Yuki Nakata's Blog

One color just reflects another

カテゴリ: プログラミング

スーパーマリオブラザーズ 人工知能で世界最速を目指そう!

 

これをマネしてやってみたいと思います。

ステージ1-1をクリアできることは確認しています。

スーパーマリオブラザーズ ステージ1-1世界最速を目指して見ましょう。

必要なものはFCEUXというエミュレーターとスーパーマリオブラザーズのロムです。 あとはメモ帳のようなテキストエディタです。

Win、Linux, Macでもできるでしょう。

FCEUXにはコミュニケーション機能が付いており、LuaScriptを使うことでゲームをコントロールすることができます。

私もLuaScriptは初めてでしたが、Pythonみたいなものと思って構いません。ほぼPythonです。

やってみて思ったのが非常に面白い。だってマリオが動くんですから。 300px-スクラッチキャット
スクラッチの猫を動かすようなものです。マリオを動かしてみましょう。

辛気臭いC言語やるよりよっぽど良いでしょう。 

まず初めはhelloworldを表示させます。

ファイル名は何でもいいのですが、SMB-GA.luaにしました。

print ("Hello World!")
スーパーマリオブラザーズを読み込んでSMB-GA.luaを実行するとHello Worldが表示されます。

 fceux1
マリオを右に動かしてみましょう。
print ("Hello World!")

--無限ループ
while true do
  joypad.set(1, {right=true})
  emu.frameadvance()
end 

スタートを押してゲームを開始、スクリプトを実行するとマリオが右へ進みます。
もちろん最初のクリボーにぶつかり、死にます。

ゲームを改造します。
マリオの残機を99にしてみましょう。

ToolからMemory Searchを起動します。
fceux2
アドレス075AのValueというところを見てください。2になっています。

この2がマリオの残り数を表示しています。ここを99にすると99人になります。
同じように点数を12345670、コインを99に変更します。

ゲームによってメモリーの意味が違ってきます。
Super Mario Bros.:RAM map このサイトを参考にするといいでしょう。

fceux3
print ("Hello World!")

--無限ループ
while true do
  joypad.set(1, {right=true})
  
  --マリオの残機を99に変更する
  memory.writebyte(0x075A, 99)
  
  --得点を12345670に変更する
  memory.writebyte(0x07DD, 1);
  memory.writebyte(0x07DE, 2);
  memory.writebyte(0x07DF, 3);
  memory.writebyte(0x07E0, 4);
  memory.writebyte(0x07E1, 5);
  memory.writebyte(0x07E2, 6);
  memory.writebyte(0x07E2, 7);
  
  --コインを99に変更する
  memory.writebyte(0x07ED, 9);
  memory.writebyte(0x07EE, 9);
  
  emu.frameadvance()
end 

ここまでくればできたようなもので、あとはクリアできるようにキーボード入力を入れたらいいだけです。もちろんそこは機械学習で最適化をさせていきます。

難しいです。ある程度こちらで動きを促してやらないと永久にクリアできません。
右を多く、大ジャンプを多くしてやります。

2016/11/23現在のプログラム
60世代ぐらいで1-1をクリアできるようになります。試してみてください。

require("auxlib");
print ("Hello World!")


key = {}

key["up"] = false;
key["left"] = false;
key["down"] = false;
key["right"] = false;
key["A"] = false;
key["B"] = false;
key["start"] = false;
key["select"] = false;

math.randomseed(os.time())


marioCross = {} --マリオの十字キー
marioA = {} --マリオのAボタン
marioB = {} --マリオのBボタン

marioCross2 = {} --マリオの十字キー コピー用
marioA2 = {} --マリオのAボタン コピー用
marioB2 = {} --マリオのBボタン コピー用

marioGeneration = 1 --世代
marioPlayer = 1
marioMaxPlayer = 20 --マリオ20体用意する
marioHalfPlayer = 20 / 2
marioValue1 = {} --評価値 右へ行くほど高くなる
marioValue2 = {} --評価値 降順ソート用
marioValue3 = {} --評価値 値が小さい程優秀なマリオ
totalValue = 0
averageValue = 0
averageValue2 = 0

marioDistance = 0 --マリオが進んだ距離
marioXPosition = 0 -- 0~最大値255までの値をとる
marioHPosition = 0 -- ステージ1-1は12分割される 0~12までの値をとる
totalInput = 100
frameCount = 1
p = 1
q = true
r = true
x = 1
y = 1
tableLen = 0
select = false


function tableReset(t)
for k in pairs (t) do
t[k] = nil
end
for i = 1, marioMaxPlayer do
t[i]  = {}
end
end

--マリオを20体生成する
function marioGenerator()
for i = 1, marioMaxPlayer do
marioCross[i]  = {} 
marioA[i] = {}
marioB[i] = {}
end
for i = 1, marioMaxPlayer do
for j = 1, totalInput do
 marioCross[i][j] = math.random(13)
 marioA[i][j] = math.random(20)
 marioB[i][j] = math.random(10)
 --print(i, j, marioA[i][j])
end
end
end

