ZIL e la Z-Machine
The Digital Antiquarian (la traduzione ufficiale italiana)


Bentrovati fedeli lettori di OldGamesItalia e del Digital Antiquarian, vi siete mai chiesti come sia possibile giocare a Zork sui moderni computer e tablet? Nulla di più semplice: per prima cosa, come ogni avventuriero che si rispetti, munitevi di foglio e matita, poi scaricate la nostra epica traduzione di Zork, infine procuratevi un interprete di Z-Machine.
La Z-Machine, ecco, è solo grazie alla mitica "Macchina Z" se Zork e la sua ricca eredità sono stati convertiti per una moltitudine di piattaforme e giocati da milioni di persone per decenni fino ai giorni nostri, un'impresa che nel 1979 era quasi impossibile... ma non per Joel Berez e Marc Blank
L'Antiquario ci trasporta in quel delicato momento della storia di Infocom.
 
La rassicurante lista degli articoli del ciclo Infocom:
 
 
Lo ZIL e la Z-Machine
Come Vendettero Zork
Giochi col Parser
Esplorando Zork, Parte 1
Esplorando Zork, Parte 2
Esplorando Zork, Parte 3
Infocom: Come Cavarsela da Soli
Zork II, Parte 1
Zork II, Parte 2
Lo Zork User Group
Zork III, Parte 1
Zork III, Parte 2
 
Buona lettura avventurieri... e non perdete la bussola!
 
Festuceto
 
Quando ci siamo lasciati l’ultima volta, Marc Blank e Joel Berez stavano valutando come portare Zork sui microcomputer. In realtà stavano cercando di risolvere tre problemi interconnessi. A costo di risultare pedante, lasciate che ve li riassuma:
 
1. Come portare Zork (un gioco enorme, che consumava 1 MB di memoria sul PDP-10) sui microcomputer di fascia più bassa che avevano selezionato: Apple II o TRS-80 con 32 K di RAM e un singolo floppy-disk.
 
2. Come farlo in modo che fosse facilmente convertibile per altre piattaforme, affinché fosse il più indolore possibile trasportare Zork non solo sull’Apple II e sul TRS-80, ma anche (se tutto fosse andato bene) sulle molte altre piattaforme incompatibili, presenti e future.
 
3. Come usare il codice sorgente esistente di Zork in MDL come base per una nuova versione per microcomputer, piuttosto che dover ripartire da zero e implementare da capo il gioco su un qualche nuovo ambiente di programmazione.
 
Volendo potete considerare questo elenco come una classifica di problemi in ordine di importanza, da “assolutamente essenziale” fino a “non sarebbe male”. Ma non è strettamente necessario, perché -come vedremo di qui a poco- Blank e Berez (col successivo aiuto degli altri) riuscirono a risolverli tutti in modo assolutamente brillante. Vorrei potermi occupare singolarmente di ognuno di questi problemi, ma (come sa chiunque si sia cimentato con delle complicate mansioni di programmazione) le soluzioni tendono a intrecciarsi l’una con l’altra. Quindi mi limiterò a chiedervi di tenere a mente questi tre obbiettivi, mentre io vi spiegherò come funzionava nel suo insieme il progetto di Blank e Berez.
 
Quando ci troviamo davanti a un gioco troppo grande per essere accomodato in un nuovo ambiente, la soluzione più ovvia sarebbe quella di rendere semplicemente il gioco più piccolo, rimuovendo dei contenuti. E questa è appunto una di quelle cose che la Infocom fece con Zork. Stu Galley:
 
Dave esaminò la sua mappa completa di Zork e tracciò un confine intorno a una porzione della stessa che includeva circa 100 location: tutte le stanze all’aperto e un’ampia sezione intorno alla Round Room. Lo scopo era quello di creare uno Zork più piccolo, che rientrasse nei limiti fissati dal progetto di Joel e Marc. Tutto quello che restava fuori sarebbe stato messo da parte per un altro gioco, da realizzare in un altro momento.
 
