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Rustで作る簡易自作エディタ

2022/12/23に公開約13,200字

この記事は Money Forward Fukuoka Advent Calendar 2022 の 24日目の記事です。

1. はじめに

ふと「エディタってどう動いているんだろう?」という疑問が湧いてきました。

作ってみればいいかと思い、小さくて読みやすそうなものを探してみました。
適当にネットサーフィンをしていたところ求めていたものを見つけることができました。
これを写経すれば、エディタはどう動いているのか理解できるわけですが
ただ写経するだけだと怠惰な私は脳死で手を動かすことになってしまいます。

これでは指の運動と眼精疲労を抱えるだけで終わってしまうので私の好きなRustで書き直してみました。
kiloエディタで実装されているもの全ては書ききれませんでした(そのため簡易とつけています)が、ある程度エディタっぽく動くまでの道筋を書きました。

2. Rawモードの有効化

この章では入力について触れていきます

エディタのへの入力はどうなっているでしょうか?
GUI, CUIに関わらず一般的なエディタは1文字ずつ文字を受け取るような動作になっていると思います。
何はともあれ、任意の文字入力を受け取るプログラムを書いてみましょう。

https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/f3ffc49197ea053c1fdb9ff45cc4bc5c9d61fdbe/src/main.rs#L1-L7

このようなコードを書いてみました

これを実行して雑に入力してみます

❯❯❯ cargo run
   Compiling toy-editor v0.1.0 (/home/ak-10/works/toy-editor)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.14s
     Running `target/debug/toy-editor`
aaaaabbbbb
b: Ok(97)
b: Ok(97)
b: Ok(97)
b: Ok(97)
b: Ok(97)
b: Ok(98)
b: Ok(98)
b: Ok(98)
b: Ok(98)
b: Ok(98)
b: Ok(10)

aaaaabbbbb を打ち込んでEnterが入力されたタイミングで各文字に対してprintln! が実行されています

このままでは何度も何度もEnterを打たないと行けない、残念なエディタになってしまいます。
これを解消するにはどうしたら良いでしょうか。

ターミナルにはモードがあり、デフォルトではcanonicalモードになっています。
canonicalモードは行単位での入力となっており、enter(<LF>)などの入力を受け取ったタイミングで文字入力が完了となります。

残念なエディタから抜け出すためには、canonicalモードをやめて、1文字ずつ受け取りそうなモードに切り替えなければなりません。
嬉しいことに, rawモードというものがあります。

次にrawモードにした状態で入力してみます。
terminalはtermiosという構造体を利用して制御することができます。
これを利用してrawモードにしてみましょう。

流れとしては

  • tcgetattrで現在のターミナルの状態を取得(termiosという構造体が得られます)
  • 各フラグをrawモードにするために更新
  • 更新したtermiosをもとにターミナルの状態を更新
    となります。

https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/817ceef2a06c63f927104591f68d03889d325c6e/src/main.rs#L1-L46

canonicalモードと同じように、実行して適当に文字を入力してみましょう

するとこのような出力になります。

❯❯❯ cargo run
   Compiling toy-editor v0.1.0 (/home/ak-10/works/toy-editor)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.15s
     Running `target/debug/toy-editor`
b: Ok(97)
         b: Ok(108)
                   b: Ok(102)
                             b: Ok(100)

1文字ごとにprintln!が実行されるようになりました!

ここでtermios構造体について少し説明します。
termios構造体が持つc_iflag, c_oflag などのフラグは32ビットで管理されていて、それぞれのビットを立てることで有効化します

例えばECHOを有効にしたい場合

// ECHO         -> '00000000000000000000000000001000'
// term.c_lflag -> '00000000000000000000000000000001' のとき
// 論理和を取ることで,もとのビットを保持しながら、有効にしたいビットのみ立てることができる

// term.c_lflag  = '00000000000000000000000000001001'
term.c_lflag |= ECHO;

逆に無効にしたい場合,

// !ECHO        -> '11111111111111111111111111110111'
// term.c_lflag -> '00000000000000000000000000000001' のとき
// ビット反転したものとの論理積を取ることで,もとのビットを保持しながら、有効にしたいビットのみ落とすことができる

// term.c_lflag  = '00000000000000000000000000000001'
term.c_lflag &= !ECHO;

