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调用约定#xff0c;类型表示和名称修饰这三者的统称#xff0c;即是众所周知的应用二进制…FFI
FFIForeign Function Interface是这样一种机制用一种编程语言写的程序能调用另一种编程语言写的函数routines。
调用约定类型表示和名称修饰这三者的统称即是众所周知的应用二进制接口ABI。
如果所有的语言在调用时都能认识同样一套 ABI 规范那么就能完全畅通的调用了。可惜世界不会像我们人为想象的那样干净。
在计算机技术发展的过程中出现了各种 ABI 规范
cdeclsyscalloptlinkpascalregisterstdcallfastcallthiscallwinapiIntel ABISystem V
等。详情可参考X86调用约定。
而 Rust 目前支持如下 ABI 约定
stdcallaapcscdeclfastcallvectorcallRustrust-intrinsicsystemCwin64sysv64
目前我们 IT 工业的基石绝大部分是由 C 语言写成。于是自然而然绝大多数库都遵循 cdecl或 C规范。所以我们可以专注于 C 规范来讨论问题。
目前所知能较方便地对其它语言提供 FFI 库支持的语言有
CC通过定义 C 接口Rust通过使用 C 约定AdaFortran
通用方案
在开发的过程中要一个一个对大量的 C/C 库写绑定来进行 FFI毕竟是一项费时费力的活儿。聪明的程序员们就开始构想一些“通用”的方案实现批量快速绑定。
SWIG
以下定义来自 https://zh.wikipedia.org/wiki/SWIG 简单包装界面产生器(SWIG)是一个开源软件工具用来将C语言或C写的计算机程序或函式库连接脚本语言例如Lua, Perl, PHP, Python, R, Ruby, Tcl, 和其它语言例如C#, Java, JavaScript, Go, D, OCaml, Octave, Scilab以及Scheme. 也可以输出成XML格式。 也就是说使用了 SWIG 这套工具和规范就可以直接在上层语言动态语言居多中调用 C/C 库了省却大量烦恼。但在实际使用中还会有一些细节问题往往需要人工调整。所以也不是那么完美。
Gnome 的 GI 规范
Gnome/Gtk 那一帮理想主义青年发明了 GIGObject Introspection。用于对基于 glib/gobject 生态的众多软件C 代码库自动生成完整的接口描述文件及 typelib然后其它语言只要实现了对 Gir 这一个标准的支持那么就可以无缝调用所有经过 Gir 化处理的 C 库。而不再需要单独为每一个 C 库做绑定了。这样就大大简化了 FFI 接口项目的编写工作。
目前这一杰出创意的重量级工作成果有 cairo, pango, gtk 等库。
更多信息请参考https://gi.readthedocs.io/en/latest/。
另一种思路——基于字节码的平台级路线
语言间的相互调用历史的发展提供了另一条路线建立一个共同的字节码平台这个平台之上的所有语言皆可便捷地相互调用。
JVM 平台语言之间的 FFIWASM 平台的 FFI
https://rustcc.cn/search?qRust%20FFI%20%E7%BC%96%E7%A8%8B
https://rustcc.cn/article?id44a47b42-184c-4e2f-9318-be07ee5a516c
Rust 语言主要在关键字和标准库两个方面对 FFI 提供了支持具体如下
关键字 extern 属性 #[no_mangle]外部块 ExternBlock 及其属性 link 和 link_name 标准库 std:os:raw 模块std:ffi 模块
Rust编写lib给别人用
通过使用 ABI 字符串来指定具体的 ABI其中有三个 ABI 字符串是跨平台的
extern Rust默认的 ABI在 Rust 代码中对任何普通函数fn foo()声明时都将使用该 ABI。extern C指定使用 C-ABI类似extern fn foo()无论 C 编译器支持哪种默认设置。extern system通常类似extern C但在 Win32 平台上它是stdcall或用于链接到 Windows API。
crate-type: [bin|lib|rlib|dylib|cdylib|staticlib|proc-macro]
bin 二进制可执行文件main函数为入口。lib Rust Library的编译工具默认值一般为rlib。由编译器推荐其值。rlib Rust Library的静态库满足Rust API。 *.rlib 实现为一个 ar 归档文件。dylib Rust Library的动态库在编译的时候生成动态库Linux 上为 .so, MacOS 上为 .dylib, Windows 上为 .dll。cdylib 满足C调用规范的动态链接库。在编译的时候生成动态库Linux 上为 .so, MacOS 上为 .dylib, Windows 上为 .dll。staticlib 满足C调用规范的静态链接库。编译会生成 .a 文件在 Linux 和 MacOS 上或 .lib 文件在 Windows 上。proc-macro 过程宏crate.
