Rust中FFI編程知識(shí)點(diǎn)有哪些

這篇文章主要介紹了Rust中FFI編程知識(shí)點(diǎn)有哪些的相關(guān)知識(shí)，內(nèi)容詳細(xì)易懂，操作簡(jiǎn)單快捷，具有一定借鑒價(jià)值，相信大家閱讀完這篇Rust中FFI編程知識(shí)點(diǎn)有哪些文章都會(huì)有所收獲，下面我們一起來看看吧。

Rust語(yǔ)言對(duì)FFI的支持

Rust 語(yǔ)言主要在關(guān)鍵字和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)兩個(gè)方面對(duì) FFI 提供了支持，具體如下：
關(guān)鍵字 extern
屬性 #[no_mangle]
外部塊 ExternBlock 及其屬性 link 和 link_name
標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)
std:os:raw 模塊：例如c_char。
std:ffi 模塊：傳遞 UTF-8 字符串時(shí)，CString和CStr很有用。

libc-crate庫(kù)

你可以使用 libc::foo 這種形式訪問這個(gè)庫(kù)中的任何導(dǎo)出內(nèi)容。
在Rust里，只能創(chuàng)建子線程，如果想創(chuàng)建子進(jìn)程，就需要用到libc庫(kù)

fn main() {    
unsafe {        
let pid = libc::fork();                                                                                                               if pid > 0 {println!("Hello, I am parent thread: {}", libc::getpid());}   
else if pid == 0 {println!("Hello, I am child thread: {}", libc::getpid());println!("My parent thread: {}", libc::getppid());        }        
else {println!("Fork creation failed!");}}}

1.libc 的所有函數(shù)調(diào)用，都必須放進(jìn) unsafe 塊中。因?yàn)樗乃姓{(diào)用都是 unsafe 的；
2.std 的線程操作封裝，好用，形象。libc 的進(jìn)程操作，與 C 語(yǔ)言系統(tǒng)編程一樣，完全是另外一套思路和編程風(fēng)格；
3.std 的線程操作雖然簡(jiǎn)潔，但是也缺少更細(xì)顆粒度的控制。而 libc 可以對(duì)進(jìn)程的操作（及后面對(duì)子進(jìn)程的功能擴(kuò)充，父進(jìn)程中的信號(hào)管理等），做到完全的控制，更加靈活，功能強(qiáng)大；
4.std 本身無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)程 fork 的功能。
因?yàn)槲?Rust 的封裝是 zero cost （零成本）的。零成本抽象賦予了 Rust 系統(tǒng)編程的能力。

libc 與 std::os:????::raw，這里面有的用法是一樣的，沒有任何問題。簡(jiǎn)單的和C交互可以用os:raw里面的，而一旦產(chǎn)生了系統(tǒng)調(diào)用或者 Unix 環(huán)境編程，那么就得引入 libc 庫(kù)來操作。

cbindgen 工具的介紹和使用

這個(gè)工具就是將寫好的Rust代碼配置一下，然后會(huì)自動(dòng)生成接口代碼頭文件等等。其實(shí)，F(xiàn)FI封裝、轉(zhuǎn)換，熟悉了之后，知識(shí)點(diǎn)就那些，模式也比較固定，如果接口量很大，那就需要大量重復(fù)的 coding。量一大，人手動(dòng)綁定出錯(cuò)的機(jī)率也大。所以這種輔助工具的意義就顯露出來了?；谳o助工具生成的代碼，如不完美，再適當(dāng)手動(dòng)修一修，幾下就能搞定，大大提高生產(chǎn)效率。

Rust指針

在Rust中，存在三種類型的指針：

1.Rust自帶的指針類型：

引用—安全的指針

&T：它是對(duì)類型T的不可變引用
&mut T：它是對(duì)類型T的可變引用

2. 原始指針

眾所周知，Rust語(yǔ)言的指針是一種安全的指針，它會(huì)遵循一定的規(guī)則，比如ownership規(guī)則，會(huì)確保不出現(xiàn)懸掛指針。但是當(dāng)我們需要寫一些底層框架的時(shí)候，往往需要繞過這些規(guī)則，自由的控制指針，這時(shí)候我們就可以使用原始指針。
*const T：表示指向類型T的不可變?cè)贾羔?。它是Copy類型。這類似于&T，只是它可以為空值。
*mut T：一個(gè)指向T的可變?cè)贾羔槪恢С諧opy特征（non-Copy）。
以下可以定義Rust的原始指針：

fn main() {
    let mut num = 5;
    let r1 = &num as *const i32;
    let r2 = &mut num as *mut i32;
}

