in the next section) may be simplified with judicious usage 
40 of these two functions.
41
42 To see how (un)packing works, we'll start with a simple template
43 code where the conversion is in low gear: between the contents of a byte
44 sequence and a string of hexadecimal digits. Let's use C<unpack>, since
45 this is likely to remind you of a dump program, or some desperate last
46 message unfortunate programs are wont to throw at you before they expire
47 into the wild blue yonder. Assuming that the variable C<$mem> holds a 
48 sequence of bytes that we'd like to inspect without assuming anything 
49 about its meaning, we can write
50
51    my( $hex ) = unpack( 'H*', $mem );
52    print "$hex\n";
53
54 whereupon we might see something like this, with each pair of hex digits
55 corresponding to a byte:
56
57    41204d414e204120504c414e20412043414e414c2050414e414d41
58
59 What was in this chunk of memory? Numbers, characters, or a mixture of
60 both? Assuming that we're on a computer where ASCII (or some similar)
61 encoding is used: hexadecimal values in the range C<0x40> - C<0x5A>
62 indicate an uppercase letter, and <0x20> encodes a space. So we might
63 assume it is a piece of text, which some are able to read like a tabloid;
64 but others will have to get hold of an ASCII table and relive that
65 firstgrader feeling. Not caring too much about which way to read this,
66 we note that C<unpack> with the template code C<H> converts the contents
67 of a sequence of bytes into the customary hexadecimal notation. Since
68 "a sequence of" is a pretty vague indication of quantity, C<H> has been
69 defined to convert just a single hexadecimal digit unless it is followed
70 by a repeat count. An asterisk for the repeat count means to use whatever
71 remains.
72
73 The inverse operation - packing byte contents from a string of hexadecimal
74 digits - is just as easily written. For instance:
75
76    my $s = pack( 'H2' x 10, map { "3$_" } ( 0..9 ) );
77    print "$s\n";
78
79 Since we feed a list of ten 2-digit hexadecimal strings to C<pack>, the
80 pack template should contain ten pack codes. If this is run on a computer
81 with ASCII character coding, it will print C<0123456789>.
82
83
84 =head1 Packing Text
85
86 Let's suppose you've got to read in a data file like this:
87
88     Date      |Description                | Income|Expenditure
89     01/24/2001 Ahmed's Camel Emporium                  1147.99
90     01/28/2001 Flea spray                                24.99
91     01/29/2001 Camel rides to tourists      235.00
92
93 How do we do it? You might think first to use C<split>; however, since
94 C<split> collapses blank fields, you'll never know whether a record was
95 income or expenditure. Oops. Well, you could always use C<substr>:
96
97     while (<>) { 
98         my $date   = substr($_,  0, 11);
99         my $desc   = substr($_, 12, 27);
100         my $income = substr($_, 40,  7);
101         my $expend = substr($_, 52,  7);
102         ...
103     }
104
105 It's not really a barrel of laughs, is it? In fact, it's worse than it
106 may seem; the eagle-eyed may notice that the first field should only be
107 10 characters wide, and the error has propagated right through the other
108 numbers - which we've had to count by hand. So it's error-prone as well
109 as horribly unfriendly.
110
111 Or maybe we could use regular expressions:
112     
113     while (<>) { 
114         my($date, $desc, $income, $expend) = 
115             m|(\d\d/\d\d/\d{4}) (.{27}) (.{7})(.*)|;
116         ...
117     }
118
119 Urgh. Well, it's a bit better, but - well, would you want to maintain
120 that?
121
122 Hey, isn't Perl supposed to make this sort of thing easy? Well, it does,
123 if you use the right tools. C<pack> and C<unpack> are designed to help
124 you out when dealing with fixed-width data like the above. Let's have a
125 look at a solution with C<unpack>:
126
127     while (<>) { 
128         my($date, $desc, $income, $expend) = unpack("A10xA27xA7A*", $_);
129         ...
130     }
131
132 That looks a bit nicer; but we've got to take apart that weird template.
133 Where did I pull that out of? 
134
135 OK, let's have a look at some of our data again; in fact, we'll include
136 the headers, and a handy ruler so we can keep track of where we are.
137
138              1         2         3         4         5        
139     1234567890123456789012345678901234567890123456789012345678
140     Date      |Description                | Income|Expenditure
141     01/28/2001 Flea spray                                24.99
142     01/29/2001 Camel rides to tourists      235.00
143
144 From this, we can see that the date column stretches from column 1 to
145 column 10 - ten characters wide. The C<pack>-ese for "character" is
146 C<A>, and ten of them are C<A10>. So if we just wanted to extract the
147 dates, we could say this:
148
149     my($date) = unpack("A10", $_);
150
151 OK, what's next? Between the date and the description is a blank column;
152 we want to skip over that. The C<x> template means "skip forward", so we
153 want one of those. Next, we have another batch of characters, from 12 to
154 38. That's 27 more characters, hence C<A27>. (Don't make the fencepost
155 error - there are 27 characters between 12 and 38, not 26. Count 'em!)
