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authornsfisis <nsfisis@gmail.com>2023-09-20 19:56:52 +0900
committernsfisis <nsfisis@gmail.com>2023-09-20 19:56:57 +0900
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--- /dev/null
+++ b/vhosts/blog/content/posts/2022-04-09/phperkaigi-2022-tokens.ndoc
@@ -0,0 +1,559 @@
+---
+[article]
+title = "PHPerKaigi 2022 トークン問題の解説"
+description = "PHPerKaigi 2022 で私が作成した PHPer チャレンジ問題を解説する。"
+tags = [
+ "conference",
+ "php",
+ "phperkaigi",
+]
+
+[[article.revisions]]
+date = "2022-04-09"
+remark = "公開"
+
+[[article.revisions]]
+date = "2022-04-16"
+remark = "2問目、3問目の解説を追加、1問目に加筆"
+---
+<article>
+ <section id="intro">
+ <h>はじめに</h>
+ <p>
+ 本日開始された <a href="https://phperkaigi.jp/2022/">PHPerKaigi 2022</a> の PHPer
+ チャレンジにおいて、弊社
+ <a href="https://www.dgcircus.com/">デジタルサーカス株式会社</a> の問題を
+ 3問作成した。この記事では、これらの問題の解説をおこなう。
+ </p>
+ <p>
+ リポジトリはこちら: <a href="https://github.com/nsfisis/PHPerKaigi2022-tokens">https://github.com/nsfisis/PHPerKaigi2022-tokens</a>
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q1-brainfuck">
+ <h>第1問 brainf_ck.php</h>
+ <p>
+ ソースコードはこちら。実行には PHP 8.1 以上が必要なので注意。
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ <?php
+
+ declare(strict_types=0O1);
+
+ namespace Dgcircus\PHPerKaigi\Y2022;
+
+ /**
+ * @todo
+ * Run this program to acquire a PHPer token.
+ */
+
+ https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
+
+ \error_reporting(~+!'We are hiring!');
+
+ $z = fn($f) => (fn($x) => $f(fn(...$xs) => $x($x)(...$xs)))(fn($x) => $f(fn(...$xs) => $x($x)(...$xs)));
+ $id = \spl_object_id(...);
+ $put = fn($c) => \printf('%c', $c);
+ $mm = fn($p, $n) => new \ArrayObject(\array_fill(+!![], $n, $p));
+
+ $👉 = fn($m, $p, $b, $e, $mp, $pc) => [++$mp, ++$pc];
+ $👈 = fn($m, $p, $b, $e, $mp, $pc) => [--$mp, ++$pc];
+ $👍 = fn($m, $p, $b, $e, $mp, $pc) => [$mp, ++$pc, ++$m[$mp]];
+ $👎 = fn($m, $p, $b, $e, $mp, $pc) => [$mp, ++$pc, --$m[$mp]];
+ $📝 = fn($m, $p, $b, $e, $mp, $pc) => [$mp, ++$pc, $put($m[$mp])];
+ $🤡 = fn($m, $p, $b, $e, $mp, $pc) => match ($m[$mp]) {
+ +!![] => [$mp, $z(fn($loop) => fn($pc, $n) => match ($id($p[$pc])) {
+ $b => $loop(++$pc, ++$n),
+ $e => $n === +!![] ? ++$pc : $loop(++$pc, --$n),
+ default => $loop(++$pc, $n),
+ })($pc, -![])],
+ default => [$mp, ++$pc],
+ };
+ $🎪 = fn($m, $p, $b, $e, $mp, $pc) => match ($m[$mp]) {
+ +!![] => [$mp, ++$pc],
+ default => [$mp, $z(fn($loop) => fn($pc, $n) => match ($id($p[$pc])) {
+ $e => $loop(--$pc, ++$n),
+ $b => $n === +!![] ? $pc+![] : $loop(--$pc, --$n),
+ default => $loop(--$pc, $n),
+ })($pc, -![])],
+ };
+ $🐘 = fn($p) => $z(fn($loop) => fn($m, $p, $b, $e, $mp, $pc) =>
+ isset($p[$pc]) && $loop($m, $p, $b, $e, ...($p[$pc]($m, $p, $b, $e, $mp, $pc)))
+ )($mm(+!![], +(![].![])), $p, $id($🤡), $id($🎪), +!![], +!![]);
+
+ $🐘([
+ $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍,
+ $🤡,
+ $👉, $👍, $👍, $👍,
+ $👉, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍,
+ $👉, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍,
+ $👉, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍,
+ $👈, $👈, $👈, $👈, $👎,
