Β. Μεταγλώττιση και εκτέλεση κώδικα C χρησιμοποιώντας το Docker

Β.1 Docker

Το Docker (https://www.docker.com/) είναι μια πλατφόρμα ανοικτού κώδικα που επιτρέπει την αυτόματη διάθεση (deployment) και διαχείριση εφαρμογών χρησιμοποιώντας containers. Τα containers αποτελούν υπόβαθρα εκτέλεσης εφαρμογών με υψηλό βαθμό τυποποίησης. Με το Docker μπορούν να δημιουργηθούν containers που περιέχουν μια ή περισσότερες εφαρμογές και όλα τα απαιτούμενα λογισμικά, βιβλιοθήκες και αρχεία ρυθμίσεων που διασφαλίζουν την ορθή λειτουργία τους. Τα containers είναι φορητά και μπορούν να εκτελεστούν σε οποιοδήποτε σύστημα είναι εγκατεστημένο το Docker, ανεξάρτητα από αρχιτεκτονική υλικού και λειτουργικό σύστημα. Το Docker παρέχει συνεπή περιβάλλοντα εκτέλεσης εφαρμογών που διασφαλίζουν ότι θα συμπεριφέρονται, κάθε φορά, με τον ίδιο τρόπο κατά την ανάπτυξη μιας εφαρμογής, κατά τον έλεγχό της και κατά την εκτέλεσή της σε περιβάλλον παραγωγής (production). Ένας συνηθισμένος τρόπος αλληλεπίδρασης με το Docker είναι ο εξής: αρχικά δημιουργείται μια εικόνα (image) που περιγράφει ένα σύστημα (λειτουργικό σύστημα, λογισμικά που πρέπει να είναι εγκατεστημένα κ.λπ.) και μετά από το image μπορούν να δημιουργηθούν ένα ή περισσότερα containers που είναι σε θέση να εκτελούνται, να τίθενται σε παύση, να σταματούν ή να διαγράφονται. Στο Σχήμα Β.1 φαίνεται, για παράδειγμα, η δημιουργία ενός image με όνομα im‐dockerhub‐gcc και στη συνέχεια η δημιουργία από το συγκεκριμένο image ενός ή περισσότερων containers, με ένα από αυτά να έχει το όνομα co‐dockerhub‐gcc. Τα images περιγράφονται σε αρχεία κειμένου, τα λεγόμενα Dockerfiles. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν δύο παραδείγματα χρήσης του Docker για μεταγλώττιση και εκτέλεση προγραμμάτων που είναι γραμμένα με τη C.

Σχήμα B.1: Δημιουργία images και containers στο Docker.

B.1.1 Ένα παράδειγμα μεταγλώττισης και εκτέλεσης κώδικα C με το Docker

Το Docker μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως περιβάλλον ανάπτυξης κώδικα σε C. Για να συμβεί αυτό αρχικά θα χρειαστεί να εγκατασταθεί το Docker (https://docs.docker.com/get-docker/). Στη συνέχεια θα παρουσιαστεί ένα παράδειγμα προγράμματος C που θα μεταγλωττιστεί και θα εκτελεστεί σε ένα Docker container. Έστω η ιεραρχία καταλόγων και αρχείων που παρουσιάζεται στο Σχήμα Β.2, η οποία μπορεί να βρίσκεται μέσα σε έναν γονικό κατάλογο της επιλογής μας.

Σχήμα B.2: Ιεραρχία καταλόγων και θέσεις αρχείων για το πρώτο παράδειγμα με το Docker.

Το αρχείο main.c (κώδικας Β.1) περιέχει τον κώδικα που θα μεταγλωττιστεί και θα εκτελεστεί. Το πρόγραμμα κατά την εκτέλεσή του ζητά από τον χρήστη να εισάγει το όνομά του και εμφανίζει έναν χαιρετισμό και πληροφορίες έκδοσης του μεταγλωττιστή που χρησιμοποιείται.