156
157 Now we skip another character and pick up the next 7 characters:
158
159     my($date,$description,$income) = unpack("A10xA27xA7", $_);
160
161 Now comes the clever bit. Lines in our ledger which are just income and
162 not expenditure might end at column 46. Hence, we don't want to tell our
163 C<unpack> pattern that we B<need> to find another 12 characters; we'll
164 just say "if there's anything left, take it". As you might guess from
165 regular expressions, that's what the C<*> means: "use everything
166 remaining".
167
168 =over 3
169
170 =item *
171
172 Be warned, though, that unlike regular expressions, if the C<unpack>
173 template doesn't match the incoming data, Perl will scream and die.
174
175 =back
176
177
178 Hence, putting it all together:
179
180     my($date,$description,$income,$expend) = unpack("A10xA27xA7A*", $_);
181
182 Now, that's our data parsed. I suppose what we might want to do now is
183 total up our income and expenditure, and add another line to the end of
184 our ledger - in the same format - saying how much we've brought in and
185 how much we've spent:
186
187     while (<>) {
188         my($date, $desc, $income, $expend) = unpack("A10xA27xA7xA*", $_);
189         $tot_income += $income;
190         $tot_expend += $expend;
191     }
192
193     $tot_income = sprintf("%.2f", $tot_income); # Get them into 
194     $tot_expend = sprintf("%.2f", $tot_expend); # "financial" format
195
196     $date = POSIX::strftime("%m/%d/%Y", localtime); 
197
198     # OK, let's go:
199
200     print pack("A10xA27xA7xA*", $date, "Totals", $tot_income, $tot_expend);
201
202 Oh, hmm. That didn't quite work. Let's see what happened:
203
204     01/24/2001 Ahmed's Camel Emporium                   1147.99
205     01/28/2001 Flea spray                                 24.99
206     01/29/2001 Camel rides to tourists     1235.00
207     03/23/2001Totals                     1235.001172.98
208
209 OK, it's a start, but what happened to the spaces? We put C<x>, didn't
210 we? Shouldn't it skip forward? Let's look at what L<perlfunc/pack> says:
211
212     x   A null byte.
213
214 Urgh. No wonder. There's a big difference between "a null byte",
215 character zero, and "a space", character 32. Perl's put something
216 between the date and the description - but unfortunately, we can't see
217 it! 
218
219 What we actually need to do is expand the width of the fields. The C<A>
220 format pads any non-existent characters with spaces, so we can use the
221 additional spaces to line up our fields, like this:
222
223     print pack("A11 A28 A8 A*", $date, "Totals", $tot_income, $tot_expend);
224
225 (Note that you can put spaces in the template to make it more readable,
226 but they don't translate to spaces in the output.) Here's what we got
227 this time:
228
229     01/24/2001 Ahmed's Camel Emporium                   1147.99
230     01/28/2001 Flea spray                                 24.99
231     01/29/2001 Camel rides to tourists     1235.00
232     03/23/2001 Totals                      1235.00 1172.98
233
234 That's a bit better, but we still have that last column which needs to
235 be moved further over. There's an easy way to fix this up:
236 unfortunately, we can't get C<pack> to right-justify our fields, but we
237 can get C<sprintf> to do it:
238
239     $tot_income = sprintf("%.2f", $tot_income); 
240     $tot_expend = sprintf("%12.2f", $tot_expend);
241     $date = POSIX::strftime("%m/%d/%Y", localtime); 
242     print pack("A11 A28 A8 A*", $date, "Totals", $tot_income, $tot_expend);
243
244 This time we get the right answer:
245
246     01/28/2001 Flea spray                                 24.99
247     01/29/2001 Camel rides to tourists     1235.00
248     03/23/2001 Totals                      1235.00      1172.98
249
250 So that's how we consume and produce fixed-width data. Let's recap what
251 we've seen of C<pack> and C<unpack> so far:
252
253 =over 3
254
255 =item *
256
257 Use C<pack> to go from several pieces of data to one fixed-width
258 version; use C<unpack> to turn a fixed-width-format string into several
259 pieces of data. 
260
261 =item *
262
263 The pack format C<A> means "any character"; if you're C<pack>ing and
264 you've run out of things to pack, C<pack> will fill the rest up with
265 spaces.
266
267 =item *
268
269 C<x> means "skip a byte" when C<unpack>ing; when C<pack>ing, it means
270 "introduce a null byte" - that's probably not what you mean if you're
271 dealing with plain text.
272
273 =item *
274
275 You can follow the formats with numbers to say how many characters
276 should be affected by that format: C<A12> means "take 12 characters";
277 C<x6> means "skip 6 bytes" or "character 0, 6 times".
278
279 =item *
280
281 Instead of a number, you can use C<*> to mean "consume everything else
282 left". 
283
284 B<Warning>: when packing multiple pieces of data, C<*> only means
285 "consume all of the current piece of data". That's to say
286
287     pack("A*A*", $one, $two)
288
289 packs all of C<$one> into the first C<A*> and then all of C<$two> into
290 the second. This is a general principle: each format character
291 corresponds to one piece of data to be C<pack>ed.