+ $🎪,
+ $👉, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $📝,
+ $👎, $👎, $📝,
+ $👉, $👎, $👎, $👎, $📝,
+ $👉, $👎, $👎, $👎, $📝,
+ $👎, $👎, $📝,
+ $👎, $📝,
+ $👈, $📝,
+ $👉, $👉, $👎, $👎, $📝,
+ $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $👍, $📝,
+ $👈, $👎, $👎, $👎, $👎, $📝,
+ $👈, $📝,
+ $👉, $👍, $👍, $📝,
+ $👉, $👎, $📝,
+ $👈, $📝,
+ ]);
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ この問題は、単に適切なバージョンの PHP で動かせばトークンが得られる。
+ </p>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary">
+ <h>解説</h>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary--emoji">
+ <h>絵文字</h>
+ <p>
+ まず目につくのは大量の絵文字だろう。 PHP
+ は識別子に使用できる文字の範囲が広く、絵文字も使うことができる。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary--brainfuck">
+ <h>プログラム全体</h>
+ <p>
+ Brainf*ck のインタプリタとプログラムになっている。 Brainf*ck
+ とは、難解プログラミング言語のひとつであり、ここで説明するよりも
+ Wikipedia の該当ページを読んだ方がよい。
+ </p>
+ <p>
+ <a href="https://ja.wikipedia.org/wiki/Brainfuck">https://ja.wikipedia.org/wiki/Brainfuck</a>
+ </p>
+ <p>
+ なお、brainf*ck プログラムを普通の書き方で書くと、次のようになる。
+ </p>
+ <codeblock>
+ <![CDATA[
+ + + + + + + + + + +
+ [
+ > + + +
+ > + + + + +
+ > + + + + + + + + + + + +
+ > + + + + + + + + + +
+ < < < < -
+ ]
+ > + + + + + .
+ - - .
+ > - - - .
+ > - - - .
+ - - .
+ - .
+ < .
+ > > - - .
+ + + + + + + + .
+ < - - - - .
+ < .
+ > + + .
+ > - .
+ < .
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ 実行結果はこちら: <a href="https://ideone.com/22VWmb">https://ideone.com/22VWmb</a>
+ </p>
+ <p>
+ それぞれの絵文字で表された関数が、各命令に対応している。
+ </p>
+ <ul>
+ <li><code>$👉</code>: <code>&gt;</code></li>
+ <li><code>$👈</code>: <code>&lt;</code></li>
+ <li><code>$👍</code>: <code>+</code></li>
+ <li><code>$👎</code>: <code>-</code></li>
+ <li><code>$📝</code>: <code>.</code></li>
+ <li><code>$🤡</code>: <code>[</code></li>
+ <li><code>$🎪</code>: <code>]</code></li>
+ </ul>
+ <p>
+ <code>,</code> (入力) に対応する関数はない
+ (このプログラムでは使わないので用意していない)。
+ </p>
+ <p>
+ なお、<code>$🐘</code> はいわゆる main 関数であり、プログラムの実行部分である。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary--emoji-selection">
+ <h>絵文字の選択</h>
+ <p>
+ おおよそ意味に合致するよう選んでいるが、<code>$🤡</code> と <code>$🎪</code>
+ は弊社デジタルサーカスにちなんでいる。 また、<code>$🐘</code> は PHP
+ のマスコットの象に由来する。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary--strict-types">
+ <h>strict_types</h>
+ <p>
+ <code>declare</code> 文の <code>strict_types</code> に指定できるのは、<code>0</code> か <code>1</code>
+ の数値リテラルだが、 <code>0x0</code> や <code>0b1</code> のような値も受け付ける。 今回は、PHP
+ 8.1 から追加された、<code>0O</code> または <code>0o</code> から始まる八進数リテラルを使った。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary--url">
+ <h>URL</h>
+ <p>
+ ソースコードのライセンスを示したこの部分だが、
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ 完全に合法な PHP のコードである。 <code>https:</code> 部分はラベル、<code>//</code>
+ 以降は行コメントになっている。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary--numbers">
+ <h>リテラルなしで数値を生成する</h>
+ <p>
+ ソースコード中に、ほとんど数値リテラルが書かれていないことにお気づきだろうか。
+ PHP では、型変換を利用することで任意の整数を作り出すことができる。
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ assert(0 === +!![]);
+ assert(1 === +![]);
+ assert(2 === ![]+![]);
+ assert(3 === ![]+![]+![]);
+ assert(10 === +(![].+!![]));
