C 語言中的交互式編程
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交互式編程是在程序運(yùn)行時(shí)對其進(jìn)行修改和擴(kuò)展。對于一些非批處理程序，它在開發(fā)過程中需要做大量乏味的測試和調(diào)試。直到上周，我才知道如何在 C 語言中應(yīng)用交互式編程。如何重新定義正在 C 程序中運(yùn)行的函數(shù)。
上周在 Handmade Hero（第21~25天）中，Casey Muratori 將交互式編程添加到了游戲引擎中。這在游戲開發(fā)中是特別有用的，可能游戲開發(fā)者想要在玩的過程中去調(diào)整，而不必在每次調(diào)整后重新啟動(dòng)整個(gè)游戲?，F(xiàn)在我已經(jīng)看到他明顯完成了。秘訣是將幾乎整個(gè)應(yīng)用構(gòu)建為共享庫。
這也嚴(yán)重的限制了程序的設(shè)計(jì)：它不能在全局或者靜態(tài)變量中保留任何狀態(tài)，盡管無論如何都應(yīng)該避免這種情況。每次重載共享庫時(shí)，全局狀態(tài)都會(huì)丟失。在某些情況下，這還會(huì)限制C 標(biāo)準(zhǔn)庫的使用，包括像malloc()之類的函數(shù)，但是否限制其使用具體取決于這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)和鏈接的方式。例如，如果C 標(biāo)準(zhǔn)庫是靜態(tài)鏈接的，具有全局狀態(tài)的函數(shù)可能會(huì)將全局狀態(tài)引入到共享庫中。這很難去知道什么是安全使用的。C語言交互式編程在 Handmade Hero 中工作得還不錯(cuò)是因?yàn)閮?nèi)核游戲（作為共享庫加載的部分）不使用外部庫，包括標(biāo)準(zhǔn)庫。
此外，共享庫在使用函數(shù)指針時(shí)必須小心。在共享庫重載后，函數(shù)指針的對象將不再存在。將交互式編程與面向?qū)ο蟮?C 結(jié)合使用時(shí)，這是一個(gè)實(shí)際的問題。
例子：The Game of Life
為了演示它是如何工作的，讓我們看一個(gè)例子。我編寫了一個(gè)簡單的 Game of Life 的演示，該演示很容易修改。如果你想在類似 Unix 系統(tǒng)下跑跑它，可以在這里獲取整個(gè)源代碼。
https://github.com/skeeto/interactive-c-demo
快速入門
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在一個(gè)終端運(yùn)行make，然后./main，按r鍵使其不規(guī)則分布，按q鍵退出。
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編輯game.c以改變 Game of Life 的規(guī)則，添加顏色等。
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在另一個(gè)終端運(yùn)行make，你的改變將立刻顯示在原始程序中！
在撰寫本文時(shí)，Handmade Hero 是在 Windows 上編寫的，所以 Casey 使用的是 DLL 和 Win32 API。但是也可以使用libdl在 Linux 或者任何其它類 Unix 系統(tǒng)上，接下來的例子就是這么用的。
該程序分為兩部分：The Game of Life 共享庫（“game”）和封裝器（“main”），封裝器的作用是加載共享庫，當(dāng)它更新的時(shí)候重載它并在一個(gè)定期的間隔調(diào)用它。因?yàn)榉庋b器與“game”部分的操作無關(guān)，所以它能在另外的項(xiàng)目中幾乎不改動(dòng)的重復(fù)使用它。
為了避免在多個(gè)位置維護(hù)一堆函數(shù)指針，將“game”的API封裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)中。這也消除了C編譯器關(guān)于數(shù)據(jù)和函數(shù)指針混合的警告。Game_state結(jié)構(gòu)的布局和內(nèi)容對 game 本身來說是私有（private）的，封裝器僅僅處理指向該結(jié)構(gòu)的指針。
struct game_state;
struct game_api {
struct game_state *(*init)();
void (*finalize)(struct game_state *state);
void (*reload)(struct game_state *state);
void (*unload)(struct game_state *state);
bool (*step)(struct game_state *state);
};
在該演示中，API由5個(gè)函數(shù)組成，前4個(gè)函數(shù)主要涉及裝載和卸載。
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Init()：分配并返回要傳遞給其他每個(gè)API調(diào)用的狀態(tài)。程序啟動(dòng)時(shí)將調(diào)用一次，但重新加載后不會(huì)調(diào)用。如果我們擔(dān)心在共享庫中使用malloc()，則封裝器將負(fù)責(zé)執(zhí)行實(shí)際的內(nèi)存分配。
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Finalize()：與init()相反，以釋放游戲狀態(tài)所擁有的所有資源。
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Reload()：重新加載庫后立即調(diào)用。這是在運(yùn)行的程序中進(jìn)行一些其他初始化的機(jī)會(huì)。通常，此功能為空。它僅在開發(fā)期間臨時(shí)使用。
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Unload()：在卸載庫之前，在加載新版本之前調(diào)用。這是為庫的下一版本準(zhǔn)備的機(jī)會(huì)。如果您要非常小心的話，可以使用它來更新結(jié)構(gòu)等。通常也為空。
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Step()：定期調(diào)用以運(yùn)行游戲。一個(gè)真正的游戲可能會(huì)具有更多這樣的功能。