Κώδικας Β.1: docker_example1/cprj/main.c - C κώδικας που θα εκτελεστεί μέσα σε ένα Docker container.
#include <stdio.h>

int main(void) {
  char name[50];
  printf("Enter your name: ");
  scanf("%49s", name);
  printf("Hello %s! Here are some info for your system\n", name);
  printf("Macro __STDC__: %d\n", __STDC__);
  printf("Macro __STDC_VERSION__: %ld\n", __STDC_VERSION__);
#ifdef __GNUC__
  printf("Macro __GNUC__: %d\n", __GNUC__);
  printf("Macro __GNUC_MINOR__: %d\n", __GNUC_MINOR__);
  printf("Macro __GNUC_PATCHLEVEL__: %d\n", __GNUC_PATCHLEVEL__);
#endif
#if __clang__
  printf("Macro __clang_major__: %ld\n", __clang_major__);
  printf("Macro __clang_minor__: %ld\n", __clang_minor__);
  printf("Macro __clang_patchlevel__: %ld\n", __clang_patchlevel__);
#endif
}

Τα βήματα για τη μεταγλώττιση και εκτέλεση του C κώδικα στο Docker είναι τα ακόλουθα:

1. Συγγραφή του αρχείου Dockerfile Το Dockerfile είναι ένα αρχείο κειμένου που περιέχει οδηγίες δημιουργίας του Docker image. Οι βασικές οδηγίες αφορούν το base image που θα χρησιμοποιηθεί, οδηγίες εγκατάστασης εργαλείων και άλλων προαπαιτούμενων της εφαρμογής (π.χ. βιβλιοθηκών) και οδηγίες αντιγραφής αρχείων από τον τοπικό υπολογιστή στο image. Για το συγκεκριμένο παράδειγμα το Dockerfile (κώδικας Β.2) είναι το ακόλουθο:

Κώδικας Β.2: docker_example1/Dockerfile - το αρχείο Dockerfile του παραδείγματος.
FROM gcc:13.2.0

COPY ./cprj /cprj

WORKDIR /cprj

RUN gcc -o main main.c -Wall -Werror

CMD ["./main"]

Στη γραμμή 1 ορίζεται το base image που εδώ είναι το gcc:13.2.0, δηλαδή το image που έχει αναπτυχθεί από το DockerHub για το gcc στην έκδοση 13.2.0. Εναλλακτικά, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το gcc:latest που είναι το πλέον πρόσφατο image για το gcc (https://hub.docker.com/_/gcc) ή ακόμα και κάποια ελαφριά (lightweight) διανομή Linux όπως η Alpine ή η Ubuntu και να γινόταν εγκατάσταση του GCC με εντολές τύπου RUN στο Dockerfile.
Στη γραμμή 3 υπάρχει η εντολή αντιγραφής όλων των αρχείων που βρίσκονται στον τρέχοντα κατάλογο του τοπικού υπολογιστή στον κατάλογο cprj που θα δημιουργείται στα containers που θα προκύπτουν από το image.
Στη γραμμή 5 καθορίζεται ότι ο τρέχων κατάλογος στα containers που θα προκύπτουν από το image θα είναι o cprj.
Στη γραμμή 7 ορίζεται η εντολή μεταγλώττισης που θα δοθεί στο περιβάλλον του container. Η εντολή αυτή μεταγλωττίζει το αρχείο main.c και παράγει το εκτελέσιμο με όνομα main.
Στη γραμμή 9 ορίζεται η εντολή που θα εκτελεστεί στο container που θα προκύψει από το image, κατά την εκκίνησή του.

2. Δημιουργία του Docker image Από τη γραμμή εντολών, θέτοντας ως τρέχοντα κατάλογο τον κατάλογο docker_example1, δίνεται η ακόλουθη εντολή που δημιουργεί το image:

$ docker image build ‐t im‐dockerhub ‐gcc .