292
293 =back
294
295
296
297 =head1 Packing Numbers
298
299 So much for textual data. Let's get onto the meaty stuff that C<pack>
300 and C<unpack> are best at: handling binary formats for numbers. There is,
301 of course, not just one binary format  - life would be too simple - but
302 Perl will do all the finicky labor for you.
303
304
305 =head2 Integers
306
307 Packing and unpacking numbers implies conversion to and from some
308 I<specific> binary representation. Leaving floating point numbers
309 aside for the moment, the salient properties of any such representation
310 are:
311
312 =over 4
313
314 =item *
315
316 the number of bytes used for storing the integer,
317
318 =item *
319
320 whether the contents are interpreted as a signed or unsigned number,
321
322 =item *
323
324 the byte ordering: whether the first byte is the least or most
325 significant byte (or: little-endian or big-endian, respectively).
326
327 =back
328
329 So, for instance, to pack 20302 to a signed 16 bit integer in your
330 computer's representation you write
331
332    my $ps = pack( 's', 20302 );
333
334 Again, the result is a string, now containing 2 bytes. If you print 
335 this string (which is, generally, not recommended) you might see
336 C<ON> or C<NO> (depending on your system's byte ordering) - or something
337 entirely different if your computer doesn't use ASCII character encoding.
338 Unpacking C<$ps> with the same template returns the original integer value:
339
340    my( $s ) = unpack( 's', $ps );
341
342 This is true for all numeric template codes. But don't expect miracles:
343 if the packed value exceeds the allotted byte capacity, high order bits
344 are silently discarded, and unpack certainly won't be able to pull them
345 back out of some magic hat. And, when you pack using a signed template
346 code such as C<s>, an excess value may result in the sign bit
347 getting set, and unpacking this will smartly return a negative value.
348
349 16 bits won't get you too far with integers, but there is C<l> and C<L>
350 for signed and unsigned 32-bit integers. And if this is not enough and
351 your system supports 64 bit integers you can push the limits much closer
352 to infinity with pack codes C<q> and C<Q>. A notable exception is provided
353 by pack codes C<i> and C<I> for signed and unsigned integers of the 
354 "local custom" variety: Such an integer will take up as many bytes as
355 a local C compiler returns for C<sizeof(int)>, but it'll use I<at least>
356 32 bits.
357
358 Each of the integer pack codes C<sSlLqQ> results in a fixed number of bytes,
359 no matter where you execute your program. This may be useful for some 
360 applications, but it does not provide for a portable way to pass data 
361 structures between Perl and C programs (bound to happen when you call 
362 XS extensions or the Perl function C<syscall>), or when you read or
363 write binary files. What you'll need in this case are template codes that
364 depend on what your local C compiler compiles when you code C<short> or
365 C<unsigned long>, for instance. These codes and their corresponding
366 byte lengths are shown in the table below.  Since the C standard leaves
367 much leeway with respect to the relative sizes of these data types, actual
368 values may vary, and that's why the values are given as expressions in
369 C and Perl. (If you'd like to use values from C<%Config> in your program
370 you have to import it with C<use Config>.)
371
372    signed unsigned  byte length in C   byte length in Perl       
373      s!     S!      sizeof(short)      $Config{shortsize}
374      i!     I!      sizeof(int)        $Config{intsize}
375      l!     L!      sizeof(long)       $Config{longsize}
376      q!     Q!      sizeof(longlong)   $Config{longlongsize}
377
378 The C<i!> and C<I!> codes aren't different from C<i> and C<I>; they are
379 tolerated for completeness' sake.
380
381
382 =head2 Unpacking a Stack Frame
383
384 Requesting a particular byte ordering may be necessary when you work with
385 binary data coming from some specific architecture while your program could
386 run on a totally different system. As an example, assume you have 24 bytes
387 containing a stack frame as it happens on an Intel 8086:
388
389       +---------+        +----+----+               +---------+
390  TOS: |   IP    |  TOS+4:| FL | FH | FLAGS  TOS+14:|   SI    |
391       +---------+        +----+----+               +---------+
392       |   CS    |        | AL | AH | AX            |   DI    |
393       +---------+        +----+----+               +---------+
394                          | BL | BH | BX            |   BP    |
395                          +----+----+               +---------+
396                          | CL | CH | CX            |   DS    |
397                          +----+----+               +---------+
398                          | DL | DH | DX            |   ES    |
399                          +----+----+               +---------+
400
401 First, we note that this time-honored 16-bit CPU uses little-endian order,
402 and that's why the low order byte is stored at the lower address. To
403 unpack such a (signed) short we'll have to use code C<v>. A repeat
404 count unpacks all 12 shorts:
405
406    my( $ip, $cs, $flags, $ax, $bx, $cd, $dx, $si, $di, $bp, $ds, $es ) =
407      unpack( 'v12', $frame );
408
409 Alternatively, we could have used C<C> to unpack the individually
410 accessible byte registers FL, FH, AL, AH, etc.:
411
412    my( $fl, $fh, $al, $ah, $bl, $bh, $cl, $ch, $dl, $dh ) =
413      unpack( 'C10', substr( $frame, 4, 10 ) );
414
415 It would be nice if we could do this in one fell swoop: unpack a short,
416 back up a little, and then unpack 2 bytes. Since Perl I<is> nice, it
417 proffers the template code C<X> to back up one byte. Putting this all
418 together, we may now write:
419
420    my( $ip, $cs,
421        $flags,$fl,$fh,
422        $ax,$al,$ah, $bx,$bl,$bh, $cx,$cl,$ch, $dx,$dl,$dh, 
423        $si, $di, $bp, $ds, $es ) =
424    unpack( 'v2' . ('vXXCC' x 5) . 'v5', $frame );
425
426 We've taken some pains to get construct the template so that it matches
427 the contents of our frame buffer. Otherwise we'd either get undefined values,
428 or C<unpack> could not unpack all. If C<pack> runs out of items, it will
429 supply null strings.