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ <code>[]</code> に <code>!</code> を適用すると <code>true</code> が返ってくる。それに <code>+</code>
+ を適用すると、<code>bool</code> から <code>int</code> ヘの型変換が走り、<code>1</code> が生成される。<code>10</code>
+ はさらにトリッキーだ。まず <code>1</code> と <code>0</code> を作り、<code>.</code> で文字列として結合する
+ (<code>'10'</code>)。これに <code>+</code> を適用すると、<code>string</code> から <code>int</code>
+ への型変換が走り、<code>10</code> が生まれる (コード量に頓着しないなら、<code>1</code> を 10
+ 個足し合わせてももちろん 10 が作れる)。
+ </p>
+ <p>
+ また、<code>error_reporting</code> に指定しているのは <code>-1</code> である。 これは、<code>!</code>
+ によって文字列を <code>false</code> にし、<code>+</code> によって <code>false</code> を <code>0</code>
+ にし、さらにビット反転して <code>-1</code> にしている。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary--conditionals">
+ <h><code>if</code> 文なしで条件分岐</h>
+ <p>
+ 三項演算子ないし <code>match</code> 式を使うことで、<code>if</code>
+ を一切書かずに条件分岐ができる。 また、<code>&amp;&amp;</code> / <code>||</code> も使えることがある。
+ 遅延評価が不要なケースでは、<code>[$t, $f][$cond]</code>
+ のような形で分岐することもできる。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q1-brainfuck--commentary--loops">
+ <h><code>while</code>、<code>for</code> 文なしでループ</h>
+ <p>
+ 不動点コンビネータを使って無名再帰する
+ (詳しい説明は省略する。これらの単語で検索してほしい)。 ここでは、一般に
+ Z コンビネータとして知られるものを使った (<code>$z</code>)。
+ </p>
+ <p>
+ 実際のところ、<code>$🤡</code> や <code>$🎪</code>、<code>$🐘</code> は、一度 Scheme (Lisp の一種)
+ で書いてから PHP に翻訳する形で記述した。
+ </p>
+ <p>
+ なお、PHP は末尾再帰の最適化をおこなわない (少なくとも今のところは)
+ ので、 あまりに長い brainf*ck
+ プログラムを書くとスタックオーバーフローする。
+ </p>
+ </section>
+ </section>
+ </section>
+ <section id="q2-riddle">
+ <h>第2問 riddle.php</h>
+ <p>
+ ソースコードはこちら。実行には PHP 8.0 以上が必要なので注意。
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ <?php
+
+ /*********************************************************
+ * This program displays a PHPer token. *
+ * Guess 'N'. *
+ * *
+ * Hints: *
+ * - N itself has no special meaning, e.g., 42, 8128, *
+ * it is selected at random. *
+ * - Each element of $token represents a single letter. *
+ * - One letter consists of 5x5 cells. *
+ * - Remember, the output is a complete PHPer token. *
+ * *
+ * License: *
+ * https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ *
+ *********************************************************/
+ const N = 0 /* Change it to your answer. */;
+ assert(0 <= N && N <= 0b11111_11111_11111_11111_11111);
+
+ $token = [
+ 0x14B499C,
+ 0x0BE34CC, 0x01C9C69,
+ 0x0ECA069, 0x01C2449, 0x0FDB166, 0x01C9C69,
+ 0x01C1C66, 0x0FC1C47, 0x01C1C66,
+ 0x10C5858, 0x1E4E3B8, 0x1A2F2F8,
+ ];
+ foreach ($token as $x) {
+ $x = $x ^ N;
+
+ $x = sprintf('%025b', $x);
+ $x = str_replace(search: ['0', '1'], replace: [' ', '#'], subject: $x);
+ $x = implode("\n", str_split($x, length: 5));
+ echo "{$x}\n\n";
+ }
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ さて、この問題はさきほどのように単純に実行しただけでは、謎のブロックが表示されるだけでトークンは得られない。
+ トークンを得るためには、ソースコードを読み、定数 <code>N</code>
+ を特定する必要がある。
+ </p>
+ <p>
+ ここでは、私の想定解を解説する。
+ </p>
+ <section id="q2-riddle--code-reading">
+ <h>読解</h>
+ <p>
+ まずはソースコードを読んでいく。
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ $token = [
+ // 略
+ ];