のようにすることで、特定のビットのみ有効化/無効化することができます。

あまり深堀はしませんが、無効にしたフラグとtermiosのフラグの特徴を書いておきます

  • c_iflag:
    入力モードフラグ. 入力の諸々を設定する

    • IGNBRK:
      入力中のBREAK信号(ctrl + breakキー)を無視する.
      BREAK信号 = SIGQUIT?
    • BRKINT:
      IGNBRKが設定されている場合はBREAK信号を無視する.
      IGNBRKが設定されてないがBRKINTが設定されている場合はBREAK信号によって入出力キューがフラッシュされ、
      フォアグラウンドプロセスグループにSIGINTが送られる
      IGNBRK,BRKINTの両方が設定されていない場合, BREAKを'\0'(ヌル文字)として読み込む。
    • PARMRK:
      INPCK が設定され、IGNPAR が設定されていない場合にのみ効果がある
      IGNPARが設定されていない場合、パリティエラーまたはフレームエラーが発生した文字の前に'\377' '\0' を付与する
      IGNPAR, PARMRKの両方がセットされていない場合、パリティエラーまたはフレームエラーが発生した文字を'\0'として読み込む
    • ISTRIP:
      8ビット目を落とす
    • INLCR:
      入力のNL(new line: 改行文字)をCR(carriage return: 復帰文字)に置き換える
    • IGNCR:
      入力のCRを無視する
    • ICRNL:
      IGNCRが設定されていない場合、入力のCRをNLに置き換える
      有効の場合, ターミナルは入力の\r(Enter, control + m)を\nに置き換えてしまうので、これを無効化して、\rのままにする
    • IXON:
      出力のXON/XOFFフロー制御を有効にする
      XON: ソフトウェアフロー制御でcontrol + q でデータの送信元に対して、送信を再開するように要求するためのコマンド。コンソールの表示を再開させるためにも使われる
      XOFF: ソフトウェアフロー制御でcontrol + sでデータの送信元に送信を一時的に止めるように要求するためのコマンド。コンソールの表示を一時停止させるためにも使われたりする
  • c_oflag: 出力モードフラグ

    • OPOST:
      実装に依存した出力処理を有効にする(よくわからない)
      有効化した場合、出力の\n\r\nに変換する
  • c_lflag: ローカルモードフラグ

    • ECHO:
      入力された文字をエコーする. エディタでの出力はターミナルの機能で出力をしないほうが都合が良いので無効化する
    • ECHONL:
      ICANONが設定されていた場合、ECHOが設定されていなくてもNL文字をエコーする
    • ICANON:
      カノニカルモードを有効にする
      特殊文字EOF, EOL, EOL2, ERASE, KILL, LNEXT, REPRINT, STATUS, WERASE 行単位バッファが有効になる。(行単位入力)
      行単位での入力をしたくないので、無効化する
    • ISIG:
      INTR(control + c), QUIT(control + \), SUSP(control + z), DSUSP の文字を受信した時,対応するシグナルを発生させる。
      エディタではcontrol + なにか をアクションにすることがあるため、無効化する
    • IEXTEN:
      実装依存の入力処理を有効にする
      verbatim insert(control + v)を無効化したいので、無効化する
  • c_cflag: 制御モードフラグ

    • CSIZE
      文字サイズを設定する
    • PARENB
      パリティビットを有効にする
    • CS8
      データビット数を8にする

rawモードではcontrol+cなどでプログラムを終了させることができないため、control + qで終了させるようにします

control付きの文字(制御文字)は文字コードの0~31(0000_0000 ~ 0001_1111)に割り当てられています

control + qであれば17になります
これを判定するために control_char という関数を定義します
https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/6f62d565c256c0f63d4ba559c5f48cd4bc627906/src/main.rs#L5-L7

3. テキストを表示する

この章では引数で指定したファイルを表示するようにします

まずファイルパスを受け取り、ファイルの内容を取得部分を作成します
https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/ceec7118a0bf50e7a86ab874c8e2a0470b8db054/src/main.rs#L12-L32

ファイルの内容は一旦Vec<String>として保持しておきます
これをそのままプリントすると以下のような出力になります
https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/1d0edda76e67199e3140a6ad29bd6a80c26c24a2/src/main.rs#L36-L39

❯❯❯ cargo run -- examples/hello.txt
   Compiling toy-editor v0.1.0 (/home/ak-10/works/toy-editor)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.21s
     Running `target/debug/toy-editor examples/hello.txt`
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit,
                                                        sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua.
                                                                                                                          Ut enim ad minim veniam, quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat.
                                                                     Duis aute irure dolor in reprehenderit in voluptate velit esse cillum dolore eu fugiat nulla pariatur.
           Excepteur sint occaecat cupidatat non proident, sunt in culpa qui officia deserunt mollit anim id est laborum.

きれいな出力にはなりませんでした。
println!マクロは指定した文字列に\nをつけたものを出力します。
\nはカーソルを次の行の同じ列にカーソルを移動させます
また、出力はカーソルの位置からおこなわれるため、このような出力になっています。

各行を先頭から出力するにはどうしたら良いでしょうか?

