This is a live mirror of the Perl 5 development currently hosted at https://github.com/perl/perl5
Regex Utility Functions and Substituion Fix (XML::Twig core dump)
[perl5.git] / pod / perlpacktut.pod
index b102543..1cb127e 100644 (file)
@@ -6,7 +6,7 @@ perlpacktut - tutorial on C<pack> and C<unpack>
 
 C<pack> and C<unpack> are two functions for transforming data according
 to a user-defined template, between the guarded way Perl stores values
-and some well-defined  representation as might be required in the 
+and some well-defined representation as might be required in the 
 environment of a Perl program. Unfortunately, they're also two of 
 the most misunderstood and most often overlooked functions that Perl
 provides. This tutorial will demystify them for you.
@@ -42,7 +42,7 @@ of these two functions.
 To see how (un)packing works, we'll start with a simple template
 code where the conversion is in low gear: between the contents of a byte
 sequence and a string of hexadecimal digits. Let's use C<unpack>, since
-this is likely to remind you of a dump program, or some desparate last
+this is likely to remind you of a dump program, or some desperate last
 message unfortunate programs are wont to throw at you before they expire
 into the wild blue yonder. Assuming that the variable C<$mem> holds a 
 sequence of bytes that we'd like to inspect without assuming anything 
@@ -56,10 +56,10 @@ corresponding to a byte:
 
    41204d414e204120504c414e20412043414e414c2050414e414d41
 
-What was in this chunk of memory? Numbers, charactes, or a mixture of
+What was in this chunk of memory? Numbers, characters, or a mixture of
 both? Assuming that we're on a computer where ASCII (or some similar)
 encoding is used: hexadecimal values in the range C<0x40> - C<0x5A>
-indicate an uppercase letter, and <0x20> encodes a space. So we might
+indicate an uppercase letter, and C<0x20> encodes a space. So we might
 assume it is a piece of text, which some are able to read like a tabloid;
 but others will have to get hold of an ASCII table and relive that
 firstgrader feeling. Not caring too much about which way to read this,
@@ -109,7 +109,7 @@ numbers - which we've had to count by hand. So it's error-prone as well
 as horribly unfriendly.
 
 Or maybe we could use regular expressions:
-    
+
     while (<>) { 
         my($date, $desc, $income, $expend) = 
             m|(\d\d/\d\d/\d{4}) (.{27}) (.{7})(.*)|;
@@ -141,7 +141,7 @@ the headers, and a handy ruler so we can keep track of where we are.
     01/28/2001 Flea spray                                24.99
     01/29/2001 Camel rides to tourists      235.00
 
->From this, we can see that the date column stretches from column 1 to
+From this, we can see that the date column stretches from column 1 to
 column 10 - ten characters wide. The C<pack>-ese for "character" is
 C<A>, and ten of them are C<A10>. So if we just wanted to extract the
 dates, we could say this:
@@ -177,7 +177,7 @@ template doesn't match the incoming data, Perl will scream and die.
 
 Hence, putting it all together:
 
-    my($date,$description,$income,$expend) = unpack("A10xA27xA7A*", $_);
+    my($date,$description,$income,$expend) = unpack("A10xA27xA7xA*", $_);
 
 Now, that's our data parsed. I suppose what we might want to do now is
 total up our income and expenditure, and add another line to the end of
@@ -340,7 +340,7 @@ Unpacking C<$ps> with the same template returns the original integer value:
    my( $s ) = unpack( 's', $ps );
 
 This is true for all numeric template codes. But don't expect miracles:
-if the packed value exceeds the alotted byte capacity, high order bits
+if the packed value exceeds the allotted byte capacity, high order bits
 are silently discarded, and unpack certainly won't be able to pull them
 back out of some magic hat. And, when you pack using a signed template
 code such as C<s>, an excess value may result in the sign bit
@@ -373,7 +373,7 @@ you have to import it with C<use Config>.)
      s!     S!      sizeof(short)      $Config{shortsize}
      i!     I!      sizeof(int)        $Config{intsize}
      l!     L!      sizeof(long)       $Config{longsize}
-     q!     Q!      sizeof(longlong)   $Config{longlongsize}
+     q!     Q!      sizeof(long long)  $Config{longlongsize}
 
