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FFI - rust调用ffi函数

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小牛编辑
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2023-12-01

下文提到的ffi皆指cffi。

Rust作为一门系统级语言，自带对ffi调用的支持。

Getting Start

引入libc库

由于cffi的数据类型与rust不完全相同，我们需要引入libc库来表达对应ffi函数中的类型。

在Cargo.toml中添加以下行:

  1. [dependencies]
  2. libc = "0.2.9"

在你的rs文件中引入库:

  1. extern crate libc

在以前libc库是和rust一起发布的，后来libc被移入了crates.io通过cargo安装。

声明你的ffi函数

就像c语言需要#include声明了对应函数的头文件一样，rust中调用ffi也需要对对应函数进行声明。

  1. use libc::c_int;
  2. use libc::c_void;
  3. use libc::size_t;
  5. #[link(name = "yourlib")]
  6. extern {
  7.     fn your_func(arg1: c_int, arg2: *mut c_void) -> size_t; // 声明ffi函数
  8.     fn your_func2(arg1: c_int, arg2: *mut c_void) -> size_t;
  9.     static ffi_global: c_int; // 声明ffi全局变量
  10. }

声明一个ffi库需要一个标记有#[link(name = "yourlib")]的extern块。name为对应的库(so/dll/dylib/a)的名字。
如：如果你需要snappy库(libsnappy.so/libsnappy.dll/libsnappy.dylib/libsnappy.a), 则对应的name为snappy。
在一个extern块中你可以声明任意多的函数和变量。

调用ffi函数

声明完成后就可以进行调用了。
由于此函数来自外部的c库，所以rust并不能保证该函数的安全性。因此，调用任何一个ffi函数需要一个unsafe块。

  1. let result: size_t = unsafe {
  2.     your_func(1 as c_int, Box::into_raw(Box::new(3)) as *mut c_void)
  3. };

封装unsafe，暴露安全接口

作为一个库作者，对外暴露不安全接口是一种非常不合格的做法。在做c库的rust binding时，我们做的最多的将是将不安全的c接口封装成一个安全接口。
通常做法是：在一个叫ffi.rs之类的文件中写上所有的extern块用以声明ffi函数。在一个叫wrapper.rs之类的文件中进行包装：

  1. // ffi.rs
  2. #[link(name = "yourlib")]
  3. extern {
  4.     fn your_func(arg1: c_int, arg2: *mut c_void) -> size_t;
  5. }
  1. // wrapper.rs
  2. fn your_func_wrapper(arg1: i32, arg2: &mut i32) -> isize {
  3.     unsafe { your_func(1 as c_int, Box::into_raw(Box::new(3)) as *mut c_void) } as isize
  4. }

对外暴露(pub use) your_func_wrapper函数即可。

数据结构对应

libc为我们提供了很多原始数据类型，比如c_int, c_float等，但是对于自定义类型，如结构体，则需要我们自行定义。

结构体

rust中结构体默认的内存表示和c并不兼容。如果要将结构体传给ffi函数，请为rust的结构体打上标记：

  1. #[repr(C)]
  2. struct RustObject {
  3.     a: c_int,
  4.     // other members
  5. }

此外，如果使用#[repr(C, packed)]将不为此结构体填充空位用以对齐。

Union

比较遗憾的是，rust到目前为止(2016-03-31)还没有一个很好的应对c的union的方法。只能通过一些hack来实现。(对应rfc)

Enum

和struct一样，添加#[repr(C)]标记即可。

回调函数

和c库打交道时，我们经常会遇到一个函数接受另一个回调函数的情况。将一个rust函数转变成c可执行的回调函数非常简单：在函数前面加上extern "C":

  1. extern "C" fn callback(a: c_int) { // 这个函数是传给c调用的
  2.     println!("hello {}!", a);
  3. }
  5. #[link(name = "yourlib")]
  6. extern {
  7.    fn run_callback(data: i32, cb: extern fn(i32));
  8. }
  10. fn main() {
  11.     unsafe {
  12.         run_callback(1 as i32, callback); // 打印 1
  13.     }
  14. }

对应c库代码:

  1. typedef void (*rust_callback)(int32_t);
  3. void run_callback(int32_t data, rust_callback callback) {
  4.     callback(data); // 调用传过来的回调函数
  5. }

字符串

rust为了应对不同的情况，有很多种字符串类型。其中CStr和CString是专用于ffi交互的。

CStr

对于产生于c的字符串(如在c程序中使用malloc产生)，rust使用CStr来表示，和str类型对应，表明我们并不拥有这个字符串。

  1. use std::ffi::CStr;
  2. use libc::c_char;
  3. #[link(name = "yourlib")]
  4. extern {
  5.     fn char_func() -> *mut c_char;
  6. }
  8. fn get_string() -> String {
  9.     unsafe {
  10.         let raw_string: *mut c_char = char_func();
  11.         let cstr = CStr::from_ptr(my_string());
  12.         cstr.to_string_lossy().into_owned()
  13.     }
  14. }

在这里get_string使用CStr::from_ptr从c的char*获取一个字符串，并且转化成了一个String.

