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Rust FFI 编程 - 手动绑定 C 库入门 03

酷子腿长一米八 2022-06-27 阅读 51
数据ide数组Java编程语言

所有权是Rust中最核心的关注点之一。在Rust中，变量有严格的所有权关系，并于此之上建立了一整套上层建筑。

本篇，我们对Rust调用C场景下的一种数据所有权场景进行编程。

之前例子为什么不需要关心所有权

上一篇的两个示例，实际是将Rust中的数据传到C中执行。为什么没有涉及所有权的问题呢？这里就来分析一下。

第一个示例：

// ffi/rust-call-c/src/c_utils.c


int sum(const int* my_array, int length) {
    int total = 0;


    for(int i = 0; i < length; i++) {
        total += my_array[i];
    }
    return total;
}




// ffi/rust-call-c/src/array.rs


use std::os::raw::c_int;


// 对 C 库中的 sum 函数进行 Rust 绑定：
extern "C" {
    fn sum(my_array: *const c_int, length: c_int) -> c_int;
}


fn main() {
    let numbers: [c_int; 10] = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10];


    unsafe {
        let total = sum(numbers.as_ptr(), numbers.len() as c_int);
        println!("The total is {}", total);


        assert_eq!(total, numbers.iter().sum());
    }
}


Rust这边，将数组中的 int 元素传到C函数中执行相加运算。int本身这种基础类型，默认按值传递（copy一份传递）。

第二个示例：


fn main() {
    // 初始化
    let mut v: Vec<u8> = vec![0; 80];
    // 初始化结构体
    let mut t = time::tm {
        tm_sec: 15,
        tm_min: 09,
        tm_hour: 18,
        tm_mday: 14,
        tm_mon: 04,
        tm_year: 120,
        tm_wday: 4,
        tm_yday: 135,
        tm_isdst: 0,
    };
    // 期望的日期格式
    let format = b"%Y-%m-%d %H:%M:%S\0".as_ptr();
    unsafe {
        // 调用
        time::strftime_in_rust(v.as_mut_ptr(), 80, format, &mut t);


        let s = match str::from_utf8(v.as_slice()) {
            Ok(r) => r,
            Err(e) => panic!("Invalid UTF-8 sequence: {}", e),
        };
        println!("result: {}", s);
    }
}


将Rust中初始化的结构体，转换成指针，传递到C函数中进行调用。本身只是借用读一下（不写）。这个结构体的所有权一直在 Rust 这边，由 ​​t​​ 掌控（表述不完全准确，但基本上是这个意思。原因是抽象降级到C这一层的时候，就不再自动分辨所有权了）。生命期结束时，由Rust的RAII规则，自动销毁。

以后，我们对于int这种自带 Copy（或按值传递）的类型，就不重点关注了，两边对照写就行了，没有什么有难度的地方在里面。

下面我们来研究一下另外两种场景。

Rust 调用 C，内存在 C 这边分配，在Rust中进行填充

为了分析清楚这个场景，我们设计了一个例子。在实现的过程中，遇到了相当多的坑。这方面的资料，中英文都非常缺乏。好在，经过一番摸索，最后算是找到了正确的方法。

这个例子的流程按这样设计：

  1. 在C端，设计一个结构体，字段有整型，字符串，浮点型
  2. 在C端，malloc一块内存，是一个n个结构体实例组成的数组
  3. C端，导出三个函数。create, print, release
  4. C端代码编译成 .so 动态库
  5. 这三个函数，导入到Rust中使用
  6. 在Rust中，调用C的create函数，创建一个资源，并拿到指针
  7. 在Rust中，利用这个指针，填充C中管理的结构体数组
  8. 在Rust中，打印这个结构体数组
  9. 利用C的print，打印这个结构体数组
  10. 调用C的release，实现资源清理。

话不多说，直接上代码。

假如我们创建了一个名为 ​​rustffi​​ 的cargo工程。

C端


// filename: cfoo.c


#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<malloc.h>


typedef struct Students {
  int num;
  int total;
  char name[20];
  float scores[3];
} Student;


Student* create_students(int n) {
  if (n <= 0) return NULL;
  Student *stu = NULL;
  stu = (Student*) malloc(sizeof(Student)*n);


  return stu;
}


void release_students(Student *stu) {
  if (stu != NULL)
    free(stu);
}


void print_students(Student *stu, int n) {
  int i;
  for (i=0; i<n; i++) {
    printf("C side print: %d %s %d %.2f %.2f %.2f\n",
            stu[i].num,
            stu[i].name,
            stu[i].total,
            stu[i].scores[0],
            stu[i].scores[1],
            stu[i].scores[2]);
  }
}


使用


gcc -fPIC -shared -o libcfoo.so cfoo.c


编译生成 libcfoo.so。

Rust端


use std::os::raw::{c_int, c_float};
use std::ffi::CString;
use std::slice;


#[repr(C)]
#[derive(Debug)]
pub struct Student {
    pub num: c_int,
    pub total: c_int,
    pub name: [u8; 20],
    pub scores: [c_float; 3],
}