Η δημιουργία του image μπορεί να είναι σχετικά χρονοβόρα, αλλά πρόκειται για χρόνο που θα απαιτηθεί μόνο μια φορά. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, το όνομα του image είναι im‐dockerhub‐gcc (καθορίζεται με τον διακόπτη ‐t που σημαίνει tag, δηλαδή ετικέτα) και ο τρέχων κατάλογος που συμβολίζεται με την τελεία είναι ο κατάλογος που θα αποτελέσει το build context (π.χ. εκεί βρίσκεται το Dockerfile).

3. Εκκίνηση ενός Docker container Από τη στιγμή που έχει δημιουργηθεί το image, μπορεί να δημιουργηθεί από αυτό ένα container. Μπορούν να οριστούν επιλογές έτσι ώστε να προσαρτώνται (να γίνονται mount) κατάλογοι του τοπικού υπολογιστή στο container ή να γίνονται forward συγκεκριμένες θύρες (ports), αν το πρόγραμμα απαιτεί πρόσβαση στο δίκτυο. Για το παράδειγμα, η εκκίνηση του container γίνεται με την ακόλουθη εντολή και εμφανίζει τα αποτελέσματα που φαίνονται στη συνέχεια:

$ docker container run ‐‐rm ‐it ‐‐name co‐dockerhub ‐gcc im‐dockerhub ‐gcc
Enter your name: Schmilblick
Hello Schmilblick! Here are some info for your system
Macro __STDC__: 1
Macro __STDC_VERSION__: 201710
Macro __GNUC__: 13
Macro __GNUC_MINOR__: 2
Macro __GNUC_PATCHLEVEL__: 0

Ο διακόπτης ‐‐rm σημαίνει ότι το container θα διαγραφεί κατά την έξοδο, και ο διακόπτης ‐it σημαίνει interactive terminal, δηλαδή ότι ο χρήστης θα έχει τη δυνατότητα να αλληλεπιδράσει με την εφαρμογή από το τερματικό (π.χ. να εισάγει τιμές).

B.1.2 Παράδειγμα με εγκατάσταση βιβλιοθήκης της C και προσάρτηση καταλόγου

Στη συνέχεια θα παρουσιαστεί ένα δεύτερο παράδειγμα με το Docker για ανάπτυξη κώδικα σε C που αυτήν τη φορά θα εγκαθιστά τη βιβλιοθήκη GMP για πράξεις με μεγάλους αριθμούς. Επιπλέον, θα προσδένει έναν κατάλογο του τοπικού υπολογιστή ως κατάλογο του container, έτσι ώστε αλλαγές που θα γίνονται στο αρχείο C του τοπικού υπολογιστή να αντικατοπτρίζονται απευθείας στο αρχείο C στο container. Τέλος, κατά την εκκίνηση του container θα ξεκινά το Bash (ένα δημοφιλές περιβάλλον γραμμής εντολών για Linux συστήματα), έτσι ώστε να είναι δυνατή η μεταγλώττιση εκ νέου όταν θα προκύπτουν αλλαγές στον κώδικα C.
Η ιεραρχία καταλόγων και οι θέσεις των αρχείων που χρησιμοποιούνται στο παράδειγμα παρουσιάζονται στο Σχήμα Β.3

Σχήμα B.3: Ιεραρχία καταλόγων και θέσεις αρχείων για το δεύτερο παράδειγμα με το Docker.

Το αρχείο main.c (κώδικας Β.3) χρησιμοποιεί τη βιβλιοθήκη GMP, που επιτρέπει πράξεις αριθμών με μεγάλο πλήθος ψηφίων. Ο κώδικας προσθέτει δύο ακέραιους αριθμούς με 30 ψηφία ο καθένας και εμφανίζει το αποτέλεσμα.