--マリオを遺伝的アルゴリズムで再生成する
function marioReGenerator()
--table.sort(marioValue2)
--降順でソートする
table.sort(marioValue2, function (a,b) return a>b end)
--print(marioValue1)
--print(marioValue2)
totalValue = 0
averageValue = 0
for i = 1, marioMaxPlayer do
for j = 1, marioMaxPlayer do
 if(marioValue1[i] == marioValue2[j]) then
  marioValue3[i] = j
 end
end
totalValue = totalValue + marioValue1[i]
end
--print(marioValue3)
averageValue = totalValue / marioMaxPlayer
print(marioGeneration.." Generation  averageValue  "..averageValue)
tableReset(marioCross2)
tableReset(marioA2)
tableReset(marioB2)
--優秀なマリオ 1~8位までをコピーする
p = 1
for i = 1, marioMaxPlayer do
if( marioValue3[i] <= 8) then
marioCross2[p] = marioCross[i]
marioA2[p] = marioA[i]
marioB2[p] = marioB[i]
p = p + 1
end
end
tableReset(marioCross)
tableReset(marioA)
tableReset(marioB)
--いわゆる交叉 xとyが選ばれた親マリオの変数
for i = 1, marioMaxPlayer do
x = math.random(8)
y = math.random(8)
for j = 1, totalInput / 2 do
marioCross[i][j] = marioCross2[x][j]
marioA[i][j] = marioA2[x][j]
marioB[i][j] = marioB2[x][j]
end
for j = totalInput / 2, totalInput do
marioCross[i][j] = marioCross2[y][j]
marioA[i][j] = marioA2[y][j]
marioB[i][j] = marioB2[y][j]
end
end
--突然変異
for i = 1, marioMaxPlayer do
for j = 1, totalInput do
r = math.random(100)
if (r == 3) then
marioCross[i][j] = math.random(13)
 marioA[i][j] = math.random(20)
 marioB[i][j] = math.random(10)
end
end
end
if(averageValue2 < averageValue ) then
totalInput = totalInput + 50
end
averageValue2 = averageValue
--print(totalInput)
tableLen =table.maxn(marioCross[1])
--print(tableLen)
for i = 1, marioMaxPlayer do
for j = tableLen + 1, totalInput do
 marioCross[i][j] = math.random(13)
 marioA[i][j] = math.random(20)
 marioB[i][j] = math.random(10)
 --print(i, j, marioA[i][j])
end
end
end

--評価値を計算する
function calculateValue()
marioXPosition = memory.readbyte(0x0086)
--0x006D mario Position max 12
  marioHPosition = memory.readbyte(0x006D)
  marioDistance = marioHPosition * 256 + marioXPosition
  marioValue1[marioPlayer] = marioDistance
  marioValue2[marioPlayer] = marioDistance
  --print(marioPlayer, marioValue1[marioPlayer])
end

--変数初期化 ソフトリセット
function resetFunction()
  marioHPosition = 0
  marioXPosition = 0
  marioDistance = 0
  --totalInput = totalInput + 10
  --marioGenerator()
  
  if(marioPlayer < marioMaxPlayer) then
  --print(marioPlayer)
  marioPlayer = marioPlayer + 1
  else
  --世代交代
 
  marioReGenerator()
  marioPlayer = 1
  marioGeneration = marioGeneration + 1
  end
  emu.softreset()
  frameCount = 1
end


function testiup()
function turboAction(self, a) 
emu.speedmode("maximum")
gui.text(10,10,"pressed me!");
end;
function normalAction(self, a) 
emu.speedmode("normal")
gui.text(10,10,"pressed me!");
end;
-- Create a button
turboButton = iup.button{title="Turbo Speed Button"};
-- Set the callback
turboButton.action = turboAction;
normalButton = iup.button{title="Normal Speed Button"};
normalButton.action = normalAction;
box = iup.vbox {turboButton,normalButton}
-- Create the dialog
dialogs = dialogs + 1;
handles[dialogs] = iup.dialog{ box, title="IupDialog Title"; };
-- Show the dialog (the colon notation is equal 
-- to calling handles[dialogs].show(handles[dialogs]); )
handles[dialogs]:show();

end

testiup();
marioGenerator()

while true do
--if (marioPlayer == 1) then
--print(marioGeneration.."generation")
--end
--print(marioPlayer)
local joy = joypad.read(1)
if (joy["select"]) then
if (select == true) then
emu.speedmode("nothrottle")
gui.text(10,10,"High Speed")
else
emu.speedmode("normal")
gui.text(10,10,"Normal Speed")
end
select = not select
end
--入力が無くなった場合と死亡した場合、評価値を算出しリセット
if(totalInput < frameCount or memory.readbyte(0x075A) == 1) then
memory.writebyte(0x075A, 8)
--print(marioPlayer, totalInput, frameCount, memory.readbyte(0x075A))
    calculateValue()
    resetFunction()
  end

key["up"] = false;
key["down"] = false;
if( marioCross[marioPlayer][frameCount] == 1) then
key["left"] = true;
key["right"] = false;
else
key["right"] = true;
key["left"] = false;
  end

  if(marioA[marioPlayer][frameCount] == 1) then
key["A"] = false;
else
key["A"] = true;
end

  if(marioB[marioPlayer][frameCount] == 1 ) then
key["B"] = false;
else 
key["B"] = true;
end

  -- Execute instructions for FCEUX
  joypad.set(1, key)

  
  