430
431
432 =head2 How to Eat an Egg on a Net
433
434 The pack code for big-endian (high order byte at the lowest address) is
435 C<n> for 16 bit and C<N> for 32 bit integers. You use these codes
436 if you know that your data comes from a compliant architecture, but,
437 surprisingly enough, you should also use these pack codes if you
438 exchange binary data, across the network, with some system that you
439 know next to nothing about. The simple reason is that this
440 order has been chosen as the I<network order>, and all standard-fearing
441 programs ought to follow this convention. (This is, of course, a stern
442 backing for one of the Lilliputian parties and may well influence the
443 political development there.) So, if the protocol expects you to send
444 a message by sending the length first, followed by just so many bytes,
445 you could write:
446
447    my $buf = pack( 'N', length( $msg ) ) . $msg;
448
449 or even:
450
451    my $buf = pack( 'NA*', length( $msg ), $msg );
452
453 and pass C<$buf> to your send routine. Some protocols demand that the
454 count should include the length of the count itself: then just add 4
455 to the data length. (But make sure to read L<"Lengths and Widths"> before
456 you really code this!)
457
458
459
460 =head2 Floating point Numbers
461
462 For packing floating point numbers you have the choice between the
463 pack codes C<f> and C<d> which pack into (or unpack from) single-precision or
464 double-precision representation as it is provided by your system. (There
465 is no such thing as a network representation for reals, so if you want
466 to send your real numbers across computer boundaries, you'd better stick
467 to ASCII representation, unless you're absolutely sure what's on the other
468 end of the line.)
469
470
471
472 =head1 Exotic Templates
473
474
475 =head2 Bit Strings
476
477 Bits are the atoms in the memory world. Access to individual bits may
478 have to be used either as a last resort or because it is the most
479 convenient way to handle your data. Bit string (un)packing converts
480 between strings containing a series of C<0> and C<1> characters and
481 a sequence of bytes each containing a group of 8 bits. This is almost
482 as simple as it sounds, except that there are two ways the contents of
483 a byte may be written as a bit string. Let's have a look at an annotated
484 byte:
485
486      7 6 5 4 3 2 1 0
487    +-----------------+
488    | 1 0 0 0 1 1 0 0 |
489    +-----------------+
490     MSB           LSB
491
492 It's egg-eating all over again: Some think that as a bit string this should
493 be written "10001100" i.e. beginning with the most significant bit, others
494 insist on "00110001". Well, Perl isn't biased, so that's why we have two bit
495 string codes:
496
497    $byte = pack( 'B8', '10001100' ); # start with MSB
498    $byte = pack( 'b8', '00110001' ); # start with LSB
499
500 It is not possible to pack or unpack bit fields - just integral bytes.
501 C<pack> always starts at the next byte boundary and "rounds up" to the
502 next multiple of 8 by adding zero bits as required. (If you do want bit
503 fields, there is L<perlfunc/vec>. Or you could implement bit field 
504 handling at the character string level, using split, substr, and
505 concatenation on unpacked bit strings.)
506
507 To illustrate unpacking for bit strings, we'll decompose a simple
508 status register (a "-" stands for a "reserved" bit):
509
510    +-----------------+-----------------+
511    | S Z - A - P - C | - - - - O D I T |
512    +-----------------+-----------------+
513     MSB           LSB MSB           LSB
514
515 Converting these two bytes to a string can be done with the unpack 
516 template C<'b16'>. To obtain the individual bit values from the bit
517 string we use C<split> with the "empty" separator pattern which splits
518 into individual characters. Bit values from the "reserved" positions are
519 simply assigned to C<undef>, a convenient notation for "I don't care where
520 this goes".
521
522    ($carry, undef, $parity, undef, $auxcarry, undef, $sign,
523     $trace, $interrupt, $direction, $overflow) =
524       split( '', unpack( 'b16', $status ) );
525
526 We could have used an unpack template C<'b12'> just as well, since the
527 last 4 bits can be ignored anyway. 
528
529
530 =head2 Uuencoding
531
532 Another odd-man-out in the template alphabet is C<u>, which packs an
533 "uuencoded string". ("uu" is short for Unix-to-Unix.) Chances are that
534 you won't ever need this encoding technique which was invented to overcome
535 the shortcomings of old-fashioned transmission mediums that do not support
536 other than simple ASCII data. The essential recipe is simple: Take three 
537 bytes, or 24 bits. Split them into 4 six-packs, adding a space (0x20) to 
538 each. Repeat until all of the data is blended. Fold groups of 4 bytes into 
539 lines no longer than 60 and garnish them in front with the original byte count 
540 (incremented by 0x20) and a C<"\n"> at the end. - The C<pack> chef will
541 prepare this for you, a la minute, when you select pack code C<u> on the menu:
542
543    my $uubuf = pack( 'u', $bindat );
544
545 A repeat count after C<u> sets the number of bytes to put into an
546 uuencoded line, which is the maximum of 45 by default, but could be
547 set to some (smaller) integer multiple of three. C<unpack> simply ignores
548 the repeat count.