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ 数値からなる <code>$token</code> があり、各要素をループしている。
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ $x = $x ^ N;
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ まずは排他的論理和 (xor) を取り、
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ $x = sprintf('%025b', $x);
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ 二進数に変換して、
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ $x = str_replace(search: ['0', '1'], replace: [' ', '#'], subject: $x);
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ 0 を空白に、1 を <code>#</code> にし、
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ $x = implode("\n", str_split($x, length: 5));
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ 5文字ごとに区切ったあと、改行で結合している。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q2-riddle--hint">
+ <h>ヒント</h>
+ <p>
+ 次に、ソースコードに書いてあるヒントを読んでいく。
+ </p>
+ <ul>
+ <li><code>N</code> それ自体は、42 や 8128 といったような特別な意味を持たず、ランダムに決められている</li>
+ <li><code>$token</code> の各要素は、1文字を表す</li>
+ <li>1文字は 5x5 のセルからなる</li>
+ <li>出力されるのは、完全な PHPer トークンである</li>
+ </ul>
+ <p>
+ ここで、PHPer トークンは必ず <code>#</code> 記号から始まることを思いだすと、
+ <code>$token</code> の最初の数字 <code>0x14B499C</code> は、変換の結果 <code>#</code>
+ になるのではないかと予想される (なお、このことは、リポジトリの README
+ ファイルに追加ヒントとして書かれている)。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q2-riddle--solve">
+ <h>解く</h>
+ <p>
+ ここまでわかれば、あと一歩で解ける。すなわち、<code>0x14B499C</code> が <code>#</code>
+ に変換されるような <code>N</code> を見つければよい。
+ </p>
+ <p>
+ <code>N</code> は高々
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ assert(0 <= N && N <= 0b11111_11111_11111_11111_11111);
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ なのでブルートフォースしてもよいが、ここではブルートフォースしない方法を紹介する。
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ <?php
+
+ $x = 0x14B499C;
+
+ $x = $x ^ N;
+
+ $x = sprintf('%025b', $x);
+ $x = str_replace(search: ['0', '1'], replace: [' ', '#'], subject: $x);
+ $x = implode("\n", str_split($x, length: 5));
+
+ assert($x ===
+ " # # \n" .
+ "#####\n" .
+ " # # \n" .
+ "#####\n" .
+ " # # ");
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ この一連の変換に対する逆変換を考えると、次のようになる。
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ <?php
+
+ $x =
+ " # # \n" .
+ "#####\n" .
+ " # # \n" .
+ "#####\n" .
+ " # # ";
+
+ $x = implode('', explode("\n", $x));
+ $x = str_replace(search: [' ', '#'], replace: ['0', '1'], subject: $x);
+ $x = bindec($x);
+
+ $n = $x ^ 0x14B499C;
+
+ echo "N = $n\n";
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ これを実行すると、<code>N</code> が得られる。
+ </p>
+ </section>
+ </section>
+ <section id="q3-toquine">
+ <h>第3問 toquine.php</h>
+ <p>
+ ソースコードはこちら。
+ </p>
+ <codeblock language="php">
+ <![CDATA[
+ <?php
+
+ // License: https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
+ // This is a quine-like program to generate a PHPer token.
+ // Execute it like this: php toquine.php | php | php | php | ...
+
+ $s = <<<'Q'
+ <?cuc
+ // Yvprafr: uggcf://perngvirpbzzbaf.bet/choyvpqbznva/mreb/1.0/
+ // Guvf vf n dhvar-yvxr cebtenz gb trarengr n CUCre gbxra.
+ // Rkrphgr vg yvxr guvf: cuc gbdhvar.cuc | cuc | cuc | cuc | ...