 The C<i!> and C<I!> codes aren't different from C<i> and C<I>; they are
 tolerated for completeness' sake.
@@ -382,7 +382,7 @@ tolerated for completeness' sake.
 =head2 Unpacking a Stack Frame
 
 Requesting a particular byte ordering may be necessary when you work with
-binary data coming from some specific architecture while your program could
+binary data coming from some specific architecture whereas your program could
 run on a totally different system. As an example, assume you have 24 bytes
 containing a stack frame as it happens on an Intel 8086:
 
@@ -400,7 +400,7 @@ containing a stack frame as it happens on an Intel 8086:
 
 First, we note that this time-honored 16-bit CPU uses little-endian order,
 and that's why the low order byte is stored at the lower address. To
-unpack such a (signed) short we'll have to use code C<v>. A repeat
+unpack such a (unsigned) short we'll have to use code C<v>. A repeat
 count unpacks all 12 shorts:
 
    my( $ip, $cs, $flags, $ax, $bx, $cd, $dx, $si, $di, $bp, $ds, $es ) =
@@ -423,10 +423,13 @@ together, we may now write:
        $si, $di, $bp, $ds, $es ) =
    unpack( 'v2' . ('vXXCC' x 5) . 'v5', $frame );
 
-We've taken some pains to get construct the template so that it matches
+(The clumsy construction of the template can be avoided - just read on!)  
+
+We've taken some pains to construct the template so that it matches
 the contents of our frame buffer. Otherwise we'd either get undefined values,
 or C<unpack> could not unpack all. If C<pack> runs out of items, it will
-supply null strings.
+supply null strings (which are coerced into zeroes whenever the pack code
+says so).
 
 
 =head2 How to Eat an Egg on a Net
@@ -456,16 +459,47 @@ to the data length. (But make sure to read L<"Lengths and Widths"> before
 you really code this!)
 
 
+=head2 Byte-order modifiers
+
+In the previous sections we've learned how to use C<n>, C<N>, C<v> and
+C<V> to pack and unpack integers with big- or little-endian byte-order.
+While this is nice, it's still rather limited because it leaves out all
+kinds of signed integers as well as 64-bit integers. For example, if you
+wanted to unpack a sequence of signed big-endian 16-bit integers in a
+platform-independent way, you would have to write:
+
+   my @data = unpack 's*', pack 'S*', unpack 'n*', $buf;
+
+This is ugly. As of Perl 5.9.2, there's a much nicer way to express your
+desire for a certain byte-order: the C<E<gt>> and C<E<lt>> modifiers.
+C<E<gt>> is the big-endian modifier, while C<E<lt>> is the little-endian
+modifier. Using them, we could rewrite the above code as:
+
+   my @data = unpack 's>*', $buf;
+
+As you can see, the "big end" of the arrow touches the C<s>, which is a
+nice way to remember that C<E<gt>> is the big-endian modifier. The same
+obviously works for C<E<lt>>, where the "little end" touches the code.
+
+You will probably find these modifiers even more useful if you have
+to deal with big- or little-endian C structures. Be sure to read
+L<"Packing and Unpacking C Structures"> for more on that.
+
 
 =head2 Floating point Numbers
 
 For packing floating point numbers you have the choice between the
-pack codes C<f> and C<d> which pack into (or unpack from) single-precision or
-double-precision representation as it is provided by your system. (There
+pack codes C<f>, C<d>, C<F> and C<D>. C<f> and C<d> pack into (or unpack
+from) single-precision or double-precision representation as it is provided
+by your system. If your systems supports it, C<D> can be used to pack and
+unpack extended-precision floating point values (C<long double>), which
+can offer even more resolution than C<f> or C<d>. C<F> packs an C<NV>,
+which is the floating point type used by Perl internally. (There
 is no such thing as a network representation for reals, so if you want
 to send your real numbers across computer boundaries, you'd better stick
 to ASCII representation, unless you're absolutely sure what's on the other
-end of the line.)
+end of the line. For the even more adventuresome, you can use the byte-order
+modifiers from the previous section also on floating point codes.)
 