ターミナルはエスケープシーケンスを使うことで制御できます。
例えば、カーソルの移動は

  • 上: \x1b[A
  • 下: \x1b[B
  • 右: \x1b[C
  • 左: \x1b[D
    を出力することでカーソルを移動させることができます(\x1bはescを表します)
    エスケープシーケンスについてはhttps://www.csie.ntu.edu.tw/~r92094/c++/VT100.html に一覧があります。
    表を見てみると、\x1b[Eで次の行の先頭にカーソルを動かすことができそうです。
    実際にやってみましょう

https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/93ea3783001fd82f8d7089b275232432477b16a0/src/main.rs#L36-L42

~/w/toy-editor ❮ 22-12-08 0:49:50 ❯
❯❯❯ cargo run -- examples/hello.txt
   Compiling toy-editor v0.1.0 (/home/ak-10/works/toy-editor)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.20s
     Running `target/debug/toy-editor examples/hello.txt`
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit,
sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua.
Ut enim ad minim veniam, quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat.
Duis aute irure dolor in reprehenderit in voluptate velit esse cillum dolore eu fugiat nulla pariatur.
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想定通りの出力になりました。

このように、ターミナルで動くエディタでは、エスケープシーケンスをうまく利用して、文字出力をしたり、キー入力とエスケープシーケンスを対応させることで動作を作っていきます

実際のエディタを考えてみると、

❯❯❯ cargo run -- examples/hello.txt
   Compiling toy-editor v0.1.0 (/home/ak-10/works/toy-editor)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.20s
     Running `target/debug/toy-editor examples/hello.txt

のような、コマンドを実行したときの出力が残ると困ります。
また、ターミナルの先頭から出力するために、カーソルを左上に移動させる必要があります

画面のクリアには\x1b[2J, カーソルを左上に移動させるにはx1b[Hを使います
これをテキストの出力前に出力すれば良さそうです。

https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/bd4c2130920ab60b018d1bf0997a17e1fee2f8f4/src/main.rs#L36-L40

あとは適当にリファクタしておきます
commit: https://github.com/AK-10/toy-editor/pull/2/commits/8300c14817275155910696f4709fee5309d67360
commit: https://github.com/AK-10/toy-editor/pull/2/commits/e29d080a71c6031d580bc5ac236e00ee87be85b6

今回は\x1b[Eを使う実装にしましたが, この代わりに\r\nを出力するという方法もあります(こちらのほうが一般的かもしれません)

  • \r(carriage return): 行の先頭に移動
  • \n(new line): 次の行に移動

4. カーソルの移動

この章ではカーソル移動を実装していきます

まずはカーソル移動に利用するキーを決めます。
私はよくvimを使うので

  • ctrl + h: 左
  • ctrl + j: 下
  • ctrl + k: 上
  • ctrl + l: 右
    のようにカーソル移動するように決めました。

まず各入力を受け入れるようにしましょう
入力を受け取る処理はすでに実装しているので、対応する分岐を書くだけで良いです
https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/1c81cca0f663dc209cb76afb4abf15cb9be549fe/src/main.rs#L31-L39

入力を受け取ったらctrl + hjklに対応するエスケープシーケンスを出力する必要があります
カーソルを一つ移動させるエスケープシーケンスは

  • 左: \x1b[D
  • 下: \x1b[B
  • 上: \x1b[A
  • 右: \x1b[C

になります。
これをそのまま標準出力に吐けば良いです

https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/e4c454a430be56bdbab0bf915ef77c786779a13f/src/main.rs#L33-L41
https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/e4c454a430be56bdbab0bf915ef77c786779a13f/src/renderer.rs#L32-L37
https://github.com/AK-10/toy-editor/blob/e4c454a430be56bdbab0bf915ef77c786779a13f/src/renderer.rs#L58-L77

これでカーソル移動ができるようになりました。
エディタっぽくなってきましたね!

今の状態ではテキストを超えてカーソルが移動してしまいます。
このままでは意味不明なエディタになってしまうので、テキストの範囲内でのみカーソルが移動できるようにしてみましょう。

  • カーソルの位置を記憶しておく
  • カーソルの位置とテキストの位置を対応させる
  • カーソル移動入力を受け取ったときにテキストの行と列の範囲を超えないかチェックし、超えない範囲であれば移動する

を実装すれば良さそうです。

注意点としては、カーソルの上下移動をしようとしたとき、単純にカーソルを上下に移動させただけでは文字範囲からはみ出すことがあります。

例として以下のようなテキストを考えます

short line.
loooooooooong line!
                  ^ ここにカーソルが存在する

この状態で単にカーソルを上に移動させようとすると

                  v ここにカーソルが移動する
short line.
loooooooooong line!

