2.1 快速入门

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小牛编辑

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2023-12-01

本节我们将通过一系列由浅入深的小例子来快速掌握CGO的基本用法。

2.1.1 最简CGO程序

真实的CGO程序一般都比较复杂。不过我们可以由浅入深，一个最简的CGO程序该是什么样的呢？要构造一个最简CGO程序，首先要忽视一些复杂的CGO特性，同时要展示CGO程序和纯Go程序的差别来。下面是我们构建的最简CGO程序：

// hello.go
package main

import "C"

func main() {
    println("hello cgo")
}

代码通过import "C"语句启用CGO特性，主函数只是通过Go内置的println函数输出字符串，其中并没有任何和CGO相关的代码。虽然没有调用CGO的相关函数，但是go build命令会在编译和链接阶段启动gcc编译器，这已经是一个完整的CGO程序了。

2.1.2 基于C标准库函数输出字符串

第一章那个CGO程序还不够简单，我们现在来看看更简单的版本：

// hello.go
package main

//#include <stdio.h>
import "C"

func main() {
    C.puts(C.CString("Hello, World\n"))
}

我们不仅仅通过import "C"语句启用CGO特性，同时包含C语言的<stdio.h>头文件。然后通过CGO包的C.CString函数将Go语言字符串转为C语言字符串，最后调用CGO包的C.puts函数向标准输出窗口打印转换后的C字符串。

相比“Hello, World 的革命”一节中的CGO程序最大的不同是：我们没有在程序退出前释放C.CString创建的C语言字符串；还有我们改用puts函数直接向标准输出打印，之前是采用fputs向标准输出打印。

没有释放使用C.CString创建的C语言字符串会导致内存泄漏。但是对于这个小程序来说，这样是没有问题的，因为程序退出后操作系统会自动回收程序的所有资源。

2.1.3 使用自己的C函数

前面我们使用了标准库中已有的函数。现在我们先自定义一个叫SayHello的C函数来实现打印，然后从Go语言环境中调用这个SayHello函数：

// hello.go
package main

/*
#include <stdio.h>

static void SayHello(const char* s) {
    puts(s);
}
*/
import "C"

func main() {
    C.SayHello(C.CString("Hello, World\n"))
}

除了SayHello函数是我们自己实现的之外，其它的部分和前面的例子基本相似。

我们也可以将SayHello函数放到当前目录下的一个C语言源文件中（后缀名必须是.c）。因为是编写在独立的C文件中，为了允许外部引用，所以需要去掉函数的static修饰符。

// hello.c

#include <stdio.h>

void SayHello(const char* s) {
    puts(s);
}

然后在CGO部分先声明SayHello函数，其它部分不变：

// hello.go
package main

//void SayHello(const char* s);
import "C"

func main() {
    C.SayHello(C.CString("Hello, World\n"))
}

注意，如果之前运行的命令是go run hello.go或go build hello.go的话，此处须使用go run "your/package"或go build "your/package"才可以。若本就在包路径下的话，也可以直接运行go run .或go build。

既然SayHello函数已经放到独立的C文件中了，我们自然可以将对应的C文件编译打包为静态库或动态库文件供使用。如果是以静态库或动态库方式引用SayHello函数的话，需要将对应的C源文件移出当前目录（CGO构建程序会自动构建当前目录下的C源文件，从而导致C函数名冲突）。关于静态库等细节将在稍后章节讲解。

2.1.4 C代码的模块化

在编程过程中，抽象和模块化是将复杂问题简化的通用手段。当代码语句变多时，我们可以将相似的代码封装到一个个函数中；当程序中的函数变多时，我们将函数拆分到不同的文件或模块中。而模块化编程的核心是面向程序接口编程（这里的接口并不是Go语言的interface，而是API的概念）。

在前面的例子中，我们可以抽象一个名为hello的模块，模块的全部接口函数都在hello.h头文件定义：

// hello.h
void SayHello(const char* s);

其中只有一个SayHello函数的声明。但是作为hello模块的用户来说，就可以放心地使用SayHello函数，而无需关心函数的具体实现。而作为SayHello函数的实现者来说，函数的实现只要满足头文件中函数的声明的规范即可。下面是SayHello函数的C语言实现，对应hello.c文件：