 
 
@@ -514,14 +548,14 @@ status register (a "-" stands for a "reserved" bit):
 
 Converting these two bytes to a string can be done with the unpack 
 template C<'b16'>. To obtain the individual bit values from the bit
-string we use C<split> with the "empty" separator pattern which splits
+string we use C<split> with the "empty" separator pattern which dissects
 into individual characters. Bit values from the "reserved" positions are
 simply assigned to C<undef>, a convenient notation for "I don't care where
 this goes".
 
-   ($carry, undef, $parity, undef, $auxcarry, undef, $sign,
+   ($carry, undef, $parity, undef, $auxcarry, undef, $zero, $sign,
     $trace, $interrupt, $direction, $overflow) =
-      split( '', unpack( 'b16', $status ) );
+      split( //, unpack( 'b16', $status ) );
 
 We could have used an unpack template C<'b12'> just as well, since the
 last 4 bits can be ignored anyway. 
@@ -587,14 +621,14 @@ characters. Unicode 3.1 specifies 94,140 characters: The Basic Latin
 characters are assigned to the numbers 0 - 127. The Latin-1 Supplement with
 characters that are used in several European languages is in the next
 range, up to 255. After some more Latin extensions we find the character
-sets from languages using non-roman alphabets, interspersed with a
+sets from languages using non-Roman alphabets, interspersed with a
 variety of symbol sets such as currency symbols, Zapf Dingbats or Braille.
 (You might want to visit L<www.unicode.org> for a look at some of
 them - my personal favourites are Telugu and Kannada.)
 
 The Unicode character sets associates characters with integers. Encoding
 these numbers in an equal number of bytes would more than double the
-requirements for storing texts written in latin alphabets.
+requirements for storing texts written in Latin alphabets.
 The UTF-8 encoding avoids this by storing the most common (from a western
 point of view) characters in a single byte while encoding the rarer
 ones in three or more bytes.
@@ -618,6 +652,70 @@ Usually you'll want to pack or unpack UTF-8 strings:
    my @hebrew = unpack( 'U*', $utf );
 
 
+=head2 Another Portable Binary Encoding
+
+The pack code C<w> has been added to support a portable binary data
+encoding scheme that goes way beyond simple integers. (Details can
+be found at L<Casbah.org>, the Scarab project.)  A BER (Binary Encoded
+Representation) compressed unsigned integer stores base 128
+digits, most significant digit first, with as few digits as possible.
+Bit eight (the high bit) is set on each byte except the last. There
+is no size limit to BER encoding, but Perl won't go to extremes.
+
+   my $berbuf = pack( 'w*', 1, 128, 128+1, 128*128+127 );
+
+A hex dump of C<$berbuf>, with spaces inserted at the right places,
+shows 01 8100 8101 81807F. Since the last byte is always less than
+128, C<unpack> knows where to stop.
+
+
+=head1 Template Grouping
+
+Prior to Perl 5.8, repetitions of templates had to be made by
+C<x>-multiplication of template strings. Now there is a better way as
+we may use the pack codes C<(> and C<)> combined with a repeat count.
+The C<unpack> template from the Stack Frame example can simply
+be written like this:
+
+   unpack( 'v2 (vXXCC)5 v5', $frame )
+
+Let's explore this feature a little more. We'll begin with the equivalent of
+
+   join( '', map( substr( $_, 0, 1 ), @str ) )
+
+which returns a string consisting of the first character from each string.
+Using pack, we can write
+
+   pack( '(A)'.@str, @str )
+
+or, because a repeat count C<*> means "repeat as often as required",
+simply
+
+   pack( '(A)*', @str )
+
+(Note that the template C<A*> would only have packed C<$str[0]> in full
+length.)
+
+To pack dates stored as triplets ( day, month, year ) in an array C<@dates>
+into a sequence of byte, byte, short integer we can write
+
+   $pd = pack( '(CCS)*', map( @$_, @dates ) );
+
+To swap pairs of characters in a string (with even length) one could use
+several techniques. First, let's use C<x> and C<X> to skip forward and back:
+
+   $s = pack( '(A)*', unpack( '(xAXXAx)*', $s ) );
+
+We can also use C<@> to jump to an offset, with 0 being the position where
+we were when the last C<(> was encountered:
+
+   $s = pack( '(A)*', unpack( '(@1A @0A @2)*', $s ) );
+
+Finally, there is also an entirely different approach by unpacking big
+endian shorts and packing them in the reverse byte order:
+
+   $s = pack( '(v)*', unpack( '(n)*', $s );
+
 
