CSAPP Labの環境構築

はじめに

CSAPPを学びながら実験をしないのは、中国四大名著を読むのに『紅楼夢』を読まないようなものです。文学的素養と自己研鑽が足りず、内に秘めた高尚な芸術を理解できない。表面の華やかな言葉しか見えず、深遠な精神の核心に到達できない。その人の器はそこで頭打ちになり、比較的失敗した人生を送ることになるのです。

CSAPPの実験をあきらめさせる最大の要因は、Linux環境です。私は学部生のころ、VMware WorkstationにUbuntu Desktopを入れて一度やりました。自分はとくに困りませんでしたが、周りでは次のような問題が起きていました。

仮想マシンのインストール失敗
VMwareとHyper-Vの非互換
仮想マシンがネットにつながらない
ホストとの共有フォルダーが動かない
Ubuntuの中国語入力
その他、原因不明の怪現象

仮想マシンの性能も褒められたものではありません。ホストのメモリを切り分けるので、先にOOMになるのがゲストかホストか、分かったものではありません。

以上を踏まえ、私はWSL（Windows Subsystem for Linux）を選びました。WSL 2を使えるWindows 10 Version 2004以降、またはWindows 11をおすすめします。それ以前のWindowsはWSL機能があってもWSL 1で、LinuxのシステムコールをWindowsのシステムコールに翻訳して動かします。一方WSL 2は、軽量でメンテナンス不要の仮想マシン上に完全なLinuxカーネルを動かします。この完全なカーネルが、CSAPPの実験にはとても重要です。

macOSはどうするかって？ Intel MacBookならVirtualBox、VMware Fusion、Parallels DesktopなどにLinuxを入れるか、Dockerを使えます。M1 MacBookなら、別のパソコンに替えることをおすすめします。冗談ではなく、M1では本当に実験できません。

我ながら、余計な話が多いですね。

WSLとUbuntuのインストール

WindowsでのWSLインストールは簡単です。管理者権限のPowerShellで次のコマンドを入力します。

shell

wsl --install -d Ubuntu

必要な機能が自動で設定され、Ubuntuの最新LTSもダウンロードされます。執筆時点では20.04です。インストールが終わると端末が開き、ユーザー名とパスワードを求められます。

shell

Installing, this may take a few minutes...
Please create a default UNIX user account. The username does not need to match your Windows username.
For more information visit: https://aka.ms/wslusers
Enter new UNIX username: shinya
New password:
Retype new password:
passwd: password updated successfully
Installation successful!

パスワードは入力しても画面に表示されません。

設定が終わると、shinya@DESKTOP-4TMFLAE:~$のようなプロンプトが現れ、コマンド待ちになります。これでUbuntuに入れました。

便利な使い方

Windows Terminal

Windows Terminalは、Windowsの端末の王様と言っていいでしょう。

Microsoft Storeで「Windows Terminal」を検索して入れるか、GitHub Releasesのhttps://github.com/microsoft/terminal/releasesからmsixbundleをダウンロードしてダブルクリックすればインストールできます。

WSLとUbuntuが入っていれば、Windows Terminal上部のプラス横のドロップダウンにUbuntuが表示されます。クリックするとUbuntuのデフォルトシェルをすぐ開けます。

ファイル共有

WSL内のUbuntuとWindowsは、それぞれ独自のファイルシステムを持つ隔離された環境です。隔離されていますが、完全に切り離されているわけではありません。

WindowsのCドライブは、Ubuntuの/mnt/cにマウントされています。たとえばLinuxからWindowsのデスクトップを見るには、次のようにします。

shell

$ cd /mnt/c/Users/Shinya/Desktop
$ ls
 course.py     desktop.ini     szxx.bat     szxx.txt

逆に、WSL自身のファイルシステムにあるファイルをWindowsから見ることもできます。ホームディレクトリ~を開くなら、次のコマンドです。

shell

$ cd ~
$ explorer.exe .

エクスプローラーが開き、指定したフォルダーの内容が表示されます。Windowsのフォルダーと同じ感覚で操作できます。

Visual Studio Code

世界最高のテキストエディター、VS CodeはWSLのフォルダーを直接開けます。ローカルのプロジェクトとまったく同じように扱えます。誰もがvimで実験したいわけではありませんからね。

まずWindows側のVS Codeを開き、拡張機能でWSLを検索して「Remote - WSL」をインストールします。通常は検索結果の先頭に出ます。

続いてUbuntuのプロジェクトフォルダーで、次を入力します。

shell

$ code .

初回は必要なサポートコンポーネントがインストールされます。

shell

$ code .
Installing VS Code Server for x64 (899d46d82c4c95423fb7e10e68eba52050e30ba3)
Downloading: 100%
Unpacking: 100%

その後Windows側のVS Codeが自動で開き、Ubuntuのプロジェクトフォルダーが作業ディレクトリになります。あとは好きなように開発できます。

中国国内のミラーに変更する

まず「源」とは何でしょうか。

古書によれば、天地の気が交わり万物を生んだ時代、世界は混沌と濃密な霊気に満ちていました。多くの霊物は天地の根源の精気を吸収し、膨大な生命の精華を封じた琥珀のような結晶を作りました。
現在まで残ったものを「源」と呼びます。

すみません、別の作品の話でした。

簡単に言うと、UbuntuなどDebian系のパッケージマネージャーaptはURLの一覧を持っていて、apt installを実行すると、そこからパッケージを探してダウンロードし、インストールします。この一覧が「源」、つまりsourcesです。デフォルトは中国国外のURLで、例によって非常に遅かったり、接続できなかったりします。そこで中国国内のミラーに変更します。

手順は次のとおりです。

shell

$ sudo mv /etc/apt/sources.list /etc/apt/sources.list.bak
$ sudo nano /etc/apt/sources.list

次の内容を貼り付けます。ここではAlibabaのミラーを使っています。ディストリビューションやバージョンによって設定が異なるので、間違えないようにしてください。これはUbuntu 20.04用です。

shell

deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-proposed main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-proposed main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse

続いてパッケージ一覧を更新し、パッケージをアップグレードします。

shell

$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade

実験に必要なソフトウェア

パッケージ

必須のものは、この1行です。

shell

$ sudo apt install build-essential gcc-multilib gdb

任意でcgdbも入れられます。GDBの軽量なフロントエンドで、通常のgdbと同じコマンド画面とソースコードを分割表示します。パッケージのcgdbは最新版ではないので、ソースからビルドします。

shell

$ sudo apt install automake libncurses5-dev flex texinfo libreadline-dev
$ git clone git://github.com/cgdb/cgdb.git
$ cd cgdb
$ ./autogen.sh
$ ./configure --prefix=/usr/local
$ make
$ sudo make install

インストール後は、どこでもcgdbコマンドで開けます。画面はこんな感じです。

CGDB

左がコードウインドウ、右がgdbウインドウです。

起動時は上下分割ですが、ctrl+wで左右分割に切り替えられます。

escを押すとgdb側からコード側へフォーカスが移ります。コード側ではソースを上下に見て回れ、スペースで選択行にブレークポイントを設定できます。

iを押すとgdb側へ戻ります。こちらの操作は通常のgdbと同じです。

詳しくはCGDB中国語マニュアルを参照してください。

実験はどこにある？

独学ならhttp://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.htmlへどうぞ。各実験のSelf-Study Handoutリンクから教材をダウンロードできます。WSLにコピーすれば、楽しい実験の始まりです！