// hello.c

#include "hello.h"
#include <stdio.h>

void SayHello(const char* s) {
    puts(s);
}

在hello.c文件的开头，实现者通过#include "hello.h"语句包含SayHello函数的声明，这样可以保证函数的实现满足模块对外公开的接口。

接口文件hello.h是hello模块的实现者和使用者共同的约定，但是该约定并没有要求必须使用C语言来实现SayHello函数。我们也可以用C++语言来重新实现这个C语言函数：

// hello.cpp

#include <iostream>

extern "C" {
    #include "hello.h"
}

void SayHello(const char* s) {
    std::cout << s;
}

在C++版本的SayHello函数实现中，我们通过C++特有的std::cout输出流输出字符串。不过为了保证C++语言实现的SayHello函数满足C语言头文件hello.h定义的函数规范，我们需要通过extern "C"语句指示该函数的链接符号遵循C语言的规则。

在采用面向C语言API接口编程之后，我们彻底解放了模块实现者的语言枷锁：实现者可以用任何编程语言实现模块，只要最终满足公开的API约定即可。我们可以用C语言实现SayHello函数，也可以使用更复杂的C++语言来实现SayHello函数，当然我们也可以用汇编语言甚至Go语言来重新实现SayHello函数。

2.1.5 用Go重新实现C函数

其实CGO不仅仅用于Go语言中调用C语言函数，还可以用于导出Go语言函数给C语言函数调用。在前面的例子中，我们已经抽象一个名为hello的模块，模块的全部接口函数都在hello.h头文件定义：

// hello.h
void SayHello(/*const*/ char* s);

现在我们创建一个hello.go文件，用Go语言重新实现C语言接口的SayHello函数:

// hello.go
package main

import "C"

import "fmt"

//export SayHello
func SayHello(s *C.char) {
    fmt.Print(C.GoString(s))
}

我们通过CGO的//export SayHello指令将Go语言实现的函数SayHello导出为C语言函数。为了适配CGO导出的C语言函数，我们禁止了在函数的声明语句中的const修饰符。需要注意的是，这里其实有两个版本的SayHello函数：一个Go语言环境的；另一个是C语言环境的。cgo生成的C语言版本SayHello函数最终会通过桥接代码调用Go语言版本的SayHello函数。

通过面向C语言接口的编程技术，我们不仅仅解放了函数的实现者，同时也简化的函数的使用者。现在我们可以将SayHello当作一个标准库的函数使用（和puts函数的使用方式类似）：

package main

//#include <hello.h>
import "C"

func main() {
    C.SayHello(C.CString("Hello, World\n"))
}

一切似乎都回到了开始的CGO代码，但是代码内涵更丰富了。

2.1.6 面向C接口的Go编程

在开始的例子中，我们的全部CGO代码都在一个Go文件中。然后，通过面向C接口编程的技术将SayHello分别拆分到不同的C文件，而main依然是Go文件。再然后，是用Go函数重新实现了C语言接口的SayHello函数。但是对于目前的例子来说只有一个函数，要拆分到三个不同的文件确实有些繁琐了。

正所谓合久必分、分久必合，我们现在尝试将例子中的几个文件重新合并到一个Go文件。下面是合并后的成果：

package main

//void SayHello(char* s);
import "C"

import (
    "fmt"
)

func main() {
    C.SayHello(C.CString("Hello, World\n"))
}

//export SayHello
func SayHello(s *C.char) {
    fmt.Print(C.GoString(s))
}

现在版本的CGO代码中C语言代码的比例已经很少了，但是我们依然可以进一步以Go语言的思维来提炼我们的CGO代码。通过分析可以发现SayHello函数的参数如果可以直接使用Go字符串是最直接的。在Go1.10中CGO新增加了一个_GoString_预定义的C语言类型，用来表示Go语言字符串。下面是改进后的代码：

// +build go1.10

package main

//void SayHello(_GoString_ s);
import "C"

import (
    "fmt"
)

func main() {
    C.SayHello("Hello, World\n")
}

//export SayHello
func SayHello(s string) {
    fmt.Print(s)
}

虽然看起来全部是Go语言代码，但是执行的时候是先从Go语言的main函数，到CGO自动生成的C语言版本SayHello桥接函数，最后又回到了Go语言环境的SayHello函数。这个代码包含了CGO编程的精华，读者需要深入理解。

思考题: main函数和SayHello函数是否在同一个Goroutine里执行？