  --スタート画面に戻ったらスタートボタンを押す
  if(memory.readbyte(0x07F8) == 4 and memory.readbyte(0x07F9) == 0  and memory.readbyte(0x07FA) == 1) then
    joypad.set(1, {start = true})
    --print("reset")
    frameCount = 1
  end

  emu.frameadvance() -- This essentially tells FCEUX to keep running

  --print (memory.readbyte(0x0086));

  frameCount = frameCount + 1

素数を渦巻き状に並べて、素数に色を付けていくと対角線や水平線
が現れるようです。
 Ulam_1
これがウラムの螺旋。

こういう視覚情報を伴ったプログラミングはprocessingと相場が決まっていますので、processingでプログラミングしてみましょう。

ウラムの螺旋 wikipedia

wikipediaを見ると左回りですが、右回りでも良さそうです。

プログラミングをすると下の図のように感じになります。数字6000までやってみました。

確かに対角線っぽいものが現れる。
 ulam_spiral

processing 3.01で動作確認しています。

//素数らせんプログラム
final int maxx = 800;
final int maxy = 800;


int i = 0;
int[][] cell = new int[80][80];
int[][] flag = new int[80][80];
int[][] prime = new int[80][80];
int tmpX, tmpY;

int x = 40;
int y = 40;
//数字の進む方向 右 -> 下 -> 左 -> 上 の順に進む
int direction = 0;

void setup(){
  size(800, 800);
  //frameRate(20);
  background(255);
  noLoop();
}

boolean isPrime(int num) {
  int x;
  
  if ( num < 2){
    return false;
  } else if (num == 2 || num == 3) {
    return true;
  } else if (num % 2 == 0 || num % 3 == 0) {
    return false;
  } else {
    for ( x = 5; x * x <= num; x+= 6) {
      if(num % 5 == 0|| num %(x + 2) == 0) {
        return false;
      }
    }
  }
  return true;
  
}

void mouseMoved() {
  if(tmpX != (mouseX / 10) || tmpY != (mouseY / 10)) {
    println(cell[mouseX / 10][mouseY / 10] + " " + prime[mouseX / 10][mouseY / 10]);
    tmpX = mouseX / 10;
    tmpY = mouseY / 10;
  }
}
void draw() {
  
  fill(255, 0, 0);
  
  for ( i = 0; i < (maxx / 10); i++) {    
    line( i * 10, 0, i * 10, 800);
  }
   
  for ( i = 0; i < (maxy  / 10); i++) {
    line(0, i * 10, 800, i * 10);
  }
  
  for (i = 0; i < 6000; i++) {
    if(isPrime(i)) { //素数のとき
      
      rect(x * 10, y * 10, 10, 10);
      prime[x][y] = 1;
    }
    cell[x][y] = i;
    flag[x][y] = 1;
    if(direction == 0) { //右に進む
      if(flag[x + 1][y] == 0) {
        x += 1;
        direction = 1;        
      } else {
        y += -1;
      }      
    }else if(direction == 1) {//下に進む
      if(flag[x][y + 1] == 0) {
        y += 1;
        direction = 2;       
      } else {
        x += 1;
      }      
    }else if(direction == 2) { //左に進む
      if(flag[x - 1][y] == 0) {
        x += -1;
        direction = 3;
      } else {
        y += 1;
      }
    }else if(direction == 3) {  //上に進む
      if(flag[x][y - 1] == 0) {
        y += -1;
        direction = 0;
      }else {
        x += -1;
      }
    }
  }
  

}

次はyoutubeで見つけた吉原宏治さんの素数はスパイラル上にきれいに並んでいた、面白そうでなのプログラミングしてみます。


spiral3
このスパイラルを再現してみたいと思います。

ただの素数ではなくて、ここからnを求めるようです。
spiral2
nの求め方 
素数11の場合、n = ((11^2) - 1) / 24   
n = 5となります。 5の数字で色を塗ります。

もう一つ 素数13の場合、 n = ((13^2) - 1) / 24
n = 7 7の数字で色を塗ります。

400までやってみた結果が下の図。
primespiral6


//素数らせんプログラム

// [20, 20]のマスを用意、スタート地点[10, 10]から右回りに進む。

final int maxx = 400;
final int maxy = 400;

int maxnumber = 400;  //最大値
int[] color4 = new int[maxnumber * maxnumber];
int[] primeflag = new int[maxnumber * maxnumber];
int n;

int i = 0;
int[][] cell = new int[40][40];
int[][] flag = new int[40][40];
int[][] prime = new int[40][40];
int tmpX, tmpY;

int x = 10;  //スタート地点x
int y = 10;  //スタート地点y
int cellsize = 20;
//数字の進む方向 右 -> 下 -> 左 -> 上 の順に進む
int direction = 0;

void setup(){
  size(400, 400);
  //frameRate(20);
  background(255);
  noLoop();
  
  for (i = 0; i < maxnumber; i++) {
    if(isPrime(i)) {
      n = ((i * i) - 1) / 24;
      primeflag[n] = 1;
      if(i % 10 == 1) {
        color4[n] = 1;
      } else if (i % 10 == 3) {
        color4[n] = 3;
      } else if (i % 10 == 7) {
        color4[n] = 7;
      } else if (i % 10 == 9) {
        color4[n] = 9;
      }
    }
  }
}

boolean isPrime(int num) {
  int x;
  
  if ( num < 2){
    return false;
  } else if (num == 2 || num == 3) {
    return true;
  } else if (num % 2 == 0 || num % 3 == 0) {
    return false;
  } else {
    for ( x = 5; x * x <= num; x+= 6) {
      if(num % 5 == 0|| num %(x + 2) == 0) {
        return false;
      }
    }
  }
  return true;
  