// Rust定义函数给外部使用
#[no_mangle]
pub extern C fn addtwo1(a: u32, b: u32) - u32 {let c a b;println!(print in rust, sum is: {}, c);c
}#[no_mangle]
pub extern C fn sum_of_array(array: *const u32, len: usize) - u32 {let array unsafe {assert!(!array.is_null());slice::from_raw_parts(array, len)};array.iter().sum()
}// 在 Cargo.toml 中加入如下两行
[lib]
crate-type [cdylib]C代码
#include stdio.h
#include stdint.hextern uint32_t addtwo1(uint32_t, uint32_t);
extern uint32_t sum_of_array(const uint32_t *numbers, size_t length);int main(void) {uint32_t sum addtwo1(10, 20);printf(print in c, sum is: %d\n, sum);uint32_t numbers[] {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};unsigned int length sizeof(numbers) / sizeof(*numbers);uint32_t sum sum_of_array(numbers, length);printf(print in c, sum is: %d\n, sum);
}build
编译 rust socargo build
编译 c binarygcc -o ./ccode03 ./ccode03.c -L ./ -lrustffi3
运行LD_LIBRARY_PATH. ./ccode03结构体导出
只有当#[repr(C)] / #[repr(C, packed)]属性应用于一个struct时Rust 才能保证该结构的布局与平台的 C 语言表示兼容
#[repr(C)]
pub struct Foo {a: isize,b: isize
}// Struct的方法
impl Foo {// 成员函数需要this指针pub fn method1(self) - isize{self.aself.b}// 成员函数pub fn method2(self, x: isize) - isize {x self.a self.b}// 静态成员函数不需要thispub fn method3(x: isize) - isize {x*2}
}对应的C代码大概是这样子
struct Foo {int a;int b;
}void foo_method1(Foo* foo);
int foo_method2(Foo* foo, int x);
int foo_method1(int x);然而这种映射是不能自动转换的毕竟只是我们自己的约定需要手动写出来。
#[no_mangle]
pub unsafe extern C fn foo_method1(foo: *mut Foo) {let foo *foo;foo.method1();
}#[no_mangle]
pub unsafe extern C fn foo_method2(foo: *const Foo, x: isize) - isize {let foo *foo;foo.method2(x)
}#[no_mangle]
pub unsafe extern C fn foo_method3(x: isize) - isize {Foo::method3(x)
}编译cargo build --release, 得到
$ nm -D --defined-only libd7.so
0000000000001100 T foo_method1
0000000000001110 T foo_method2
0000000000001120 T foo_method3最后C代码:
#include stdio.hstruct Foo
{long a;long b;
};extern void foo_method1(struct Foo *f);
extern long foo_method2(struct Foo *f, long x);
extern long foo_method3(long x);int main(int argc, char* argv){struct Foo f;f.a 10;f.b 100;long val -1;foo_method1(f);val foo_method2(f, 2);printf(m2: %ld\r\n, val);val foo_method3(3);printf(m3: %ld\r\n, val);return 0;
}// gcc -o ../target/release/c_ffi main.c -L ../target/release/ -ld7
// LD_LIBRARY_PATH. ./c_ffi
m2: 112
m3: 6完美!
Rust调用别人写好的C库
// Rust使用外部的库
#[cfg(all(target_os win32, target_arch x86))]
#[link(name c_librarykindcdylib )]
#[allow(non_snake_case)]
extern C {// 访问全局变量static rl_readline_version: libc::c_int; // 可以使用link_name映射外部函数名#[link_name c_function_name]fn c_function(input: i32) - i32;
}// 标准库stdlib.h内置的abs函数
extern C {#[link_name abs]fn abs_in_rust(input: i32) - i32;
}fn main() {unsafe {println!(abs(-1) is {}, abs_in_rust(-1));}
}kind是一个可选值通过它来指定原生库的类型它有以下三种可选的值
dylib表示为动态库。如果未指定kind则它为默认值。static表示为静态库。framework表示 macOS 的框架这仅对 macOS 目标有效。
对于互传递参数Rust 标准库std::os::raw 和std::ffi 这两个模块提供了这方面的支持。
参考链接
[1] 外部块支持的 ABI 字符串https://doc.rust-lang.org/reference/items/external-blocks.html
[2] 标准库 std::os::raw 模块https://doc.rust-lang.org/stable/std/os/raw/index.html
[3] 标准库 std::ffi 模块https://doc.rust-lang.org/std/ffi/index.html
[4] Rust 中 String 与 UTF-8 编码https://mp.weixin.qq.com/s/ZX_0G6JcNMusLz6JJOkNSg
libc
libc 是对各平台的系统库的原始 FFI 绑定。其代码地址在https://github.com/rust-lang/libc。可以看到这是 Rust 官方维护的一个库。
libc 提供了与 Rust 支持的各平台上的最基础系统 C 库打交道的所有必要设施。它导出了底层平台的类型、函数和常量。
libc 会导出底层 C 库的这些东西
C 类型比如 typedefs, 原生类型枚举结构体等等C 常量比如使用 #define 指令定义的那些常量C 静态变量C 函数按它们的头文件中定义的函数签名来导出C 宏在 Rust 中会实现为 #[inline] 函数
另外libc 中导出的所有 C struct 都已经实现了 Copy 和 Clone trait.