  • 注意to_string_lossy()的使用：因为在rust中一切字符都是采用utf8表示的而c不是，
    因此如果要将c的字符串转换到rust字符串的话，需要检查是否都为有效utf-8字节。to_string_lossy将返回一个Cow<str>类型，
    即如果c字符串都为有效utf-8字节，则将其0开销地转换成一个&str类型，若不是，rust会将其拷贝一份并且将非法字节用U+FFFD填充。

CString

和CStr表示从c中来，rust不拥有归属权的字符串相反，CString表示由rust分配，用以传给c程序的字符串。

  1. use std::ffi::CString;
  2. use std::os::raw::c_char;
  4. extern {
  5.     fn my_printer(s: *const c_char);
  6. }
  8. let c_to_print = CString::new("Hello, world!").unwrap();
  9. unsafe {
  10.     my_printer(c_to_print.as_ptr()); // 使用 as_ptr 将CString转化成char指针传给c函数
  11. }

注意c字符串中并不能包含字节(因为用来表示c字符串的结束符),因此CString::new将返回一个Result，
如果输入有的话则为Error(NulError)。

不透明结构体

C库存在一种常见的情况：库作者并不想让使用者知道一个数据类型的具体内容，因此常常提供了一套工具函数，并使用void*或不透明结构体传入传出进行操作。
比较典型的是ncurse库中的WINDOW类型。

当参数是void*时，在rust中可以和c一样，使用对应类型*mut libc::c_void进行操作。如果参数为不透明结构体，rust中可以使用空白enum进行代替:

  1. enum OpaqueStruct {}
  3. extern "C" {
  4.     pub fn foo(arg: *mut OpaqueStruct);
  5. }

C代码：

  1. struct OpaqueStruct;
  2. void foo(struct OpaqueStruct *arg);

空指针

另一种很常见的情况是需要一个空指针。请使用0 as *const _ 或者 std::ptr::null()来生产一个空指针。

内存安全

由于ffi跨越了rust边界，rust编译器此时无法保障代码的安全性，所以在涉及ffi操作时要格外注意。

析构问题

在涉及ffi调用时最常见的就是析构问题：这个对象由谁来析构？是否会泄露或use after free？
有些情况下c库会把一类类型malloc了以后传出来，然后不再关系它的析构。因此在做ffi操作时请为这些类型实现析构(Drop Trait).

可空指针优化

当rust的一个enum为一种特殊结构：它有两种实例，一种为空，另一种只有一个数据域的时候，rustc会开启空指针优化将其优化成一个指针。
比如Option<extern "C" fn(c_int) -> c_int>会被优化成一个可空的函数指针。

ownership处理

在rust中，由于编译器会自动插入析构代码到块的结束位置，在使用owned类型时要格外的注意。

  1. extern {
  2.     pub fn foo(arg: extern fn() -> *const c_char);
  3. }
  5. extern "C" fn danger() -> *const c_char {
  6.     let cstring = CString::new("I'm a danger string").unwrap();
  7.     cstring.as_ptr()
  8. }  // 由于CString是owned类型，在这里cstring被rust free掉了。USE AFTER FREE! too young!
  10. fn main() {
  11.   unsafe {
  12.         foo(danger); // boom !!
  13.     }
  14. }

由于as_ptr接受一个&self作为参数(fn as_ptr(&self) -> *const c_char)，as_ptr以后ownership仍然归rust所有。因此rust会在函数退出时进行析构。
正确的做法是使用into_raw()来代替as_ptr()。由于into_raw的签名为fn into_raw(self) -> *mut c_char，接受的是self,产生了ownership转移，
因此danger函数就不会将cstring析构了。

panic

由于在ffi中panic是未定义行为，切忌在cffi时panic包括直接调用panic!,unimplemented!,以及强行unwrap等情况。
当你写cffi时，记住：你写下的每个单词都可能是发射核弹的密码！

静态库/动态库

前面提到了声明一个外部库的方式—#[link]标记，此标记默认为动态库。但如果是静态库，可以使用#[link(name = "foo", kind = "static")]来标记。
此外，对于osx的一种特殊库—framework, 还可以这样标记#[link(name = "CoreFoundation", kind = "framework")].

调用约定

前面看到，声明一个被c调用的函数时，采用extern "C" fn的语法。此处的"C"即为c调用约定的意思。此外，rust还支持：

  • stdcall
  • aapcs
  • cdecl
  • fastcall
  • vectorcall //这种call约定暂时需要开启abi_vectorcall feature gate.
  • Rust
  • rust-intrinsic
  • system
  • C
  • win64

bindgen

是不是觉得把一个个函数和全局变量在extern块中去声明，对应的数据结构去手动创建特别麻烦？没关系，rust-bindgen来帮你搞定。
rust-bindgen是一个能从对应c头文件自动生成函数声明和数据结构的工具。创建一个绑定只需要./bindgen [options] input.h即可。
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