該庫將提供一個(gè)填充的 API 結(jié)構(gòu)作為全局變量 GAME_API。**這是整個(gè)共享庫中唯一導(dǎo)出的符號(hào)！**所有函數(shù)都將聲明為靜態(tài)，包括該結(jié)構(gòu)所引用的函數(shù)。
const struct game_api GAME_API = {
.init = game_init,
.finalize = game_finalize,
.reload = game_reload,
.unload = game_unload,
.step = game_step
};
dlopen，dlsym和dlclose
該封裝器的重點(diǎn)是用正確的順序，在正確的時(shí)間調(diào)用dlopen(),dlsym(),dlclose()。該游戲被編譯為libganme.so，這也就是被加載的東西。它在源代碼中用./以強(qiáng)制將名稱用作文件名。封裝器追溯game結(jié)構(gòu)中的所有內(nèi)容。
const char *GAME_LIBRARY = "./libgame.so";
struct game {
void *handle;
ino_t id;
struct game_api api;
struct game_state *state;
};
該handle是dlopen()的返回值，id是共享庫的索引節(jié)點(diǎn)，是stat()的返回值。其余的定義如上所示。為什么是索引節(jié)點(diǎn)？我們可以改用時(shí)間戳，但它是間接的。我們真正關(guān)心的是，共享對象文件實(shí)際上是否不同于已加載的文件。該文件永遠(yuǎn)不會(huì)在合適的位置進(jìn)行更新，而是被編譯器/連接器替換，所以時(shí)間戳并不重要。
使用索引節(jié)點(diǎn)比Handmade Hero簡單的多。由于Windows的損壞文件鎖定機(jī)制，游戲DLL在使用時(shí)不能被替換。要解決此限制，構(gòu)建系統(tǒng)和加載器不得不依賴于隨機(jī)生成的文件名。
void game_load(struct game *game)
該game_load()功能的目的是將游戲API加載到game結(jié)構(gòu)中，但前提是尚未加載游戲API或已對其進(jìn)行更新。由于它具有多個(gè)獨(dú)立的故障條件，因此我們將對其進(jìn)行部分檢查。
struct stat attr; if ((stat(GAME_LIBRARY, &attr) == 0) && (game->id != attr.st_ino)) {
首先，使用stat()來確定庫的索引節(jié)點(diǎn)是否不同于已加載的索引節(jié)點(diǎn)。該id字段最初將為0，因此只要stat()返回成功，它將首次加載該庫。
if (game->handle) {
game->api.unload(game->state);
dlclose(game->handle);
}
如果已經(jīng)加載了庫，請先將其卸載，請確保調(diào)用 unload()以通知庫正在更新。**確保Dlclose()在dlopen()之前調(diào)用是至關(guān)重要的。**在我的系統(tǒng)上，dlopen()僅查看給定的字符串，而不查看其背后的文件。即使文件已在文件系統(tǒng)上被替換，dlopen()也會(huì)看到該字符串與已打開的庫匹配，并返回指向舊庫的指針。（這是一個(gè)錯(cuò)誤嗎？）句柄由libdl在內(nèi)部進(jìn)行引用計(jì)數(shù)。
void *handle = dlopen(GAME_LIBRARY, RTLD_NOW);
最后加載游戲庫。由于dlopen()的限制，這里存在一個(gè)競態(tài)條件。在調(diào)用stat()之后，庫可能已經(jīng)再次更新。由于我們無法詢問dlopen()打開的庫的索引節(jié)點(diǎn)，因此我們無法得知。但是由于這只是在開發(fā)過程中使用，而不是在生產(chǎn)中使用，所以這沒什么大不了的。
if (handle) { game->handle = handle; game->id = attr.st_ino; */\* ... more below ... \*/* } else { game->handle = NULL; game->id = 0; }
如果dlopen()失敗，它將返回NULL。在ELF的情況下，如果編譯器/鏈接器仍在寫出到共享庫的過程中，則會(huì)發(fā)生這種情況。由于卸載已經(jīng)完成，這意味著game_load返回時(shí)不會(huì)加載任何游戲。該結(jié)構(gòu)的用戶需要為此做好準(zhǔn)備，它將需要稍后（即幾毫秒）再嘗試加載。當(dāng)未加載任何庫時(shí)，可以使用存根函數(shù)填充API。
const struct game_api *api = dlsym(game->handle, "GAME_API"); if (api != NULL) { game->api = *api; if (game->state == NULL) game->state = game->api.init(); game->api.reload(game->state); } else { dlclose(game->handle); game->handle = NULL; game->id = 0; }
當(dāng)庫無錯(cuò)誤加載時(shí)，查找前面提到的GAME_API結(jié)構(gòu)并將其復(fù)制到本地結(jié)構(gòu)中。在進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時(shí)，進(jìn)行復(fù)制而不是使用指針避免了一層重定向。如果尚未初始化游戲狀態(tài)，則調(diào)用reload()函數(shù)以通知游戲它剛剛被重新加載。
如果查找GAME_API失敗，請關(guān)閉句柄并將其視為失敗。
主循環(huán)每次都調(diào)用game_load()。它就是這樣！
int main(void)
{
struct game game = {0}; for (;;) {
game_load(&game); if (game.handle) if (!game.api.step(game.state)) break;
usleep(100000);
}
game_unload(&game); return 0;
}
現(xiàn)在，我已經(jīng)掌握了這項(xiàng)技術(shù)，很想用C語言和OpenGL去開發(fā)一個(gè)完整的游戲，或許是另一個(gè)極限游戲開發(fā)。交互式開發(fā)的能力真的很令人著迷。
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