}

void mouseMoved() {
  if(tmpX != (mouseX / cellsize) || tmpY != (mouseY / cellsize)) {
    println(cell[mouseX / cellsize][mouseY / cellsize] + " " + prime[mouseX / cellsize][mouseY / cellsize]);
    tmpX = mouseX / cellsize;
    tmpY = mouseY / cellsize;
  }
}
void draw() {
  
  fill(255, 0, 0);
  
  for ( i = 0; i < (maxx / cellsize); i++) {    
    line( i * cellsize, 0, i * cellsize, 400);
  }
   
  for ( i = 0; i < (maxy  / cellsize); i++) {
    line(0, i * cellsize, 800, i * cellsize);
  }
  
  for (i = 0; i < maxnumber; i++) {
    if(primeflag[i] == 1) { //素数のとき
      //print (i);
      if(color4[i] == 1) {
        fill(255, 0, 0);
      } else if (color4[i] == 3) {
        fill(255, 255, 0);
      } else if (color4[i] == 7) {
        fill(255, 0, 255);
      } else if (color4[i] == 9) {
        fill(0, 255, 255);
      }
      rect(x * cellsize, y * cellsize, cellsize, cellsize);
      prime[x][y] = 1;
    }
    cell[x][y] = i;
    flag[x][y] = 1;
    if(direction == 0) { //右に進む
      if(flag[x + 1][y] == 0) {
        x += 1;
        direction = 1;        
      } else {
        y += -1;
      }      
    }else if(direction == 1) {//下に進む
      if(flag[x][y + 1] == 0) {
        y += 1;
        direction = 2;       
      } else {
        x += 1;
      }      
    }else if(direction == 2) { //左に進む
      if(flag[x - 1][y] == 0) {
        x += -1;
        direction = 3;
      } else {
        y += 1;
      }
    }else if(direction == 3) {  //上に進む
      if(flag[x][y - 1] == 0) {
        y += -1;
        direction = 0;
      }else {
        x += -1;
      }
    }
  }
  
}

数字4600までやってみたのが下の図。 

確かに綺麗にスパイラルになっています。
 primespiral7

//素数らせんプログラム

// [80, 80]のマスを用意、スタート地点[40, 40]から右回りに進む。
//一つ進むごとに右 -> 下 -> 左 -> 上と進行方向を変える。
//既に数字が埋まっている場合には、方向を変えず直進する。これを繰り返す。

final int maxx = 800;
final int maxy = 800;
final int cellsize = 10;

int x = 40;  //スタート地点x
int y = 40;  //スタート地点y

int maxnumber = 4600;  //最大値
int[] color4 = new int[maxnumber * maxnumber];
int[] primeflag = new int[maxnumber * maxnumber];
int n;

int i = 0;
int[][] cell = new int[80][80];
int[][] flag = new int[80][80];
int[][] prime = new int[80][80];
int tmpX, tmpY;

//数字の進む方向 右 -> 下 -> 左 -> 上 の順に進む
int direction = 0;

void setup(){
  size(800, 800);
  //frameRate(20);
  background(255);
  noLoop();
  
  //最初に素数からnを求める
  for (i = 0; i < maxnumber; i++) {
    if(isPrime(i)) {
      n = ((i * i) - 1) / 24;
      primeflag[n] = 1;
      if(i % 10 == 1) {
        color4[n] = 1;
      } else if (i % 10 == 3) {
        color4[n] = 3;
      } else if (i % 10 == 7) {
        color4[n] = 7;
      } else if (i % 10 == 9) {
        color4[n] = 9;
      }
    }
  }
}

//素数判定
boolean isPrime(int num) {
  int x;
  
  if ( num < 2){
    return false;
  } else if (num == 2 || num == 3) {
    return true;
  } else if (num % 2 == 0 || num % 3 == 0) {
    return false;
  } else {
    for ( x = 5; x * x <= num; x+= 6) {
      if(num % 5 == 0|| num %(x + 2) == 0) {
        return false;
      }
    }
  }
  return true;
  
}

//マウスが動いたらコンソールに数字を表示
void mouseMoved() {
  if(tmpX != (mouseX / cellsize) || tmpY != (mouseY / cellsize)) {
    println(cell[mouseX / cellsize][mouseY / cellsize] + " " + prime[mouseX / cellsize][mouseY / cellsize]);
    tmpX = mouseX / cellsize;
    tmpY = mouseY / cellsize;
  }
}

void draw() {
  
  fill(255, 0, 0);
  
  for ( i = 0; i < (maxx / cellsize); i++) {    
    line( i * cellsize, 0, i * cellsize, 800);
  }
   
  for ( i = 0; i < (maxy  / cellsize); i++) {
    line(0, i * cellsize, 800, i * cellsize);
  }
  
  for (i = 0; i < maxnumber; i++) {
    
    //nの数字のとき、色でマスを塗る。
    if(primeflag[i] == 1) {
      //print (i);
      if(color4[i] == 1) {//赤
        fill(255, 0, 0);
      } else if (color4[i] == 3) {//黄色
        fill(255, 255, 0);
      } else if (color4[i] == 7) {//紫
        fill(255, 0, 255);
      } else if (color4[i] == 9) {//水色
        fill(0, 255, 255);
      }
      rect(x * cellsize, y * cellsize, cellsize, cellsize);
      prime[x][y] = 1;
    }
    cell[x][y] = i;
    flag[x][y] = 1;
    if(direction == 0) { //右に進む
      if(flag[x + 1][y] == 0) {
        x += 1;
        direction = 1;        
      } else {
        y += -1;
      }      
    }else if(direction == 1) {//下に進む
      if(flag[x][y + 1] == 0) {
        y += 1;
        direction = 2;       
      } else {
        x += 1;
      }      
    }else if(direction == 2) { //左に進む
      if(flag[x - 1][y] == 0) {
        x += -1;
        direction = 3;
      } else {
        y += 1;
      }
    }else if(direction == 3) {  //上に進む
      if(flag[x][y - 1] == 0) {
        y += -1;
        direction = 0;
      }else {
        x += -1;
      }
    }
  }
  
}


   