+ %f$f = %f;
+ $f = fge_ebg13($f); $kf = [
+ %f,
+ ];
+ $g = ahyy.snyfr; sbe ($v = 0; $v <= vagqvi(__YVAR__-035,6); ++$v) vs (!vffrg($kf[$v])) oernx; ryfr
+ $g .= vzcybqr("\a", fge_fcyvg(fge_ercynpr(['0','1'], [' ','##'], fcevags(pue(37) . '025o', $kf[$v])), 012)) . "\a\a";
+ $jf = neenl_znc(sa($j) => vzcybqr(', ', $j), neenl_puhax(neenl_znc(sa($k) => fcevags('0k' . pue(37) . '07K', $k), $kf), 10));
+ cevags($f, $g, fge_ebg13("<<<'Q'\a{$f}\aQ"), vzcybqr(",\a", $jf));
+ Q;
+ $s = str_rot13($s); $xs = [
+ 0x0AFABEA, 0x1F294A7, 0x1F2109F, 0x1F294A7, 0x0002800, 0x1F2109F, 0x0117041, 0x1F294A7, 0x1FAD6B5, 0x1F295B7,
+ 0x010FC21, 0x1FAD6B5, 0x1151151, 0x010FC21, 0x1F294A7, 0x1F295B7, 0x1FAD6B5, 0x1F294A7, 0x1F295B7, 0x1F8C63F,
+ 0x1F8C631, 0x1FAD6B5, 0x17AD6BD, 0x17AD6BD, 0x1F8C63F, 0x1F295B7,
+ ];
+ $t = null.false; for ($i = 0; $i <= intdiv(__LINE__-035,6); ++$i) if (!isset($xs[$i])) break; else
+ $t .= implode("\n", str_split(str_replace(['0','1'], [' ','##'], sprintf(chr(37) . '025b', $xs[$i])), 012)) . "\n\n";
+ $ws = array_map(fn($w) => implode(', ', $w), array_chunk(array_map(fn($x) => sprintf('0x' . chr(37) . '07X', $x), $xs), 10));
+ printf($s, $t, str_rot13("<<<'D'\n{$s}\nD"), implode(",\n", $ws));
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ コメントにもあるとおり、次のようにして実行すれば答えがでてくる。
+ </p>
+ <codeblock language="shell-session">
+ <![CDATA[
+ $ php toquine.php | php | php | php | ...
+ ]]>
+ </codeblock>
+ <p>
+ 実際にはもう少しパイプで繋げなければならない。
+ </p>
+ <section id="q3-toquine--commentary">
+ <h>解説</h>
+ <section id="q3-toquine--commentary--quine">
+ <h>プログラム全体</h>
+ <p>
+ コメントにもあるとおり、これは quine (風) のプログラムになっている。
+ Quine
+ とは、自分のソースコードをそっくりそのまま出力するようなプログラムのことである。
+ </p>
+ <p>
+ このプログラムは、実行すると自身とほとんど同じプログラムを出力する。
+ 異なるのはトークンになっている部分のみである。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q3-toquine--commentary--tokens">
+ <h>トークン</h>
+ <p>
+ <code>$xs</code> がトークンに対応している。変換のロジックは <code>riddle.php</code>
+ とほぼ同じなので省略する。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q3-toquine--commentary--states">
+ <h>状態保持</h>
+ <p>
+ トークンの何文字目まで出力したかを、ソースコードを変えずに (quine
+ なので) 覚えておく必要がある。
+ このプログラムでは、トークンが出力されるとソースコードがだんだんと長くなっていくのを利用して、<code>__LINE__</code>
+ から情報を取得している。
+ </p>
+ </section>
+ <section id="q3-toquine--commentary--rot-13">
+ <h>ROT 13</h>
+ <p>
+ Quine は、素朴に書くとプログラムの一部が 2回記述されてしまう。
+ これがあまり美しくないので、<code>toquine.php</code> では、ROT 13
+ 変換を使って難読化した。
+ </p>
+ <p>
+ それにしてもなぜこんなものが標準ライブラリに……。
+ </p>
+ </section>
+ </section>
+ </section>
+ <section id="outro">
+ <h>おわりに</h>
+ <p>
+ 解いていただいたみなさん、また、難易度調整につきあっていただいた社内のみなさん、ありがとうございました。
+ </p>
+ <p>
+ 今回は直前に作りはじめたのもあり、3問だけかつ使い古されたネタばかりになってしまいましたが、
+ 来年は 5問、より面白い問題を持っていきます。
+ </p>
+ <p>
+ 実はもう作りはじめているので、どうか来年もありますように……。
+ </p>
+ </section>
+</article>