549
550
551 =head2 Doing Sums
552
553 An even stranger template code is C<%>E<lt>I<number>E<gt>. First, because 
554 it's used as a prefix to some other template code. Second, because it
555 cannot be used in C<pack> at all, and third, in C<unpack>, doesn't return the
556 data as defined by the template code it precedes. Instead it'll give you an
557 integer of I<number> bits that is computed from the data value by 
558 doing sums. For numeric unpack codes, no big feat is achieved:
559
560     my $buf = pack( 'iii', 100, 20, 3 );
561     print unpack( '%32i3', $buf ), "\n";  # prints 123
562
563 For string values, C<%> returns the sum of the byte values saving
564 you the trouble of a sum loop with C<substr> and C<ord>:
565
566     print unpack( '%32A*', "\x01\x10" ), "\n";  # prints 17
567
568 Although the C<%> code is documented as returning a "checksum":
569 don't put your trust in such values! Even when applied to a small number
570 of bytes, they won't guarantee a noticeable Hamming distance.
571
572 In connection with C<b> or C<B>, C<%> simply adds bits, and this can be put
573 to good use to count set bits efficiently:
574
575     my $bitcount = unpack( '%32b*', $mask );
576
577 And an even parity bit can be determined like this:
578
579     my $evenparity = unpack( '%1b*', $mask );
580
581
582 =head2  Unicode
583
584 Unicode is a character set that can represent most characters in most of
585 the world's languages, providing room for over one million different
586 characters. Unicode 3.1 specifies 94,140 characters: The Basic Latin
587 characters are assigned to the numbers 0 - 127. The Latin-1 Supplement with
588 characters that are used in several European languages is in the next
589 range, up to 255. After some more Latin extensions we find the character
590 sets from languages using non-Roman alphabets, interspersed with a
591 variety of symbol sets such as currency symbols, Zapf Dingbats or Braille.
592 (You might want to visit L<www.unicode.org> for a look at some of
593 them - my personal favourites are Telugu and Kannada.)
594
595 The Unicode character sets associates characters with integers. Encoding
596 these numbers in an equal number of bytes would more than double the
597 requirements for storing texts written in Latin alphabets.
598 The UTF-8 encoding avoids this by storing the most common (from a western
599 point of view) characters in a single byte while encoding the rarer
600 ones in three or more bytes.
601
602 So what has this got to do with C<pack>? Well, if you want to convert
603 between a Unicode number and its UTF-8 representation you can do so by
604 using template code C<U>. As an example, let's produce the UTF-8
605 representation of the Euro currency symbol (code number 0x20AC):
606
607    $UTF8{Euro} = pack( 'U', 0x20AC );
608
609 Inspecting C<$UTF8{Euro}> shows that it contains 3 bytes: "\xe2\x82\xac". The
610 round trip can be completed with C<unpack>:
611
612    $Unicode{Euro} = unpack( 'U', $UTF8{Euro} );
613
614 Usually you'll want to pack or unpack UTF-8 strings:
615
616    # pack and unpack the Hebrew alphabet
617    my $alefbet = pack( 'U*', 0x05d0..0x05ea );
618    my @hebrew = unpack( 'U*', $utf );
619
620
621
622 =head1 Lengths and Widths
623
624 =head2 String Lengths
625
626 In the previous section we've seen a network message that was constructed
627 by prefixing the binary message length to the actual message. You'll find
628 that packing a length followed by so many bytes of data is a 
629 frequently used recipe since appending a null byte won't work
630 if a null byte may be part of the data. Here is an example where both
631 techniques are used: after two null terminated strings with source and
632 destination address, a Short Message (to a mobile phone) is sent after
633 a length byte:
634
635    my $msg = pack( 'Z*Z*CA*', $src, $dst, length( $sm ), $sm );
636
637 Unpacking this message can be done with the same template:
638
639    ( $src, $dst, $len, $sm ) = unpack( 'Z*Z*CA*', $msg );
640
641 There's a subtle trap lurking in the offing: Adding another field after
642 the Short Message (in variable C<$sm>) is all right when packing, but this
643 cannot be unpacked naively:
644
645    # pack a message
646    my $msg = pack( 'Z*Z*CA*C', $src, $dst, length( $sm ), $sm, $prio );
647    
648    # unpack fails - $prio remains undefined!
649    ( $src, $dst, $len, $sm, $prio ) = unpack( 'Z*Z*CA*C', $msg );
650
651 The pack code C<A*> gobbles up all remaining bytes, and C<$prio> remains
652 undefined! Before we let disappointment dampen the morale: Perl's got
653 the trump card to make this trick too, just a little further up the sleeve.