Dimezzando il mondo di Zork, la Infocom potette ridurre drasticamente le dimensioni del gioco. 191 stanze divennero 110; 211 oggetti divennero 117; 911 parole conosciute dal parser divennero 617. Non era la soluzione definitiva ai loro problemi, ma di certo aiutava, lasciandoli comunque con in mano un gioco enorme, delle dimensioni approssimative simili a quelle dell’originale Adventure come numero di stanze, ma capace comunque di annichilirlo in termini di oggetti e di parole, e che era comunque più grande di ogni altro gioco d’avventura per microcomputer. E, come spiega Galley qui sopra, li lasciava comunque in possesso di abbondante materiale con cui costruire un possibile seguito.
 
Altri risparmi potevano essere conseguiti spostando l’attenzione sul compilatore per MDL. Essendo un linguaggio progettato per eseguire molti compiti di computazione generici, molte delle capacità dell’MDL risultavano ovviamente inutilizzate in un gioco d’avventura come Zork. Ma, anche se inutilizzate, esse consumavano comunque memoria preziosa. La Infocom dette un paio di sforbiciate all’MDL, proprio come avevano fatto con il mondo di Zork, eliminando le librerie e la sintassi superflua, e tenendo solo ciò che era strettamente necessario per implementare un gioco d’avventura. Chiamarono il nuovo linguaggio ZIL (Zork Implementation Language [“Linguaggio per l’Implementazione di Zork”; ndAncient]), mentre il compilatore che attivava il linguaggio (che girava ancora su un PDP-1) lo chiamarono Zilch. Lo ZIL restò abbastanza simile, come sintassi e impostazione di base, all’MDL, tanto è vero che convertire Zork verso lo ZIL fu piuttosto indolore, ma nonostante ciò il nuovo linguaggio non solo produceva degli eseguibili più compatti e più veloci, ma era anche molto più pulito sintatticamente. Infatti lo ZIL incoraggiò la Infocom non solo a convertire Zork per il nuovo linguaggio, ma anche a migliorarlo da molti punti di vista; in particolare fu il parser che, implementato nel più congeniale ZIL, divenne ancora migliore.
 
Questa è la lanterna di Zork in MDL:
 
<OBJECT ["LAMP" "LANTE" "LIGHT"]
["BRASS"]
"lamp"
<+ ,OVISON ,TAKEBIT ,LIGHTBIT>
LANTERN
()
(ODESCO "A battery-powered brass lantern is on the trophy case."
ODESC1 "There is a brass lantern (battery-powered) here."
OSIZE 15
OLINT [0 >])>
 
E questo è il medesimo oggetto in ZIL:
 
<OBJECT LANTERN
                (LOC LIVING-ROOM)
                (SYNONYM LAMP LANTERN LIGHT)
                (ADJECTIVE BRASS)
                (DESC "brass lantern")
                (FLAGS TAKEBIT LIGHTBIT)
                (ACTION LANTERN-F)
                (FDESC "A battery-powered lantern is on the trophy
               case.")
                (LDESC "There is a brass lantern (battery-powered)
               here.")
                (SIZE 15)>
 