Κώδικας Β.3: docker_example2/cprj/main.c - C κώδικας που χρησιμοποιεί τη βιβλιοθήκη GMP και θα εκτελεστεί μέσα σε ένα Docker container.
#include <stdio.h>
#include <gmp.h>

int main(void) {
    mpz_t num1, num2, result;
    mpz_inits(num1, num2, result, NULL);
    mpz_set_str(num1, "123456789012345678901234567890", 10);
    mpz_set_str(num2, "987654321098765432109876543210", 10);
    mpz_add(result, num1, num2);
    gmp_printf("Result: %Zd\n", result);
    mpz_clears(num1, num2, result, NULL);
    return 0;
}

Το Dockerfile του παραδείγματος παρουσιάζεται στον κώδικα Β.4.

Κώδικας Β.4: docker_example2/Dockerfile - το αρχείο Dockerfile για το δεύτερο παράδειγμα.

CC=clang
CFLAGS=-Wall -Werror
LDLIBS=-lgmp

all:main

run: main
    ./main

main:main.o
    $(CC) main.o -o main $(LDLIBS)

main.o:main.c
    $(CC) -c main.c $(CFLAGS) 

clean:
    rm -f *.o main

Στο Dockerfile στη γραμμή 1 προσδιορίζεται ότι η διανομή που εγκαθίσταται είναι η τελευταία διαθέσιμη διανομή Ubuntu.
Στις γραμμές 7-10 εγκαθίστανται το λογισμικό make, ο μεταγλωττιστής clang και η βιβλιοθήκη GMP.
Τέλος, στη γραμμή 12 μεταγλωττίζεται ο κώδικας C και με τον διακόπτη ‐l καθορίζεται ότι θα χρησιμοποιηθεί κατά τη σύνδεση η βιβλιοθήκη GMP.

Δημιουργία του Docker image Η δημιουργία του image γίνεται με την ακόλουθη εντολή που θα πρέπει να δοθεί με τρέχοντα κατάλογο τον docker_example2.

$ docker image build ‐t im‐ubuntu‐clang .

Εκκίνηση ενός Docker container Η εντολή δημιουργίας του container που ακολουθεί στη συνέχεια χρησιμοποιεί τον διακόπτη ‐v για να ορίσει ότι ο κατάλογος cprj του container θα προσδεθεί στον κατάλογο cprj του τοπικού υπολογιστή. Το τμήμα της τιμής που ακολουθεί τον διακόπτη ‐v πριν την : είναι η διαδρομή προς τον κατάλογο στον τοπικό υπολογιστή, ενώ το τμήμα που ακολουθεί την : είναι η διαδρομή του καταλόγου στο σύστημα αρχείων του container. Προσοχή πρέπει να δοθεί στο ότι ο τρέχων κατάλογος στον τοπικό υπολογιστή συμβολίζεται με %cd% αν η εντολή δίνεται από παράθυρο γραμμής εντολής των Windows, ενώ αν χρησιμοποιείται το powershell, τότε συμβολίζεται με το ${PWD}</span>. Στο Linux ο τρέχων κατάλογος συμβολίζεται με το <span class="p-style">$ και μπορεί να χρειάζεται να προηγηθεί μια διαδικασία ρύθμισης των διαμοιραζόμενων καταλόγων μέσα από τις προτιμήσεις (preferences) της εφαρμογής Docker (Preferences... -> Resources -> File Sharing). Παρατηρήστε ότι το τελευταίο όρισμα της εντολής είναι το bash που σημαίνει ότι δίνεται η δυνατότητα για εκτέλεση εντολών (π.χ. εντολών μεταγλώττισης) από το τερματικό. Ακολουθεί, για ένα σύστημα Windows (host), ένα παράδειγμα εκκίνησης του container και εισόδου των εντολών μεταγλώττισης και εκτέλεσης μέσα από το περιβάλλον του container.}, ενώ στο MacOS ο τρέχων κατάλογος συμβολίζεται με το ${PWD