探偵ナイトスクープで素数をやっていました。これを見たのがきっかけです。

これも簡単にprocessingでできてしまいます。やってみましょう。 

ラズベリーパイでechoサーバーを作ろう の続きです。

引き続きネットワークプログラミングです。ファイルを転送するプログラムです。

普通はftpとかfilezillaを使ってファイルを転送するわけですが、シンプルなものであればプログラミングで作れます。

前回は文字列を送受信するプログラムを作りました。

文字列をファイルに置き換えるとできます。

結局やっていることはソケットを使ってread, writeしているだけです。

ネットワークにつないでしまえば、後はどうにかなります。

サーバー側です。cpserver.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>


#define PORT 9877

int main(){
  
  int i = 0;
  int srcSocket;
  int dstSocket;
  
  struct sockaddr_in srcAddr;
  struct sockaddr_in dstAddr;
  int dstAddrSize = sizeof(dstAddr);
  // 各種パラメータ
  int status;
  int numrcv;
  char buf[1024];
  int len = 0;
  int size = 0;
  char filename[64];
  int fp;
  unsigned long filesize = 0;
  unsigned long totalrcv = 0;

  // sockaddr_in 構造体のセット
  bzero((char *)&srcAddr, sizeof(srcAddr));
  srcAddr.sin_port = htons(PORT);
  srcAddr.sin_family = AF_INET;
  srcAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    
  srcSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  bind(srcSocket, (struct sockaddr *)&srcAddr, sizeof(srcAddr));
  listen(srcSocket, 1);
  // 接続の受付け
  printf("接続を待っています\nクライアントプログラムを動かして下さい\n");
  dstSocket = accept(srcSocket, (struct sockaddr *)&dstAddr, &dstAddrSize);
  printf("%s から接続を受けました\n",inet_ntoa(dstAddr.sin_addr));

  while(1) {
memset(filename, 0, sizeof(filename));
len = read(dstSocket, buf, 2);
if(len < 0) {
 printf("エラー: ファイル名のエラーです。\n");
 return -1;
}

size = buf[0] << 8;      
    size |= buf[1];
len = read(dstSocket, buf, 4);
if(len < 0) {
 printf("エラー: ファイルサイズのエラーです。\n");
 return -1;
}
filesize = buf[0] << 24;
filesize |= buf[1] << 16;
filesize |= buf[2] << 8;
filesize |= buf[3];
printf("filesize = %ld byte\n", filesize);

len = read(dstSocket, filename, size);
if (len < 0) {
 printf("エラー: ファイル名を取得できませんでした。");
 return -1;
} else if (!strcmp(filename, "quit")) {
 printf("プログラムを終了します。\n\n");
 return 0;
}
printf("filename = %s\n", filename);

/* 書き込みファイルを開く */
if ((fp = open (filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666)) < 0) {
 printf("エラー ファイルを作成できません");
 return -1;
}

totalrcv = 0;
while(1){
 //パケットの受信
 numrcv = read(dstSocket, buf, 1024);
 //printf("%d %d\n", i, numrcv);
 if(numrcv <= 0 ){
break;
 }

 write(fp, buf, numrcv);
 totalrcv += numrcv;
 if(totalrcv >= filesize) {
printf("%s 転送完了\n\n", filename);
break;
 }
}
close(fp);
  }

  close(srcSocket);
  return(0);
}


クライアント側です。 cpclient.c
 
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define PORT 9877 //サーバープログラムとポート番号を合わせてください
char buf[1024];
char filesize[4];

int main(){
  char destination[32] = "192.168.0.10";//サーバーのIPアドレスを入れて下さい。
  //ソケット,sockaddr_in 構造体
  int dstSocket;
  struct sockaddr_in dstAddr;
  struct hostent *hp;
  int    numrcv;
  char filename[100];
  int len = 0;
  int fp;
  int size;
  struct stat statBuf;

  //sockaddr_in 構造体のセット
  bzero((char *)&dstAddr, sizeof(dstAddr));
  dstAddr.sin_family = AF_INET;
  dstAddr.sin_port = htons(PORT);
  
  hp = gethostbyname(destination);
  bcopy(hp->h_addr, &dstAddr.sin_addr, hp->h_length);

  //ソケットの生成
  dstSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  
  //接続
  if (connect(dstSocket, (struct sockaddr *)&dstAddr, sizeof(dstAddr)) < 0){
    printf("%s に接続できませんでした\n",destination);
    return(-1);
  }
  printf("%s に接続しました\n",destination);
  
  while(1) {
    len = 0;
    memset(filename, 0, sizeof(filename));

    printf("送信するファイル名を入力してください\n");
    printf("quitで終了します\n\n");
    scanf("%s",filename);

    if (!strcmp(filename, "quit")) {
      printf("->bye\n");
      write(dstSocket, "00quit", 6);
      close(dstSocket);
      break;
    }
    while(filename[len] != '\0') {
      len++;
    }
    len++;
    buf[0] = (len >> 8) & 0xFF;
    buf[1] = len & 0xFF;
  
    fp = open(filename, O_RDONLY);
    if (fp < 0) {
      printf("エラー: ファイルを開けません\n");
      return(-1);
    }
    
    
    fstat(fp, &statBuf);
    printf("filesize = %ld byte\n", statBuf.st_size);
    filesize[0] = (statBuf.st_size >> 24 ) & 0xFF;
    filesize[1] = (statBuf.st_size >> 16 ) & 0xFF;
    filesize[2] = (statBuf.st_size >> 8) & 0xFF;
    filesize[3] = statBuf.st_size & 0xFF;
    

    write(dstSocket, buf, 2);
    write(dstSocket, filesize, 4);
    write(dstSocket,filename, len);
    while (1){
      /* ファイルから読み込み */
      size = read (fp, buf, sizeof(buf));
      /* データが無ければループを抜ける */
      if (size <= 0) {
break;
      }
      //パケットの送信
      write(dstSocket, buf, size);
            