Per i posteri darò una veloce spiegazione del codice ZIL mostrato qui sopra. La prima linea semplicemente ci dice che quel che segue descriverà un oggetto chiamato “lanterna”. La linea successiva ci dice che esso si trova nel soggiorno della casa bianca. Poi vediamo che il giocatore si può riferire a esso anche con i termini “lamp,” “lantern,” or “light,”, con l’aggettivo opzionale di “d’ottone” (che del resto può rivelarsi utile per distinguerla dalla lanterna rotta che si trova in un’altra zona del gioco). Quella che viene chiamata descrizione breve (e cioè, con maggior precisione, il nome col quale appare nell’inventario e in altri punti dove deve essere inserito nel testo) è “lanterna d’ottone”. Il flag TAKEBIT indica che è un oggetto che il giocatore può raccogliere e portare in giro con sé; il flag LIGHTBIT significa che proietta luce, illuminando qualunque stanza buia in cui viene lasciato o trasportato.  LANTERN-F è la speciale routine d’azione della lanterna: un pezzo di codice che ci permette di scrivere delle “regole” speciali per la lanterna, che valgono solo per essa, come ad esempio le routine che permettono al giocatore di accenderla e di spegnerla (come ho spiegato in precedenza, questo livello di programmabilità e il conseguente approccio “orientato agli oggetti” era ciò che davvero contraddistingueva l’MDL -e di conseguenza lo ZIL- da tutti gli altri sistemi di sviluppo di avventure testuali dell’epoca). FDESC è la descrizione della lanterna che appare prima che essa sia spostata, e quindi come parte della descrizione della stanza del soggiorno; LDESC invece appare dopo che l’oggetto è stato spostato e depositato altrove. Per finire, SIZE determina le dimensioni e il peso della lanterna ai fini di stabilire quanto il personaggio possa trasportare con sé in un certo momento. Vi lascerò come esercizio quello di tradurre il più caotico codice per MDL...
 
E così a questo punto la Infocom aveva in gran parte risolto il problema n° 3 e aveva fatto dei grandi passi in avanti con il problema n° 1. Il che però li lasciava ancora con in mano il problema n° 2. Probabilmente state pensando che fosse abbastanza facile progettare un’accoppiata engine/database simile a quella ideata da Scott Adams. La verità però è che era assai problematico. Vi ricorderete infatti che una delle cose che rendevano unico l’ambiente di sviluppo di Zork (che fosse l’MDL o lo ZIL) era la sua programmabilità. Passare a una soluzione simile a quella di Adams avrebbe significato sacrificare proprio questo e, nel mezzo, anche lo ZIL. Perché lo ZIL funzionasse doveva poter eseguire del codice che gli consentisse di gestire le interazioni speciali (come, appunto, l’accensione e lo spegnimento della lanterna); doveva, in altre parole, essere un vero linguaggio di programmazione “Turing-complete” e non un mero sistema di inserimento dati. Ma come riuscirci senza rinunciare ad avere un sistema che fosse anche portabile da macchina a macchina (incompatibile)? La risposta: avrebbero ideato una macchina virtuale, un computer immaginario ottimizzato proprio per giocare alle avventure testuali (proprio come lo ZIL era ottimizzato per scriverle) e poi avrebbero scritto il codice di un interprete che avrebbe simulato quel computer su ogni piattaforma per cui avrebbero voluto pubblicare Zork.
 
Oggi le macchine virtuali sono ovunque. Le app del vostro smartphone Android in realtà girano dentro una virtual machine. Potete utilizzare qualcosa tipo VMWare sul vostro computer per utilizzare Linux dentro Windows, o viceversa. I grandi mainframe e, sempre di più, anche i server di fascia alta hanno sistemi operativi tipo Linux che funzionano all’interno di macchine virtuali astratte dal sottostante hardware; ciò, fra i vari benefici, permette anche di suddividere un unico gigantesco mainframe in tanti mainframe più piccoli. A parte gli scenari di questo tipo, le virtual machine sono così interessanti essenzialmente per due motivi; e virtualmente (ah!) chiunque decida di usarle lo fa per un motivo o per l’altro, o per entrambi. Innanzitutto sono molto più sicure. Se un codice malevolo (come un virus) viene introdotto in una macchina virtuale, rimane al suo interno, anziché infettare l’intero sistema che la ospita, e il codice che manda in crash la virtual machine (che lo faccia intenzionalmente o accidentalmente) in realtà manda in crash solo la virtual machine stessa, e non tutto il sistema che la ospita. La seconda cosa è che una virtual machine consente di eseguire lo stesso programma su macchine che sarebbero altrimenti incompatibili. È un caso di “scrivilo una volta e poi gira ovunque”, come erano soliti ripetere i sostenitori di Java. Nel loro caso, ogni piattaforma su cui doveva girare il programma in questione doveva solo essere dotata di un’implementazione aggiornata della virtual machine di Java (non necessariamente il linguaggio, anche solo la virtual machine). Le macchine virtuali hanno però anche un grosso svantaggio: poiché la piattaforma che le ospita sta emulando un altro computer, tendono a essere molto più lente dello stesso codice sorgente eseguito direttamente sulla propria piattaforma (lo so, tecnologie come la compilazione just-in-time possono fare molto per alleviare questo difetto, ma qui non è il caso di addentrarsi ulteriormente nell’argomento). Tuttavia oggi il potere computazionale è poco costoso e molto diffuso, e quindi questo in genere non è un grande problema. E infatti la situazione attuale può diventare a tratti anche abbastanza ridicola: la mia versione per Kindle di The King of Shreds and Patches è costruita su una virtual machine (Glulx) che viene eseguita dentro un’altra virtual machine (quella di Java), il tutto eseguito su un minuscolo lettore portatile... e nonostante questo le performance restano accettabili.
 