このようになります
これでは文字列の範囲を超えてしまって良くないので、カーソルの列を移動後の文字列の末尾に移動させるようにします
また、これによってカーソルの移動に \x1b[A, \x1b[B, \x1b[C, \x1b[Dを使うのは適切ではないので、他のエスケープシーケンスを使ったほうが良さそうです
\x1b[v;hH を利用するのが良さそうなので、こちらに変更します(v, hは行、列の位置)

https://github.com/AK-10/toy-editor/pull/3/commits/b32e027153f0e70268aae8ae44c0abe55768ce11

5. テキストへの書き込み

この章では書き込みができるようにしていきます

その前に少しリファクタをします
今は

  • PaneがTextの(不変)参照を持っている
  • RendererがTextの(不変)参照を持っている
    という状態です

これに

  • EditorがTextを持ち、書き込みを行う
    に加える予定です

実装イメージ

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│  Editor                                                 │
│                    ┌────────────┐                       │
│                    │            │                       │
│                    │  Terminal  │                       │
│                    │            │                       │
│                    └────────┬───┘                       │
│                       ▲     │                           │
│              read key │     │ key                       │
│                       │     ▼                           │
│                    ┌──┴─────────┐                       │
│                    │            │                       │
│                    │    run     │                       │
│                    │            │                       │
│                    └────────────┘                       │
│            update    ▲   ▲   ▲    update                │
│         ┌────────────┘   │   └─────────────┐            │
│         │                │ write           │            │
│         │                │                 │            │
│         ▼                ▼                 ▼            │
│    ┌──────────┐      ┌────────┐      ┌────────────┐     │
│    │          │ read │        │ read │            │     │
│    │   Pane   ├─────►│  Text  │◄─────┤  Renderer  │     │
│    │          │      │        │      │            │     │
│    └──────────┘      └────────┘      └────────────┘     │
│                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

Editorの動きとしては

  • Terminalからキー入力を受取る
  • Textの文字を更新させる
  • Paneのカーソル情報を更新させる
  • Rendererに出力更新させる
    にする想定です

しかしこれには問題があります
Rustには「不変な参照をしている間は可変な参照はできない」という制約があります
ただし、これが適用されるのはコンパイル時です。
コンパイル時では回避しつつ、実行時に適用させるために,Rc, RefCellを使います

  • Rc: 参照カウント. 複数の所有者を許可する
  • RefCell: 借用規則を実行時に強制させる

commit: https://github.com/AK-10/toy-editor/pull/4/commits/a0d29cf4917694de24bb3fbee8f573c60c2bf4a5

今回対応する書き込みは

  • 文字の挿入
  • 削除(backspace)
  • 改行(enter)
    です

文字の挿入は特に考えることはありません

  • カーソルの位置を受け取る
  • Textが持つ文字列に文字を挿入
  • カーソルの位置を更新

とするだけです

https://github.com/AK-10/toy-editor/pull/4/commits/af30a4436966f3ae7fe3e53c458c876a1b6a0ad2

削除は2パターンあります

  • 文字の削除
  • 行の削除

カーソルが行の先頭にある場合、行を削除し、前の行と文字列を結合するようにします(一般的なエディタに見られる挙動だと思います)
また、行削除後はもともとカーソルがあった文字の位置に動かす必要があります

https://github.com/AK-10/toy-editor/pull/4/commits/10d50bbbf72a83fde4e7c3b1c0900aa7bd2d23cd

改行についてはカーソルの位置で行を分割し,分割された文字列の後半を現在の行の次の行に挿入します

https://github.com/AK-10/toy-editor/pull/4/commits/d51f4597156ebdb0757705399a3df567860c9f87

最後にファイルへの保存を実装します
TextはVec<String>でデータを保持しており、改行の情報が欠落しています
そのため、書き込み時に\nを追加しましょう
あとは単純にファイルへ書き込む処理を実装すれば良いです

commit: https://github.com/AK-10/toy-editor/pull/4/commits/d6dc3b626f47cc199892aa1d53038f72c13c1d37

まとめ

Rustでエディタを実装してみました
今回の実装で

  • rawモードにすることで文字単位での入力ができる
  • エスケープシーケンスでターミナルでの描画を制御できる

この2つを利用してエディタは実装できるということがわかりました.
実用できるものではありませんが,エディタの動作原理は理解できたかと思います.

今回は最低限の実装にしたため,発展として

  • スクロールの実装
  • マルチウィンドウ(ペイン?)化
  • ステータスバーの実装
  • テキスト保持アルゴリズム(gap buffer, ropeなど)の変更
    など,やれることはたくさんあります.

また,今回は自分の好みでRustで実装しましたが,termios構造体が使えればどの言語でも実装できると思います.
好みの言語で書き換えてみたり,拡張してみたりすると楽しいかもしれませんね

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