    }
    write(dstSocket,"filetransferred", sizeof("filetransferred"));
    printf("%s 転送完了しました\n\n",filename);
    close(fp);
  }
  close(dstSocket);
  return(0);
}

cpclientと同じディレクトリにファイルを置いておきます。
あとは実行してファイル名を指定するとをサーバー側にコピーすることができます。
 
実行例
./cpclient

送信するファイル名を入力してください
quitで終了します

crazy.mp3
filesize = 6211191 byte
crazy.mp3 転送完了しました
 

wgetのようなダウンロードプログラムを作ろう の続きです

ラズベリーパイを持っているなら、ネットワークプログラミングをしてみましょう。
echoサーバーとはネットワークにつながっているか確認するプログラムです。

TCP/IPネットワークプログラミング ここを改造しました。

変更点は何度も接続できるようにしたのと、クライエントからquit文字列を送ると切断できるようにしました。


echoserver.c 
ラズベリーパイで実行します。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define PORT 9876

int main(){
    int i;
    int srcSocket;
    int dstSocket;
  
    struct sockaddr_in srcAddr;
    struct sockaddr_in dstAddr;
    int dstAddrSize = sizeof(dstAddr);
    // 各種パラメータ
    int status;
    int numrcv;
    char buf[1024];

  //sockaddr_in 構造体のセット
    bzero((char *)&srcAddr, sizeof(srcAddr));
    srcAddr.sin_port = htons(PORT);
    srcAddr.sin_family = AF_INET;
    srcAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    
    srcSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bind(srcSocket, (struct sockaddr *)&srcAddr, sizeof(srcAddr));
    listen(srcSocket, 1);


while(1){
// 接続の受付け
    printf("接続を待っています\nクライアントプログラムを動かして下さい\n");
    dstSocket = accept(srcSocket, (struct sockaddr *)&dstAddr, &dstAddrSize);
    printf("%s から接続を受けました\n",inet_ntoa(dstAddr.sin_addr));
    
        
    while(1){
//パケットの受信
      numrcv = read(dstSocket, buf, 1024);
if(numrcv ==0 || numrcv ==-1 ){
close(dstSocket);
break;
}
if(!strcmp(buf, "quit")) {
write(dstSocket, "bye\n", 1024);
close(dstSocket);
break;
}
     
printf("変換前 %s", buf);
for (i = 0; i < numrcv; i++) {
if(isalpha(buf[i])) {
buf[i] = toupper(buf[i]);
}
}
      
// パケットの送信
    write(dstSocket, buf, 1024);
      fprintf(stdout,"> %s\n\n",buf);
}
}
close(srcSocket);
return(0);



echoclient.c 
PC側で実行します。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>

#define PORT 9876 //サーバープログラムとポート番号を合わせてください

int main(){
char destination[32] = "192.168.0.10";//サーバーマシンのIPアドレスを入れます。

//ソケット,sockaddr_in 構造体
int dstSocket;
struct sockaddr_in dstAddr;

//struct sockaddr_in addr;
  struct hostent *hp;
  char   buf[1024];
int    numrcv;

// 相手先アドレスの入力と送る文字の入力
  //printf("サーバーマシンのIPは?:");
//scanf("%s", destination);
  
  //sockaddr_in 構造体のセット
bzero((char *)&dstAddr, sizeof(dstAddr));
dstAddr.sin_family = AF_INET;
dstAddr.sin_port = htons(PORT);
  
  hp = gethostbyname(destination);
bcopy(hp->h_addr, &dstAddr.sin_addr, hp->h_length);

//ソケットの生成
dstSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  
  //接続
  if (connect(dstSocket, (struct sockaddr *)&dstAddr, sizeof(dstAddr)) < 0){
  printf("%s に接続できませんでした\n",destination);
    return(-1);
}
printf("%s に接続しました\n",destination);
printf("適当なアルファベットを入力してください\n");
  
while (1){
    scanf("%s",buf);
    //パケットの送信
    write(dstSocket, buf, 1024);
    //パケットの受信
    numrcv = read(dstSocket, buf, 1024);
if (!strcmp(buf, "bye\n")) {
printf("bye\n");
break;
}
    printf("→ %s\n\n",buf);
}
close(dstSocket);
return(0);
}



たまにはプログラミングでもしてみまっか。

linuxユーザーでしたらwgetを使ったことがあると思います。

mywgetを作ってみましょう。30分コースです。

ネットワークプログラミングなわけですが、socketを使います。

普通linuxでファイルを扱うときにはopenしてread, writeします。socketはそのネットワーク版です。

socketを使うとネットワーク越しにread, writeできるわけです。linuxでは何でもファイル扱いです。

ハガキを送ることを考えてみましょう。相手の住所と名前が必要です。

socketの場合にはIPアドレスとポート番号が必要です。

yahoo.co.jpなどのドメインはgethostbyname関数一発でIPアドレスに変換できます。

ポート番号は80で固定です。


あとは普通アドレスはhttp://なんちゃらという形をしています。

これはhttpプロトコルを使うよ、ということです。

httpプロトコルではGETコマンドを送るとデータを返してくれるようになっています。

ネットワークプログラミングといってもこんなもんです。

さっそくソースコードを見てみましょう。
/* mywget

./mywget http://xxx/aaa.html
html, htm, zip, jpg, gifなどのようにファイル名を指定してください。

./mywget http://xxx/aaa/
スラッシュで終わる場合にはファイル名の関係からエラーになるようにしています。

*/

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netdb.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>