Già nel 1979 le virtual machine non erano un’idea nuova. Fra il 1965 e il 1967 un team dell’IBM aveva lavorato in stretto contatto con il Lincoln Laboratory del MIT per creare un sistema operativo chiamato CP-40, nel quale fino a 14 utenti potevano loggarsi all'interno di un proprio computer mono-utente, interamente simulato da un software eseguito su un grande mainframe della IBM. In seguito il CP-40 divenne la base del sistema operativo opportunamente chiamato VM, pubblicato per la prima volta dalla IBM nel 1972 e ancora oggi largamente usato sui mainframe odierni. Nel 1978 un’implementazione in Pascal, nota come UCSD Pascal introdusse la P-Machine, una macchina virtuale portatile che consentiva ai programmi scritti in UCSD Pascal di girare su molte macchine diverse, incluso perfino l’Apple II (in seguito alla pubblicazione dell’Apple Pascal nell’agosto del 1979). Proprio la P-Machine ebbe una grande influenza sulla virtual machine della Infocom, la Z-Machine.
 
Nell’optare per una virtual machine, dovettero ovviamente pagare (come con ogni altra virtual machine) la penalità in termini di performance, ma essa non era troppo severa come invece ci si aspetterebbe. Proprio come avevano ottimizzato lo ZIL, Blank e Berez resero infatti la Z-Machine il più leggera ed efficiente possibile, includendovi solo quelle caratteristiche davvero utili per eseguire un’avventura testuale. E poi avrebbero implementato l’interprete di ogni piattaforma solo in un linguaggio assembly altamente ottimizzato, col risultato che Zork (pur girando all’interno di una virtual machine) girava comunque molto, molto più velocemente delle tipiche avventure scritte in BASIC di quegli anni. E infatti il potere computazionale dei microcomputer, per quanto limitato, non era mai stato la loro preoccupazione principale durante la conversione di Zork: il vero collo di bottiglia era la memoria. Sì, avrebbero dovuto sacrificare della memoria aggiuntiva per l’interprete, ma ne avrebbero risparmiata ancora di più lavorando sull’efficienza della Z-Machine. Per esempio, una speciale codifica gli permetteva di immagazzinare la maggior parte dei caratteri in 5 bit invece che in 8 bit, e gli permetteva di rimpiazzare le parole più comunemente usate con delle loro abbreviazioni. Una tale compressione del testo era molto rilevante, specie se consideriamo che, dopotutto, è il testo che compone la maggior parte di un'avventura testuale. Con tali tecniche di compressione, insieme alle sforbiciate al gioco stesso e al linguaggio ZIL, finirono per avere un gioco di soli 77 K di dimensioni, senza ovviamente considerare l’interprete della macchina virtuale che era necessario per eseguirlo; quest’ultimo fu chiamato Zip (da non confondersi ovviamente con il formato di compressione dei file). Il file del gioco da 77 K, che la Infocom iniziò a chiamare “story file” [“file della storia”; ndAncient] è sostanzialmente uno "snapshot" della memoria della virtual machine.
 
