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调用ffi函数

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。

Cargo.toml中添加以下行:

[dependencies]
libc = "0.2.9"

在你的rs文件中引入库:

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。

use libc::c_int;
use libc::c_void;
use libc::size_t;

#[link(name = "yourlib")]
extern {
    fn your_func(arg1: c_int, arg2: *mut c_void) -> size_t; // 声明ffi函数
    fn your_func2(arg1: c_int, arg2: *mut c_void) -> size_t;
    static ffi_global: c_int; // 声明ffi全局变量
}

声明一个ffi库需要一个标记有#[link(name = "yourlib")]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namesnappy。 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。

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

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:

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

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:

#[repr(C)]
struct RustObject {
    a: c_int,
    // other members
}

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

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":

extern "C" fn callback(a: c_int) { // 这个函数是传给c调用的
    println!("hello {}!", a);
}

#[link(name = "yourlib")]
extern {
   fn run_callback(data: i32, cb: extern fn(i32));
}

fn main() {
    unsafe {
        run_callback(1 as i32, callback); // 打印 1
    }
}

对应c库代码:

typedef void (*rust_callback)(int32_t);

void run_callback(int32_t data, rust_callback callback) {
    callback(data); // 调用传过来的回调函数
}

字符串

rust为了应对不同的情况,有很多种字符串类型。其中CStrCString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。

use std::ffi::CStr;
use libc::c_char;
#[link(name = "yourlib")]
extern {
    fn char_func() -> *mut c_char;
}

fn get_string() -> String {
    unsafe {
        let raw_string: *mut c_char = char_func();
        let cstr = CStr::from_ptr(my_string());
        cstr.to_string_lossy().into_owned()
    }
}

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

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。

use std::ffi::CString;
use std::os::raw::c_char;

extern {
    fn my_printer(s: *const c_char);
}

let c_to_print = CString::new("Hello, world!").unwrap();
unsafe {
    my_printer(c_to_print.as_ptr()); // 使用 as_ptr 将CString转化成char指针传给c函数
}

注意c字符串中并不能包含\0字节(因为\0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\0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:

enum OpaqueStruct {}

extern "C" {
    pub fn foo(arg: *mut OpaqueStruct);
}

C代码:

struct OpaqueStruct;
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

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。

extern {
    pub fn foo(arg: extern fn() -> *const c_char);
}

extern "C" fn danger() -> *const c_char {
    let cstring = CString::new("I'm a danger string").unwrap();
    cstring.as_ptr()
}  // 由于CString是owned类型,在这里cstring被rust free掉了。USE AFTER FREE! too young!

fn main() {
  unsafe {
        foo(danger); // boom !!
    }
}

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ffipanic是未定义行为,切忌在cffipanic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。 项目地址

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