 =head1 Lengths and Widths
 
@@ -627,7 +725,7 @@ In the previous section we've seen a network message that was constructed
 by prefixing the binary message length to the actual message. You'll find
 that packing a length followed by so many bytes of data is a 
 frequently used recipe since appending a null byte won't work
-if a null byte may be part of the data. Here is an example where both
+if a null byte may be part of the data. Here is an example where both
 techniques are used: after two null terminated strings with source and
 destination address, a Short Message (to a mobile phone) is sent after
 a length byte:
@@ -638,13 +736,13 @@ Unpacking this message can be done with the same template:
 
    ( $src, $dst, $len, $sm ) = unpack( 'Z*Z*CA*', $msg );
 
-There's a subtle trap lurking in the offings: Adding another field after
+There's a subtle trap lurking in the offing: Adding another field after
 the Short Message (in variable C<$sm>) is all right when packing, but this
 cannot be unpacked naively:
 
    # pack a message
    my $msg = pack( 'Z*Z*CA*C', $src, $dst, length( $sm ), $sm, $prio );
-   
+
    # unpack fails - $prio remains undefined!
    ( $src, $dst, $len, $sm, $prio ) = unpack( 'Z*Z*CA*C', $msg );
 
@@ -678,46 +776,69 @@ C<A4> or C<Z*>:
    # unpack $buf: '13  Humpty-Dumpty'
    my $txt = unpack( 'A4/A*', $buf );
 
+C</> is not implemented in Perls before 5.6, so if your code is required to
+work on older Perls you'll need to C<unpack( 'Z* Z* C')> to get the length,
+then use it to make a new unpack string. For example
+
+   # pack a message: ASCIIZ, ASCIIZ, length, string, byte (5.005 compatible)
+   my $msg = pack( 'Z* Z* C A* C', $src, $dst, length $sm, $sm, $prio );
+
+   # unpack
+   ( undef, undef, $len) = unpack( 'Z* Z* C', $msg );
+   ($src, $dst, $sm, $prio) = unpack ( "Z* Z* x A$len C", $msg );
+
+But that second C<unpack> is rushing ahead. It isn't using a simple literal
+string for the template. So maybe we should introduce...
 
 =head2 Dynamic Templates
 
 So far, we've seen literals used as templates. If the list of pack
 items doesn't have fixed length, an expression constructing the
-template has to be used. Here's an example:
-To store named string values in a way that can be conveniently parsed
-by a C program, we create a sequence of names and null terminated ASCII
-strings, with C<=> between the name and the value, followed by an
-additional delimiting null byte. Here's how:
-
-   my $env = pack( 'A*A*Z*' x keys( %Env ) . 'C',
-                   map{ ( $_, '=', $Env{$_} ) } keys( %Env ), 0 );
+template is required (whenever, for some reason, C<()*> cannot be used).
+Here's an example: To store named string values in a way that can be
+conveniently parsed by a C program, we create a sequence of names and
+null terminated ASCII strings, with C<=> between the name and the value,
+followed by an additional delimiting null byte. Here's how:
+
+   my $env = pack( '(A*A*Z*)' . keys( %Env ) . 'C',
+                   map( { ( $_, '=', $Env{$_} ) } keys( %Env ) ), 0 );
+
+Let's examine the cogs of this byte mill, one by one. There's the C<map>
+call, creating the items we intend to stuff into the C<$env> buffer:
+to each key (in C<$_>) it adds the C<=> separator and the hash entry value.
+Each triplet is packed with the template code sequence C<A*A*Z*> that
+is repeated according to the number of keys. (Yes, that's what the C<keys>
+function returns in scalar context.) To get the very last null byte,
+we add a C<0> at the end of the C<pack> list, to be packed with C<C>.
+(Attentive readers may have noticed that we could have omitted the 0.)
 