Quando parliamo di capacità di immagazzinamento di un computer, in realtà stiamo parlando (confondendo così genitori e nonni di tutto il mondo) di due quantità separate: la capacità su disco e la capacità di memoria (RAM). Un Apple II poteva contenere 140 K su un singolo dischetto, mentre il TRS-80 in realtà faceva un po’ meglio con i suoi 180 K. E così ora la Infocom aveva un gioco che poteva essere comodamente alloggiato, insieme al suo necessario interprete, su un singolo dischetto. Il problema era la RAM: anche dimenticandoci il necessario interprete, 77 K non entrano in 32 K, per quanto ci si sforzi di ficcarceli. Oppure sì?
 
Non era la prima volta nemmeno in quegli anni che si sentiva usare il disco come una sorta di memoria secondaria, leggendo dei pezzetti di dati e trasferendoli nella RAM, per poi scartarli quando non erano più necessari. La Microsoft aveva usato proprio questa tecnica per infilare Adventure nei 32 K del TRS-80: ogni pezzo di testo, tutti immagazzinati in un file esterno al gioco stesso proprio come nel progetto originale di Crowther e Woods, veniva letto dal disco solo quando doveva andare a schermo. Tuttavia il sofisticato sistema orientato agli oggetti della Infocom mischiava necessariamente testo e codice, rendendo quantomeno poco pratico un tale approccio. Per questo Blank e Berez si spinsero un passo oltre: avendo già progettato una virtual machine, vi aggiunsero un’implementazione della memoria virtuale.
 
Anche il concetto di memoria virtuale non era nuovo, in generale, nel mondo dell’informatica. E infatti la memoria virtuale risale ancora più indietro nel tempo delle virtual machine, fino a uno dei primi supercomputer, sviluppato dalla University of Manchester e chiamato Atlas, che era stato ufficialmente commissionato nel 1962. In un sistema con memoria virtuale, ogni programma non ha un punto di vista “onesto” sulla memoria fisica del computer host. In sostanza gli viene data una mappa “idealizzata” della memoria, che potrebbe avere ben poco a che fare con il vero layout della RAM fisica del computer che lo ospita. Quando legge e scrive dei pezzi di questa mappa, l’host automaticamente traduce gli indirizzi virtuali in indirizzi reali dentro la sua memoria fisica, in modo trasparente. Ma perché mai fare una cosa del genere, specialmente se consideriamo che produce necessariamente uno spreco di risorse? Anche stavolta per due principali ragioni, entrambe le quali di solito si considerano applicabili solo a sistemi operativi multitasking (che ovviamente erano poco più di un sogno per i microcomputer del 1979 o del 1980). Per prima cosa, isolando la memoria di ciascun programma da quella di ogni altro (oltre che da quella del sistema operativo) la memoria virtuale si assicura che un programma non possa (per malizia o semplicemente a causa di bug) corrompersi e danneggiare altri programmi, se non addirittura far crashare l’intero sistema. Per seconda cosa, la memoria virtuale fornisce al computer una specie di “seconda spiaggia”, un’alternativa al semplice fallimento di sistema, qualora un programma (o più programmi) in esecuzione chiedessero più memoria fisica di quella concretamente disponibile. Quando ciò accade, il sistema operativo cerca nella propria memoria dei pezzi che non vengono usati spesso. A quel punto li archivia nella cache su disco, facendo così spazio nella RAM fisica per allocare la nuova richiesta. Quando si deve accedere nuovamente alle aree così archiviate nella cache, esse devono essere riportate nella RAM, possibilmente scambiandole con altri chunk, se la memoria è scarsa. Tutto ciò avviene in modo trasparente rispetto al programma (o ai programmi) in questione, che continuano a vivere all’interno del loro punto di vista idealizzato sulla memoria, gioiosamente ignari di quanto il sistema sottostante stia in realtà ansimando per tenere tutto in piedi. La memoria virtuale ormai è con noi da molti anni nel mondo dei PC desktop. In uno schema del genere c’è inevitabilmente un punto in cui il gioco non vale più la candela: se avete provato ad aprire tantissime finestre o programmi su un vecchio PC, avrete notato che tutto diventava terribilmente lento, mentre l’hard disk lavorava come un mulino; ecco, adesso sapete quello che stava succedendo dietro le quinte (sempre che non lo sapeste già; qui al The Digital Antiquarian non presupponiamo nessun livello di conoscenze tecniche nei nostri lettori).
 