654 Watch this:
655
656    # pack a message: ASCIIZ, ASCIIZ, length/string, byte
657    my $msg = pack( 'Z* Z* C/A* C', $src, $dst, $sm, $prio );
658
659    # unpack
660    ( $src, $dst, $sm, $prio ) = unpack( 'Z* Z* C/A* C', $msg );
661
662 Combining two pack codes with a slash (C</>) associates them with a single
663 value from the argument list. In C<pack>, the length of the argument is
664 taken and packed according to the first code while the argument itself
665 is added after being converted with the template code after the slash.
666 This saves us the trouble of inserting the C<length> call, but it is 
667 in C<unpack> where we really score: The value of the length byte marks the
668 end of the string to be taken from the buffer. Since this combination
669 doesn't make sense except when the second pack code isn't C<a*>, C<A*>
670 or C<Z*>, Perl won't let you.
671
672 The pack code preceding C</> may be anything that's fit to represent a
673 number: All the numeric binary pack codes, and even text codes such as
674 C<A4> or C<Z*>:
675
676    # pack/unpack a string preceded by its length in ASCII
677    my $buf = pack( 'A4/A*', "Humpty-Dumpty" );
678    # unpack $buf: '13  Humpty-Dumpty'
679    my $txt = unpack( 'A4/A*', $buf );
680
681 C</> is not implemented in Perls before 5.6, so if your code is required to
682 work on older Perls you'll need to C<unpack( 'Z* Z* C')> to get the length,
683 then use it to make a new unpack string. For example
684
685    # pack a message: ASCIIZ, ASCIIZ, length, string, byte (5.005 compatible)
686    my $msg = pack( 'Z* Z* C A* C', $src, $dst, length $sm, $sm, $prio );
687
688    # unpack
689    ( undef, undef, $len) = unpack( 'Z* Z* C', $msg );
690    ($src, $dst, $sm, $prio) = unpack ( "Z* Z* x A$len C", $msg );
691
692 But that second C<unpack> is rushing ahead. It isn't using a simple literal
693 string for the template. So maybe we should introduce...
694
695 =head2 Dynamic Templates
696
697 So far, we've seen literals used as templates. If the list of pack
698 items doesn't have fixed length, an expression constructing the
699 template has to be used. Here's an example:
700 To store named string values in a way that can be conveniently parsed
701 by a C program, we create a sequence of names and null terminated ASCII
702 strings, with C<=> between the name and the value, followed by an
703 additional delimiting null byte. Here's how:
704
705    my $env = pack( 'A*A*Z*' x keys( %Env ) . 'C',
706                    map{ ( $_, '=', $Env{$_} ) } keys( %Env ), 0 );
707
708 For the reverse operation, we'll have to determine the number of items
709 in the buffer before we can let C<unpack> rip it apart:
710
711    my $n = $env =~ tr/\0// - 1;
712    my %env = map { split( '=', $_ ) } unpack( 'Z*' x $n, $env );
713
714 The C<tr> counts the null bytes. The C<unpack> call returns a list of
715 name-value pairs each of which is taken apart in the C<map> block.
716
717
718 =head2 Another Portable Binary Encoding
719
720 The pack code C<w> has been added to support a portable binary data
721 encoding scheme that goes way beyond simple integers. (Details can
722 be found at L<Casbah.org>, the Scarab project.)  A BER (Binary Encoded
723 Representation) compressed unsigned integer stores base 128
724 digits, most significant digit first, with as few digits as possible.
725 Bit eight (the high bit) is set on each byte except the last. There
726 is no size limit to BER encoding, but Perl won't go to extremes.
727
728    my $berbuf = pack( 'w*', 1, 128, 128+1, 128*128+127 );
729
730 A hex dump of C<$berbuf>, with spaces inserted at the right places,
731 shows 01 8100 8101 81807F. Since the last byte is always less than
732 128, C<unpack> knows where to stop.
733
734
735 =head1 Packing and Unpacking C Structures
736
737 In previous sections we have seen how to pack numbers and character
738 strings. If it were not for a couple of snags we could conclude this
739 section right away with the terse remark that C structures don't
740 contain anything else, and therefore you already know all there is to it.
741 Sorry, no: read on, please.
742
743 =head2 The Alignment Pit
744
745 In the consideration of speed against memory requirements the balance
746 has been tilted in favor of faster execution. This has influenced the
747 way C compilers allocate memory for structures: On architectures
748 where a 16-bit or 32-bit operand can be moved faster between places in
749 memory, or to or from a CPU register, if it is aligned at an even or 
750 multiple-of-four or even at a multiple-of eight address, a C compiler
751 will give you this speed benefit by stuffing extra bytes into structures.
752 If you don't cross the C shoreline this is not likely to cause you any
753 grief (although you should care when you design large data structures,
754 or you want your code to be portable between architectures (you do want
755 that, don't you?)).