 For the reverse operation, we'll have to determine the number of items
 in the buffer before we can let C<unpack> rip it apart:
 
-   my $n = ( $env =~ s/\0/\0/g - 1 );
-   my %env = map { split( '=', $_ ) } unpack( 'Z*' x $n, $env );
+   my $n = $env =~ tr/\0// - 1;
+   my %env = map( split( /=/, $_ ), unpack( "(Z*)$n", $env ) );
 
-The substitution counts the null bytes. The C<unpack> call returns a
-list of name-value pairs each of which is taken apart in the C<map>
-block.
+The C<tr> counts the null bytes. The C<unpack> call returns a list of
+name-value pairs each of which is taken apart in the C<map> block. 
 
 
-=head2 Another Portable Binary Encoding
+=head2 Counting Repetitions
 
-The pack code C<w> has been added to support a portable binary data
-encoding scheme that goes way beyond simple integers. (Details can
-be found at L<Casbah.org>, the Scarab project.)  A BER (Binary Encoded
-Representation) compressed unsigned integer stores base 128
-digits, most significant digit first, with as few digits as possible.
-Bit eight (the high bit) is set on each byte except the last. There
-is no size limit to BER encoding, but Perl won't go to extremes.
+Rather than storing a sentinel at the end of a data item (or a list of items),
+we could precede the data with a count. Again, we pack keys and values of
+a hash, preceding each with an unsigned short length count, and up front
+we store the number of pairs:
 
-   my $berbuf = pack( 'w*', 1, 128, 128+1, 128*128+127 );
+   my $env = pack( 'S(S/A* S/A*)*', scalar keys( %Env ), %Env );
 
-A hex dump of C<$berbuf>, with spaces inserted at the right places,
-shows 01 8100 8101 81807F. Since the last byte is always less than
-128, C<unpack> knows where to stop.
+This simplifies the reverse operation as the number of repetitions can be
+unpacked with the C</> code:
+
+   my %env = unpack( 'S/(S/A* S/A*)', $env );
+
+Note that this is one of the rare cases where you cannot use the same
+template for C<pack> and C<unpack> because C<pack> can't determine
+a repeat count for a C<()>-group.
 
 
 =head1 Packing and Unpacking C Structures
@@ -728,6 +849,12 @@ section right away with the terse remark that C structures don't
 contain anything else, and therefore you already know all there is to it.
 Sorry, no: read on, please.
 
+If you have to deal with a lot of C structures, and don't want to
+hack all your template strings manually, you'll probably want to have
+a look at the CPAN module C<Convert::Binary::C>. Not only can it parse
+your C source directly, but it also has built-in support for all the
+odds and ends described further on in this section.
+
 =head2 The Alignment Pit
 
 In the consideration of speed against memory requirements the balance
@@ -738,7 +865,9 @@ memory, or to or from a CPU register, if it is aligned at an even or
 multiple-of-four or even at a multiple-of eight address, a C compiler
 will give you this speed benefit by stuffing extra bytes into structures.
 If you don't cross the C shoreline this is not likely to cause you any
-grief (although you should care when you design large data structures).
+grief (although you should care when you design large data structures,
+or you want your code to be portable between architectures (you do want
+that, don't you?)).
 
 To see how this affects C<pack> and C<unpack>, we'll compare these two
 C structures:
@@ -791,7 +920,10 @@ from the list:
   my $gappy = pack( 'cxs cxxx l!', $c1, $s, $c2, $l );
 
 Note the C<!> after C<l>: We want to make sure that we pack a long
-integer as it is compiled by our C compiler.
+integer as it is compiled by our C compiler. And even now, it will only
+work for the platforms where the compiler aligns things as above.
+And somebody somewhere has a platform where it doesn't.
+[Probably a Cray, where C<short>s, C<int>s and C<long>s are all 8 bytes. :-)]
 
 Counting bytes and watching alignments in lengthy structures is bound to 
 be a drag. Isn't there a way we can create the template with a simple
@@ -810,7 +942,7 @@ program? Here's a C program that does the trick:
    #define Pt(struct,field,tchar) \
      printf( "@%d%s ", offsetof(struct,field), # tchar );
 
-   int main(){
+   int main() {
      Pt( gappy_t, fc1, c  );
      Pt( gappy_t, fs,  s! );
      Pt( gappy_t, fc2, c  );
@@ -829,6 +961,48 @@ the C<offsetof> macro (defined in C<E<lt>stddef.hE<gt>>) returns when
 given a C<struct> type and one of its field names ("member-designator" in 
 C standardese).
 