#[link(name = "cfoo")]
extern "C" {
    fn create_students(n: c_int) -> *mut Student;
    fn print_students(p_stu: *mut Student, n: c_int);
    fn release_students(p_stu: *mut Student);
}


fn main() {
    let n = 3;
    unsafe {
        let p_stu = create_students(n as c_int);
        assert!(!p_stu.is_null());


        let s: &mut [Student] = slice::from_raw_parts_mut(p_stu, n as usize);
        for elem in s.iter_mut() {
            elem.num = 1 as c_int;
            elem.total = 100 as c_int;


            let c_string = CString::new("Mike").expect("CString::new failed");
            let bytes = c_string.as_bytes_with_nul();
            elem.name[..bytes.len()].copy_from_slice(bytes);


            elem.scores = [30.0 as c_float, 40.0 as c_float, 30.0 as c_float];
        }


        println!("rust side print: {:?}", s);


        print_students(p_stu, n as c_int);


        release_students(p_stu);
    }
    println!("Over.");
}


使用


RUSTFLAGS='-L .' cargo build


编译。这里，RUSTFLAGS='-L .' 指定要链接的 so 的目录。我把上面生成的 libcfoo.so 放到了工程根目录，因此，指定路径为 ​​.​​，其它类推。

在工程根目录下，使用下面指令运行：


LD_LIBRARY_PATH="." target/debug/rustffi


会得到如下输出：

rust side print: [Student { num: 1, total: 100, name: [77, 105, 107, 101, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], scores: [30.0, 40.0, 30.0] }, Student { num: 1, total: 100, name: [77, 105, 107, 101, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], scores: [30.0, 40.0, 30.0] }, Student { num: 1, total: 100, name: [77, 105, 107, 101, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], scores: [30.0, 40.0, 30.0] }]
C side print: 1 Mike 100 30.00 40.00 30.00
C side print: 1 Mike 100 30.00 40.00 30.00
C side print: 1 Mike 100 30.00 40.00 30.00
Over.


可以看到，达到了我们的预期目标：在Rust中，修改C中创建的结构体数组内容。

完整可运行代码在：​​https://github.com/daogangtang/learn-rust/tree/master/08rustffi​​

要点（踩坑）分析

C和Rust的结构体定义，两边要保持一致。

比如：

C中，

typedef struct Students {
  int num;
  int total;
  char name[20];
  float scores[3];
} Student;


对应的Rust中，

#[repr(C)]
#[derive(Debug)]
pub struct Student {
    pub num: c_int,
    pub total: c_int,
    pub name: [u8; 20],
    pub scores: [c_float; 3],
}


我之前翻译成了：

#[repr(C)]
#[derive(Debug)]
pub struct Student {
    pub num: c_int,
    pub total: c_int,
    pub name: *mut c_char,
    pub scores: [c_float; 3],
}


结果可以编译通过，但是一运行就发生段错误。读者可以想一想为什么？:D

关于C中数组指针的翻译问题

看如下函数签名：


fn create_students(n: c_int) -> *mut Student;


​​*mut Student​​ 感觉只是指向一个实例的指针，或者说分不清是一个实例还是一个实例数组。

对，发现这点就对了，C语言里面，这个就是这样的，也不分（。。。从现在来看这个设计，其实有点奇葩）。所以C里面，在知道指针的情况下，还需要一个长度数据才能准确界定一个数组。

既然这样，那我们就这样写就行了。另外两个接口中的参数也是类似情况，不再说明。

神器 sliceRust的slice提供的两个方法：​​slice::from_raw_parts()​​ 和 ​​slice::from_raw_parts_mut()​​。这个东西是神器。实现了我们这个场景下的核心要求，资源在C那边管理，Rust这边只是借用。但是填数据又是在Rust这边。

搜索标准库，我们会发现，Vec也有这两个方法。这其实是对应的。slice的这两个方法，不获取数据的所有权。Vec的这两个方法，获取数据的所有权（必要的时候，会进行完全Copy一份）。

于是可以看到，Rust中的所有权基础，直接影响到了API的设计和使用。

这两个方法必须用 unsafe 括起来调用。

C字符串的细节

C字符串末尾是带 ​​\0​​ 的。


let c_string = CString::new("Mike").expect("CString::new failed");
            let bytes = c_string.as_bytes_with_nul();
这里这个 as_bytes_with_nul() 就是转成字节的时候，带上后面的 '\0'。

elem.name[..bytes.len()].copy_from_slice(bytes);


这个目的就是把我们生成的数据源slice，填充到目标slice，也就是成员的 name 字符中去。

当然，不使用这些现成的API也是行的，可以这样


elem.name[0] = b'M';
elem.name[1] = b'i';
elem.name[2] = b'k';
elem.name[3] = b'e';
elem.name[4] = b'\0';


效果等价。但是明显没有用现成的API方便和安全。

c_char

c_char 内部定义为 i8，我们这里用的 u8，关系不大，用 c_char 的话，用 as 操作符转一下就好了。

所有权分析

整个Rust代码，实际就是调用了C导出的函数。C那边的数据资源，完全由C自己掌控，分配和释放都是C函数自己做的（这点非常重要）。Rust这边只是可变借用，然后填充了数据。

因为在这种跨FFI边界调用的情况下，内存的分配，完全可能不是同一个分配器做的，混用会出各种 undefined behaviour。所以，这些细节一定要注意。

同时也可以看到，Rust和C竟然可以这样玩儿？Rust太强大了。除了C++，我暂时还想不到其它有什么语言能直接与C这样互操作的。

下一篇，我们将会分析第二种场景：

Rust 调 C，数据在 Rust 这边生成，在C中进行处理


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