756
757 To see how this affects C<pack> and C<unpack>, we'll compare these two
758 C structures:
759
760    typedef struct {
761      char     c1;
762      short    s;
763      char     c2;
764      long     l;
765    } gappy_t;
766
767    typedef struct {
768      long     l;
769      short    s;
770      char     c1;
771      char     c2;
772    } dense_t;
773
774 Typically, a C compiler allocates 12 bytes to a C<gappy_t> variable, but
775 requires only 8 bytes for a C<dense_t>. After investigating this further,
776 we can draw memory maps, showing where the extra 4 bytes are hidden:
777
778    0           +4          +8          +12
779    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
780    |c1|xx|  s  |c2|xx|xx|xx|     l     |    xx = fill byte
781    +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
782    gappy_t
783
784    0           +4          +8
785    +--+--+--+--+--+--+--+--+
786    |     l     |  h  |c1|c2|
787    +--+--+--+--+--+--+--+--+
788    dense_t
789
790 And that's where the first quirk strikes: C<pack> and C<unpack>
791 templates have to be stuffed with C<x> codes to get those extra fill bytes.
792
793 The natural question: "Why can't Perl compensate for the gaps?" warrants
794 an answer. One good reason is that C compilers might provide (non-ANSI)
795 extensions permitting all sorts of fancy control over the way structures
796 are aligned, even at the level of an individual structure field. And, if
797 this were not enough, there is an insidious thing called C<union> where
798 the amount of fill bytes cannot be derived from the alignment of the next
799 item alone.
800
801 OK, so let's bite the bullet. Here's one way to get the alignment right
802 by inserting template codes C<x>, which don't take a corresponding item 
803 from the list:
804
805   my $gappy = pack( 'cxs cxxx l!', $c1, $s, $c2, $l );
806
807 Note the C<!> after C<l>: We want to make sure that we pack a long
808 integer as it is compiled by our C compiler. And even now, it will only
809 work for the platforms where the compiler aligns things as above.
810 And somebody somewhere has a platform where it doesn't.
811 [Probably a Cray, where C<short>s, C<int>s and C<long>s are all 8 bytes. :-)]
812
813 Counting bytes and watching alignments in lengthy structures is bound to 
814 be a drag. Isn't there a way we can create the template with a simple
815 program? Here's a C program that does the trick:
816
817    #include <stdio.h>
818    #include <stddef.h>
819
820    typedef struct {
821      char     fc1;
822      short    fs;
823      char     fc2;
824      long     fl;
825    } gappy_t;
826
827    #define Pt(struct,field,tchar) \
828      printf( "@%d%s ", offsetof(struct,field), # tchar );
829
830    int main(){
831      Pt( gappy_t, fc1, c  );
832      Pt( gappy_t, fs,  s! );
833      Pt( gappy_t, fc2, c  );
834      Pt( gappy_t, fl,  l! );
835      printf( "\n" );
836    }
837
838 The output line can be used as a template in a C<pack> or C<unpack> call:
839
840   my $gappy = pack( '@0c @2s! @4c @8l!', $c1, $s, $c2, $l );
841
842 Gee, yet another template code - as if we hadn't plenty. But 
843 C<@> saves our day by enabling us to specify the offset from the beginning
844 of the pack buffer to the next item: This is just the value
845 the C<offsetof> macro (defined in C<E<lt>stddef.hE<gt>>) returns when
846 given a C<struct> type and one of its field names ("member-designator" in 
847 C standardese).
848
849
850 =head2 Alignment, Take 2
851
852 I'm afraid that we're not quite through with the alignment catch yet. The
853 hydra raises another ugly head when you pack arrays of structures:
854
855    typedef struct {
856      short    count;
857      char     glyph;
858    } cell_t;
859
860    typedef cell_t buffer_t[BUFLEN];
861
862 Where's the catch? Padding is neither required before the first field C<count>,
863 nor between this and the next field C<glyph>, so why can't we simply pack
864 like this:
865
866    # something goes wrong here:
867    pack( 's!a' x @buffer,
868          map{ ( $_->{count}, $_->{glyph} ) } @buffer );
869
870 This packs C<3*@buffer> bytes, but it turns out that the size of 
871 C<buffer_t> is four times C<BUFLEN>! The moral of the story is that
872 the required alignment of a structure or array is propagated to the
873 next higher level where we have to consider padding I<at the end>
874 of each component as well. Thus the correct template is:
875
876    pack( 's!ax' x @buffer,
877          map{ ( $_->{count}, $_->{glyph} ) } @buffer );
878
879 =head2 Alignment, Take 3
880
881 And even if you take all the above into account, ANSI still lets this:
882
883    typedef struct {
884      char     foo[2];
885    } foo_t;
886
887 vary in size. The alignment constraint of the structure can be greater than
888 any of its elements. [And if you think that this doesn't affect anything
889 common, dismember the next cellphone that you see. Many have ARM cores, and
890 the ARM structure rules make C<sizeof (foo_t)> == 4]
891
892 =head2 Pointers for How to Use Them
893
894 The title of this section indicates the second problem you may run into
895 sooner or later when you pack C structures. If the function you intend
896 to call expects a, say, C<void *> value, you I<cannot> simply take
897 a reference to a Perl variable. (Although that value certainly is a
898 memory address, it's not the address where the variable's contents are
899 stored.)
900
901 Template code C<P> promises to pack a "pointer to a fixed length string".
902 Isn't this what we want? Let's try:
903
904     # allocate some storage and pack a pointer to it
905     my $memory = "\x00" x $size;
906     my $memptr = pack( 'P', $memory );
907
908 But wait: doesn't C<pack> just return a sequence of bytes? How can we pass this
909 string of bytes to some C code expecting a pointer which is, after all,
910 nothing but a number? The answer is simple: We have to obtain the numeric
911 address from the bytes returned by C<pack>.