#define BUF_LEN 1024

int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
int s;
int i = 0;
long int diff = 0;
char *p;
char host[BUF_LEN];
char path[BUF_LEN];
char filename[BUF_LEN];

char host_path[BUF_LEN];
char send_buf[BUF_LEN];

struct hostent *servhost;
struct sockaddr_in server;
unsigned short port = 80;

if (argc != 2) {
printf("URLを指定してください。\n");

return -1;
}

if (strstr(argv[1], "http://") && sscanf(argv[1], "http://%s", host_path)) {
p = strchr(host_path, '/');

if( p != NULL) {
strcpy(path, p);
*p = '\0';
}

strcpy(host, host_path);

p = strrchr(path, '/');
if(p != NULL) {
strcpy(filename, ++p);
} else {
strcpy(filename, path);
}
} else {
printf("URLはhttp://host/pathの形式で指定してください。\n");
return -1;
}

printf("\nhost = %s\n", host);
printf("path = %s\n", path);
printf("filename = %s\n", filename);

servhost = gethostbyname(host);
if(servhost == NULL) {
printf("[%s]からIPアドレスの変換に失敗しました。\n", host);
return -1; 
}

printf("IP Address %d.%d.%d.%d\n", (u_char)servhost->h_addr[0], (u_char)servhost->h_addr[1], (u_char)servhost->h_addr[2], (u_char)servhost->h_addr[3]);
bzero(&server, sizeof(server));

server.sin_family = AF_INET;

bcopy(servhost->h_addr, &server.sin_addr, servhost->h_length);

server.sin_port = htons(port);
 
/* ソケット生成 */
if ((s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
printf("ソケットの生成に失敗しました。\n");
return -1;
}

/* サーバーに接続 */
if ( connect(s, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1) {
printf("connectに失敗しました\n");
return -1;
}

/* httpプロコトル コマンド送信 */
sprintf(send_buf, "GET %s HTTP/1.0\r\n", path);
write(s, send_buf, strlen(send_buf));

sprintf(send_buf, "Host: %s:%d\r\n",  host, port);
write(s, send_buf, strlen(send_buf));

sprintf(send_buf, "\r\n");
write(s, send_buf, strlen(send_buf));

fd = open(filename, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, S_IRWXU|S_IRGRP|S_IXGRP|S_IROTH|S_IXOTH);
if (fd < 0) {
printf("open error\n");
return -1;
}

p = NULL;
while(1) {
char buf[BUF_LEN];
int read_size;

read_size = read(s, buf, BUF_LEN);

if (read_size > 0) {
if( i == 0) {
if(strstr(buf, "200") && strstr(buf, "OK")) {
p = strstr(buf, "\r\n\r\n");
if ( p != NULL) {
diff = p - buf;
p += 4;
write(fd, p, read_size - diff - 4);
}
} else {
break;
printf("http error\n");
}
} else {
write(fd, buf, read_size);
}
} else {
break;
}
i++;
}
close(fd);
close(s);
return 0;


return 0;
}

面倒くさいのがGETコマンドを送るとレスポンスヘッダ(ゴミ)とデータ(これが欲しい)を返してきます。

レスポンスヘッダとは問題ないよ、とか時刻とかファイルサイズとかファイルタイプ(jpgだよー)とかから構成されています。

レスポンスヘッダとデータを一緒に送ってきます。なのでレスポンスヘッダとデータを分離する必要があります。

それがwhile文の中のi = 0のときの処理です。

"\r\n\r\n"がレスポンスヘッダの終わりのしるしなので、それ以前を除去しています。

愛着のあるmywgetを使いましょう、ということです。

ネットワークプログラミング 続きます。



 

youtube
Youtube APIを使って検索してみよう。

LOVE802 でもYoutube APIを使っています。

YoutubeのAPIが公開されています。いろんな機能があるんですが、検索してみましょう。

プログラミング言語PHPを使っています。あとAPIを利用するのにYoutube のキーが必要になります。

世界一簡単な説明です。15分コース。

 Google API Console を開きプロジェクトを作成します。

createproject
プロジェクトを作成します。

youtube1
Youtube Data APIをクリック。最初は全てAPI機能がオフになっています。使うAPIを有効にしなければなりません。

youtube2
もちろん有効にするをクリック。

youtube3
認証情報に進むをクリック。
youtube4

ウェブブラウザにして、一般公開データにチェック。 
必要な認証情報をクリック。

 youtube5
名前はそのままでもいいです。APIキーを作成する。をクリック。

次の画面でAPIキーが表示されるはずです。そのキーが必要。

 であとは、PHPでプログラムを作ります。

たった5行です。

"かわいい 猫"でyoutube動画を検索しています。keyにあなたのキーを張り付けてください。

<?php
  mb_internal_encoding("UTF-8");
  $key = "Your Youtube Key";
  $query = urlencode("かわいい")."+".urlencode("猫");
  $xml = file_get_contents("https://www.googleapis.com/youtube/v3/search?part=snippet&q=".$query."&key=".$key);
  print($xml);
?> 

$xmlにAPIの結果が返ってきますので、ごにょごにょやって好きにデータを利用してください。 

Youtube API Search 

linux glibcのrand関数のソースコードを読んでみましょう。

どうやって乱数を生成しているのか調べてみましょう。全く怖くありません。

まず乱数についてですが、真性乱数と擬似乱数に分類されます。glibcの乱数は周期性があるため擬似乱数となります。優秀な擬似乱数としてはメルセンヌ・ツイスタ乱数があります。暗号に使われるのは真性乱数の方ですね。難しそうな説明はここまで。w

glibc ダウンロードディレクトリ glibc-2.22.tar.gz

rand関数は解凍してstdlibディレクトリのrandom.cとrandom_r.cに書かれています。

ソースコードを読む、というよりパクって実装して動かしてみると理解できます。

まず今は使われていない昔のrand関数を書いていきます。
oldrand.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/* x**31 + x**3 + 1.  */
#define    TYPE_3        3
#define    BREAK_3        128
#define    DEG_3        31
#define    SEP_3        3