Per la Z-Machine, Berez e Blank adoperarono una versione molto più semplice della memoria virtuale rispetto a quella che oggi troviamo in sistemi operativi come Windows, Linux, o OS X. E se certe importanti informazioni dinamiche (come la posizione attuale di oggetti all’interno del mondo di gioco) deve essere sempre tracciata e aggiornata dinamicamente, la gran parte dei dati che compongono un gioco come Zork è in realtà statica e non cambia nel tempo: tanto, tanto testo, ovviamente, mischiato a un bel po’ di codice. Berez e Blank riuscirono a progettare il compilatore ZIL in modo tale che esso collocasse tutta la roba che poteva realisticamente cambiare (e che noi chiameremo “dati dinamici”) all’inizio dello story file. Tutto il resto (che noi chiameremo “dati statici”) veniva dopo. Ebbene, dei 77 K dello story file di Zork, solo 18 K erano di dati dinamici. Ecco quello che fecero, quindi...
 
I dati dinamici (cioè la memoria in cui la virtual machine avrebbe scritto, oltre che letto) è sempre immagazzinata nella RAM del computer host. I dati statici tuttavia sono caricati e scaricati dalla RAM ad opera dell'interprete, secondo il bisogno, in blocchi di 1 K chiamati “page” [“pagine”; ndAncient]. In altre parole: dal punto di vista del gioco, esso ha 77 K di memoria con cui lavorare. L’interprete nel frattempo scambia freneticamente blocchi di memoria dentro e fuori dalla molto più limitata RAM fisica, per mantenere in piedi questa illusione. Come la virtual machine, anche la memoria virtuale porta ovviamente con sé un rallentamento, ma è un male necessario. Su un sistema a 32 K, con 18 K riservati ai dati dinamici, la Infocom aveva ancora 14 K liberi per ospitare al loro interno l’interprete della macchina virtuale, un piccolo “stack” (cioè un’area dove i programmi immagazzinano le informazioni temporanee di cui hanno bisogno per il “moment-to-moment processing”) e una “page” o due di memoria virtuale. Certo alle volte poteva rallentare vistosamente, ma funzionava. E, quando veniva avviato su un sistema con, ad esempio, 48 K, l’interprete se ne accorgeva automaticamente e usava questa memoria addizionale per tenere più dati statici nella RAM fisica, velocizzando così il tutto e ripagando l’utente per il suo investimento nell’hardware.
 
Con l’impianto ZIL / Z-Machine, la Infocom aveva creato un sistema, robusto e riutilizzabile, che avrebbe potuto godere di vita propria ben al di là del compito specifico di infilare Zork sul TRS-80 e sull’Apple II. Sono certo di non spoilerare niente a nessuno, se vi svelo già adesso che ciò è esattamente ciò che accadde.
 
Forti di tali fondamenta tecniche, la prossima volta osserveremo il percorso che portò infine Zork sul mercato.  

The Digital Antiquarian è un blog, scritto da Jimmy Maher, che si occupa di storia e di cultura del videogioco partendo dall'analisi di singoli videogiochi. OldGamesItalia è lieta di presentarvi la traduzione italiana, autorizzata dall'autore!
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Traduzione a cura di: The Ancient One
Editing a cura di: Festuceto


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