+Neither using offsets nor adding C<x>'s to bridge the gaps is satisfactory.
+(Just imagine what happens if the structure changes.) What we really need
+is a way of saying "skip as many bytes as required to the next multiple of N".
+In fluent Templatese, you say this with C<x!N> where N is replaced by the
+appropriate value. Here's the next version of our struct packaging:
+
+  my $gappy = pack( 'c x!2 s c x!4 l!', $c1, $s, $c2, $l );
+
+That's certainly better, but we still have to know how long all the
+integers are, and portability is far away. Rather than C<2>,
+for instance, we want to say "however long a short is". But this can be
+done by enclosing the appropriate pack code in brackets: C<[s]>. So, here's
+the very best we can do:
+
+  my $gappy = pack( 'c x![s] s c x![l!] l!', $c1, $s, $c2, $l );
+
+
+=head2 Dealing with Endian-ness
+
+Now, imagine that we want to pack the data for a machine with a
+different byte-order. First, we'll have to figure out how big the data
+types on the target machine really are. Let's assume that the longs are
+32 bits wide and the shorts are 16 bits wide. You can then rewrite the
+template as:
+
+  my $gappy = pack( 'c x![s] s c x![l] l', $c1, $s, $c2, $l );
+
+If the target machine is little-endian, we could write:
+
+  my $gappy = pack( 'c x![s] s< c x![l] l<', $c1, $s, $c2, $l );
+
+This forces the short and the long members to be little-endian, and is
+just fine if you don't have too many struct members. But we could also
+use the byte-order modifier on a group and write the following:
+
+  my $gappy = pack( '( c x![s] s c x![l] l )<', $c1, $s, $c2, $l );
+
+This is not as short as before, but it makes it more obvious that we
+intend to have little-endian byte-order for a whole group, not only
+for individual template codes. It can also be more readable and easier
+to maintain.
+
 
 =head2 Alignment, Take 2
 
@@ -859,7 +1033,18 @@ of each component as well. Thus the correct template is:
    pack( 's!ax' x @buffer,
          map{ ( $_->{count}, $_->{glyph} ) } @buffer );
 
+=head2 Alignment, Take 3
+
+And even if you take all the above into account, ANSI still lets this:
+
+   typedef struct {
+     char     foo[2];
+   } foo_t;
 
+vary in size. The alignment constraint of the structure can be greater than
+any of its elements. [And if you think that this doesn't affect anything
+common, dismember the next cellphone that you see. Many have ARM cores, and
+the ARM structure rules make C<sizeof (foo_t)> == 4]
 
 =head2 Pointers for How to Use Them
 
@@ -1001,11 +1186,23 @@ many pairs of hex digits, and use C<map> to handle the traditional
 spacing - 16 bytes to a line:
 
     my $i;
-    print map { ++$i % 16 ? "$_ " : "$_\n" }
-          unpack( 'H2' x length( $mem ), $mem ),
+    print map( ++$i % 16 ? "$_ " : "$_\n",
+               unpack( 'H2' x length( $mem ), $mem ) ),
           length( $mem ) % 16 ? "\n" : '';
 
 
+=head1 Funnies Section
+
+    # Pulling digits out of nowhere...
+    print unpack( 'C', pack( 'x' ) ),
+          unpack( '%B*', pack( 'A' ) ),
+          unpack( 'H', pack( 'A' ) ),
+          unpack( 'A', unpack( 'C', pack( 'A' ) ) ), "\n";
+
+    # One for the road ;-)
+    my $advice = pack( 'all u can in a van' );
+
+
 =head1 Authors
 
 Simon Cozens and Wolfgang Laun.