libc 的所有函数调用都必须放进 unsafe 块中。因为它的所有调用都是 unsafe 的
Rust 默认与libc和libm链接。
与C的库区别
熟悉 linux 系统开发的同学都知道linux 系统本身有个 libc 库是几乎一切应用的基础库。基本上 linux 下 C 语言写的代码都要链接这个库才能运行。
而 Rust 的 libc crate不完全等价于 C 的 libc 库的封装。具体区别如下
Linux 以及其它 unix-like 平台下导出的是 libc, libm, librt, libdl, libutil 和 libpthread 这几个库的符号。OSX 下导出的是 libsystem_c, libsystem_m, libsystem_pthread, libsystem_malloc 和 libdyld 这几个库的符号。Windows 下导出的是 VS CRTVS C RunTime VS C 运行时库中的符号。但是这些符号比前两个平台的符号数量上要少得多。因此可以直接这样说Rust libc crate 在 Windows 平台上的功能有限。在 Windows 平台上建议使用 winapi 这个 crate 进行开发。
比如Rust 标准库中没有提供创建子进程的设施不过可以创建一个子线程。而libc 可以创建一个子进程。
libc 与 std::os:::raw 的关系
细心的同学会发现在标准库的 os 模块下面有一些东西与 libc 的重复。
页面 https://doc.rust-lang.org/std/os/raw/index.html 包含了 c_char, c_double, c_float, c_int, c_long, c_longlong, c_schar, c_short, c_uchar, c_uint, c_ulong, c_ulonglong, c_ushort。
而 libc 中对这些内容也重新定义了一份比如https://docs.rs/libc/0.2.69/libc/type.c_char.html。为什么呢
std::os::raw 中这些定义可以用于与一些简单的 C 代码进行交互比如说不存在系统调用的 C 代码。这个时候就不需要再引入 libc 库了。
而一旦产生了系统调用或者 Unix 环境编程那么就得引入 libc 库来操作。
std 下面还有一些 std::os:::raw 的模块这些模块现在已经被 Deprecated 了比如https://doc.rust-lang.org/std/os/unix/raw/index.html。
nix库
nix 库 旨在提供对各种类 Unix 平台LinuxDarwin等API 的友好绑定bindings其代码地址在https://github.com/nix-rust/nix。
它通过使用强制合法或安全的类型对 libc 库进行了一次封装相对于 libc 库暴露的 unsafe API它具有两个特点
用户代码中尽量没有 unsafeRust 风格的错误处理
不过尽管 nix 库尝试支持 libc 库支持的所有平台但由于技术或人力限制仅支持其中的某些平台。可能这也是一些底层库比如tokio项目中的mio在版本v0.6.3之后 移除 对 nix 库依赖的一个原因吧。
nix 库中的模块大致如下
dir相对标准库中的std::fs::ReadDir更底层的目录接口。errno nix 库中处理各种类 Unix 系统的错误类型对于 FreeBSDIOSMacOS 系统直接封装的 libc 库中的。fcntl Unix 系统中文件 IO 的数据结构以及对文件的各种操作接口。features用于操作系统级功能的测试。ifaddrs使用 Linux 或 BSD 中的函数getifaddrs获取网络接口及地址列表。kmod包含加载和卸载内核模块的功能。mount包含设备文件的挂载操作mount和umount。mqueue 对应 POSIX 规范中消息队列 API 的功能。net涉及网络接口的功能。poll在特点文件描述符上触发 wait 事件。pty创建主从虚拟伪终端 PTYs。sched提供 Linux 系统的调度接口。sys这个模块包括各种系统相关的功能POSIX 异步 I/O文件系统事件的监控 APISocket接口函数等。ucontext提供协程上下文相关的借接口。unistd在 libc 库unistd.h头文件中函数的 safe 封装。
Demo
use nix::unistd::*;fn main() {match fork() {Ok(ForkResult::Parent { child }) {// 在父进程中println!(Hello, I am parent thread: {}, getpid());}Ok(ForkResult::Child) {// 在子进程中println!(Hello, I am child thread: {}, getpid());println!(My parent thread: {}, getppid()); }Err(errno) {// fork 创建子进程失败println!(Fork creation failed!);}}
}