$ docker container run ‐‐rm ‐it ‐v %cd%/cprj:/cprj ‐‐name co‐ubuntu‐clang im‐ubuntu‐clang bash
root@0923dac10c96:/cprj# ls
main main.c makefile
root@0923dac10c96:/cprj# ./main
Result: 1111111110111111111011111111100
root@0923dac10c96:/cprj# rm main
root@0923dac10c96:/cprj# ls
main.c makefile
root@0923dac10c96:/cprj# clang ‐o main main.c ‐lgmp ‐Wall ‐Werror
root@0923dac10c96:/cprj# ./main
Result: 1111111110111111111011111111100
root@0923dac10c96:/cprj# exit
exit

Η έξοδος και η διαγραφή του container γίνεται με την εντολή exit. Αν δεν είχε χρησιμοποιηθεί ο διακόπτης ‐‐rm κατά την εκκίνηση του container, τότε το τερματικό μπορεί να αποσυνδεθεί προσωρινά από το container και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί η εντολή docker exec για επανασύνδεση. Ένα παράδειγμα εκτέλεσης των εντολών αυτών φαίνεται στη συνέχεια.

$ docker container run ‐it ‐v %cd%/cprj:/cprj ‐‐name co‐ubuntu‐clang im‐ubuntu‐clang bash
root@01262dc80657:/cprj# ls
main main.c makefile
root@01262dc80657:/cprj# rm main && clang ‐o main main.c ‐lgmp
root@01262dc80657:/cprj# ./main
Result: 1111111110111111111011111111100

Η αποσύνδεση του τερματικού από το container γίνεται πατώντας Ctrl+P και Ctrl+Q. Η εντολή που εμφανίζει τα ενεργά containers είναι η εντολή docker ps. Ένα παράδειγμα εκτέλεσής της δίνεται στη συνέχεια:

$ docker ps ‐‐all
CONTAINER ID    IMAGE               COMMAND     CREATED         STATUS          PORTS   NAMES
01262dc80657    im‐ubuntu‐clang     "bash"      44 seconds ago  Up 44 seconds           co‐ubuntu‐clang

Αυτήν τη φορά θα κάνουμε χρήση του makefile (κώδικας: Β.5), που υπάρχει στο παράδειγμα στον ίδιο κατάλογο με τον πηγαίο κώδικα.

Κώδικας Β.5: docker_example2/cprj/makefile - To αρχείο makefile για το δεύτερο παράδειγμα με το Docker.
FROM ubuntu:latest

COPY ./cprj /cprj

WORKDIR /cprj

RUN apt-get update && \
    apt-get install make && \
    apt-get -y install clang && \
    apt-get -y install libgmp-dev

RUN clang -o main main.c -lgmp -Wall -Werror

Η εντολή docker exec επανασυνδέει το τερματικό με το container που εκτελείται. Ένα παράδειγμα εκτέλεσής της δίνεται στη συνέχεια:

$ docker exec ‐‐rm ‐it co‐ubuntu‐clang bash
root@01262dc80657:/cprj# make clean
rm ‐f *.o main
root@01262dc80657:/cprj# make run
clang ‐c main.c ‐Wall ‐Werror
clang main.o ‐o main ‐lgmp
./main
Result: 1111111110111111111011111111100
root@01262dc80657:/cprj# exit
exit
$ docker ps ‐‐all
CONTAINER ID    IMAGE   COMMAND     CREATED     STATUS  PORTS   NAMES

Το Docker δίνει πολλές επιπλέον δυνατότητες και δεν είναι τυχαίο ότι χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα. Περισσότερες πληροφορίες για το Docker μπορούν να εντοπιστούν στα ¹, ², αλλά και σε πολλές άλλες πηγές στο διαδίκτυο.

Prakhar Srivastav. Docker for beginners. https://docker-curriculum.com/. Accessed: 2023-06-01. ↩
Docker docs - educational resources. https://docs.docker.com/get-started/resources/. Accessed: 2023-06-01. ↩