//実はこの乱数テーブルをいじっているだけ 昔の乱数は2番目の-1726662223しか使っていない
static int32_t  randtbl[DEG_3 + 1] =
  {
    TYPE_3,

    -1726662223, 379960547, 1735697613, 1040273694, 1313901226,
    1627687941, -179304937, -2073333483, 1780058412, -1989503057,
    -615974602, 344556628, 939512070, -1249116260, 1507946756,
    -812545463, 154635395, 1388815473, -1926676823, 525320961,
    -1009028674, 968117788, -123449607, 1284210865, 435012392,
    -2017506339, -911064859, -370259173, 1132637927, 1398500161,
    -205601318,
  };

static struct random_data unsafe_state =
  {
    .fptr = &randtbl[SEP_3 + 1],
    .rptr = &randtbl[1],

    .state = &randtbl[1],

    .rand_type = TYPE_3,
    .rand_deg = DEG_3,
    .rand_sep = SEP_3,

    .end_ptr = &randtbl[sizeof (randtbl) / sizeof (randtbl[0])]
};

void oldrand(struct random_data *buf, int *result)
{
  int *state;

  state = buf->state;
  int val = state[0];
  val = ((state[0] * 1103515245) + 12345) & 0x7fffffff;  //randtbl[1]をごちゃごちゃいじっているだけ
  state[0] = val;
  *result = val;
}

int main()
{
  int i, result;

  for (i = 0; i < 10; i++) {
    oldrand(&unsafe_state, &result);
    printf("oldrand = %d\n", result);
  }

  return 0;
}

$ gcc oldrand.c -o oldrand
./oldrand
oldrand = 897822358
oldrand = 105331223
oldrand = 617672196
oldrand = 1888665581
oldrand = 1128537634
oldrand = 1434149043
oldrand = 980477552
oldrand = 1927835113
oldrand = 1772747374
oldrand = 1723946255

これが昔のrand関数です。randtblという乱数テーブルを用意していますが、たった一つしか使っていません。
val = ((state[0] * 1103515245) + 12345) & 0x7fffffff;
ここで数字をいじっているだけです。

次は現在使われている乱数
myrand.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/* x**31 + x**3 + 1.  */
#define    TYPE_0        0
#define    TYPE_3        3
#define    BREAK_3        128
#define    DEG_3        31
#define    SEP_3        3

//実はこの乱数テーブルをいじっているだけ ポインタを使って順送りしているだけ。最後まで行ったら最初に戻る
static int32_t randtbl[DEG_3 + 1] =
  {
    TYPE_3,

    -1726662223, 379960547, 1735697613, 1040273694, 1313901226,
    1627687941, -179304937, -2073333483, 1780058412, -1989503057,
    -615974602, 344556628, 939512070, -1249116260, 1507946756,
    -812545463, 154635395, 1388815473, -1926676823, 525320961,
    -1009028674, 968117788, -123449607, 1284210865, 435012392,
    -2017506339, -911064859, -370259173, 1132637927, 1398500161,
    -205601318,
  };

static struct random_data unsafe_state =
  {
    .fptr = &randtbl[SEP_3 + 1],
    .rptr = &randtbl[1],

    .state = &randtbl[1],

    .rand_type = TYPE_3,
    .rand_deg = DEG_3,
    .rand_sep = SEP_3,

    .end_ptr = &randtbl[sizeof (randtbl) / sizeof (randtbl[0])]
};

void myrand(struct random_data *buf, int *result)
{
  int *state;


      int32_t *fptr = buf->fptr;
      int32_t *rptr = buf->rptr;
      int32_t *end_ptr = buf->end_ptr;
      int32_t val;

      val = *fptr += *rptr;
      /* Chucking least random bit.  */
      *result = (val >> 1) & 0x7fffffff;  //ここで数字をいじる。他はポインタの書き換えでしかない
      ++fptr;
      if (fptr >= end_ptr) {
           fptr = state;
            ++rptr;
        } else {
           ++rptr;
          if (rptr >= end_ptr)
           rptr = state;
        }
      buf->fptr = fptr;
      buf->rptr = rptr;

}

int main()
{
  int i, result;

  for (i = 0; i < 10; i++) {
    myrand(&unsafe_state, &result);
    printf("oldrand = %d\n", result);
  }

  return 0;
}
$ gcc myrand.c -o myrand
$ ./myrand
oldrand = 1804289383
oldrand = 846930886
oldrand = 1681692777
oldrand = 1714636915
oldrand = 1957747793
oldrand = 424238335
oldrand = 719885386
oldrand = 1649760492
oldrand = 596516649
oldrand = 1189641421

難しそうですがやっていることはポインタを使って読み込むrandtblのアドレスを書き換えているだけです。

もちろん、これだけだと毎回同じ乱数が生成されます。

srandは与えられた種を元にrandtblのデータを書き換えているだけです。

それで毎回異なる乱数を生成することができるようになります。

仕組みは恐ろしく簡単です。

それよりも注意が必要なのは関数の実態がわかりづらいことです。

random.cの中でsrandが関連付けられています。

weak_alias (__srandom, srand)  とあります。

srandを呼び出すと__srandomに変換されますよ、という意味。

さらに__srandom_r関数へと変換されて、random_r.cファイルの中で定義されています。

つまりsrand 関数は内部では __srandom_r 関数になります。

仕組みはこんなもんです。この調子でglibcのソースコードを読んでいきましょう。

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