912
913     my $ptr = unpack( 'L!', $memptr );
914
915 Obviously this assumes that it is possible to typecast a pointer
916 to an unsigned long and vice versa, which frequently works but should not
917 be taken as a universal law. - Now that we have this pointer the next question
918 is: How can we put it to good use? We need a call to some C function
919 where a pointer is expected. The read(2) system call comes to mind:
920
921     ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
922
923 After reading L<perlfunc> explaining how to use C<syscall> we can write
924 this Perl function copying a file to standard output:
925
926     require 'syscall.ph';
927     sub cat($){
928         my $path = shift();
929         my $size = -s $path;
930         my $memory = "\x00" x $size;  # allocate some memory
931         my $ptr = unpack( 'L', pack( 'P', $memory ) );
932         open( F, $path ) || die( "$path: cannot open ($!)\n" );
933         my $fd = fileno(F);
934         my $res = syscall( &SYS_read, fileno(F), $ptr, $size );
935         print $memory;
936         close( F );
937     }
938
939 This is neither a specimen of simplicity nor a paragon of portability but
940 it illustrates the point: We are able to sneak behind the scenes and
941 access Perl's otherwise well-guarded memory! (Important note: Perl's
942 C<syscall> does I<not> require you to construct pointers in this roundabout
943 way. You simply pass a string variable, and Perl forwards the address.) 
944
945 How does C<unpack> with C<P> work? Imagine some pointer in the buffer
946 about to be unpacked: If it isn't the null pointer (which will smartly
947 produce the C<undef> value) we have a start address - but then what?
948 Perl has no way of knowing how long this "fixed length string" is, so
949 it's up to you to specify the actual size as an explicit length after C<P>.
950
951    my $mem = "abcdefghijklmn";
952    print unpack( 'P5', pack( 'P', $mem ) ); # prints "abcde"
953
954 As a consequence, C<pack> ignores any number or C<*> after C<P>.
955
956
957 Now that we have seen C<P> at work, we might as well give C<p> a whirl.
958 Why do we need a second template code for packing pointers at all? The 
959 answer lies behind the simple fact that an C<unpack> with C<p> promises
960 a null-terminated string starting at the address taken from the buffer,
961 and that implies a length for the data item to be returned:
962
963    my $buf = pack( 'p', "abc\x00efhijklmn" );
964    print unpack( 'p', $buf );    # prints "abc"
965
966
967
968 Albeit this is apt to be confusing: As a consequence of the length being
969 implied by the string's length, a number after pack code C<p> is a repeat
970 count, not a length as after C<P>. 
971
972
973 Using C<pack(..., $x)> with C<P> or C<p> to get the address where C<$x> is
974 actually stored must be used with circumspection. Perl's internal machinery
975 considers the relation between a variable and that address as its very own 
976 private matter and doesn't really care that we have obtained a copy. Therefore:
977
978 =over 4
979
980 =item * 
981
982 Do not use C<pack> with C<p> or C<P> to obtain the address of variable
983 that's bound to go out of scope (and thereby freeing its memory) before you
984 are done with using the memory at that address.
985
986 =item * 
987
988 Be very careful with Perl operations that change the value of the
989 variable. Appending something to the variable, for instance, might require
990 reallocation of its storage, leaving you with a pointer into no-man's land.
991
992 =item * 
993
994 Don't think that you can get the address of a Perl variable
995 when it is stored as an integer or double number! C<pack('P', $x)> will
996 force the variable's internal representation to string, just as if you
997 had written something like C<$x .= ''>.
998
999 =back
1000
1001 It's safe, however, to P- or p-pack a string literal, because Perl simply
1002 allocates an anonymous variable.
1003
1004
1005
1006 =head1 Pack Recipes
1007
1008 Here are a collection of (possibly) useful canned recipes for C<pack>
1009 and C<unpack>:
1010
1011     # Convert IP address for socket functions
1012     pack( "C4", split /\./, "123.4.5.6" ); 
1013
1014     # Count the bits in a chunk of memory (e.g. a select vector)
1015     unpack( '%32b*', $mask );
1016
1017     # Determine the endianness of your system
1018     $is_little_endian = unpack( 'c', pack( 's', 1 ) );
1019     $is_big_endian = unpack( 'xc', pack( 's', 1 ) );
1020
1021     # Determine the number of bits in a native integer
1022     $bits = unpack( '%32I!', ~0 );
1023
1024     # Prepare argument for the nanosleep system call
1025     my $timespec = pack( 'L!L!', $secs, $nanosecs );
1026
1027 For a simple memory dump we unpack some bytes into just as 
1028 many pairs of hex digits, and use C<map> to handle the traditional
1029 spacing - 16 bytes to a line:
1030
1031     my $i;
1032     print map { ++$i % 16 ? "$_ " : "$_\n" }
1033           unpack( 'H2' x length( $mem ), $mem ),
1034           length( $mem ) % 16 ? "\n" : '';
1035
1036
1037 =head1 Authors
1038
1039 Simon Cozens and Wolfgang Laun.
1040