3.智能指針

管理原始指針非常不安全，開發(fā)者在使用它們時(shí)需要注意很多細(xì)節(jié)。不恰當(dāng)?shù)厥褂盟鼈兛赡軙?huì)以非常隱蔽的方式導(dǎo)致諸如內(nèi)存泄漏、引用掛起，以及大型代碼庫(kù)中的雙重釋放等問題。為了解決這些問題，我們可以使用C++中廣泛采用的智能指針。
智能指針的兩個(gè)特性：Drop和Deref
Drop：這是多次提及的特征，它可以自動(dòng)釋放相關(guān)值超出作用域后占用的資源。Drop特征類似于你在其他語(yǔ)言中遇到的被稱為對(duì)象析構(gòu)函數(shù)的東西。它包含一個(gè)drop方法，當(dāng)對(duì)象超出作用域時(shí)就會(huì)被調(diào)用。該方法將&mut self作為參數(shù)。使用drop釋放值是以LIFO的方式進(jìn)行的。也就是說，無論最后構(gòu)建的是什么，都首先會(huì)被銷毀。drop方法是你為自己的結(jié)構(gòu)體放置清理代碼的理想場(chǎng)所。例如使用引用計(jì)數(shù)值或GC時(shí)，它尤其方便。當(dāng)我們實(shí)例化任何Drop實(shí)現(xiàn)值時(shí)（任意堆分配類型），Rust編譯器會(huì)在編譯后的代碼中每個(gè)作用域結(jié)束的位置插入drop方法調(diào)用。因此，我們不需要在這些實(shí)例上手動(dòng)調(diào)用drop方法。
Deref：為了提供與普通指針類似的行為，也就是說，為了能夠解引用被指向類型的調(diào)用方法，智能指針類型通常會(huì)實(shí)現(xiàn)Deref特征，這允許用戶對(duì)這些類型使用解引用運(yùn)算符*。雖然Deref只為你提供了只讀權(quán)限，但是還有DerefMut，它可以為你提供對(duì)底層類型的可變引用。

智能指針的種類：
標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的智能指針有如下幾種。
Box：它提供了最簡(jiǎn)單的堆資源分配方式。Box類型擁有其中的值，并且可用于保存結(jié)構(gòu)體中的值，或者從函數(shù)返回它們。
Rc：它用于引用計(jì)數(shù)。每當(dāng)獲取新引用時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)執(zhí)行遞增操作，并在用戶釋放引用時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器執(zhí)行遞減操作。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)，該值將被移除。
Arc：它用于原子引用計(jì)數(shù)。這與之前的類型類似，但具有原子性以保證多線程的安全性。
Cell：它為我們提供實(shí)現(xiàn)了Copy特征的類型的內(nèi)部可變性。換句話說，我們有可能獲得多個(gè)可變引用。
RefCell：它為我們提供了類型的內(nèi)部可變性，并且不需要實(shí)現(xiàn)Copy特征。它用于運(yùn)行時(shí)的鎖定以確保安全性。

引用計(jì)數(shù)指針：
所有權(quán)規(guī)則只允許某個(gè)給定作用域中存在一個(gè)所有者。但是，在某些情況下你需要與多個(gè)變量共享類型。例如在GUI庫(kù)中，每個(gè)子窗體小部件都需要具有對(duì)其父容器窗口小部件的引用，以便基于用戶的resize事件來調(diào)整子窗口的布局。雖然有時(shí)生命周期允許你將父節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)為&'a Parent，但是它通常受到’a值生命周期的限制，一旦作用域結(jié)束，你的引用將失效。在這種情況下，我們需要更靈活的方法，并且需要使用引用計(jì)數(shù)類型。程序中的這些智能指針類型會(huì)提供值的共享所有權(quán)。

引用計(jì)數(shù)類型支持某個(gè)粒度級(jí)別的垃圾回收。在這種方法中，智能指針類型允許用戶對(duì)包裝值進(jìn)行多次引用。在內(nèi)部，智能指針使用引用計(jì)數(shù)器（這里是refcount）來統(tǒng)計(jì)已發(fā)放的并且活動(dòng)的引用數(shù)量，不過它只是一個(gè)整數(shù)值。當(dāng)引用包裝的智能指針值的變量超出作用域時(shí)，refcount的值就會(huì)遞減。一旦該對(duì)象的所有引用都消失，refcount的值也會(huì)變成0，之后該值會(huì)被銷毀。這就是引用計(jì)數(shù)指針的常見工作模式。

Rust為我們提供了兩種引用計(jì)數(shù)指針類型。
Rc：這主要用于單線程環(huán)境。
Arc：這主要用于多線程環(huán)境。

Rust和C交互時(shí)的各種指針變換

1.pub extern “C” fn sum_of_array(array: *const u32, len: usize) -> u32
slice::from_raw_parts(array,len)
C端傳來的數(shù)組（指針類型），進(jìn)到Rust這邊進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，變成非可變?cè)贾羔橆愋汀：瘮?shù)slice::from_raw_parts(array,len)就是對(duì)原始指針進(jìn)行轉(zhuǎn)換為Rust切片類型，切片就是一個(gè)指針+一個(gè)長(zhǎng)度即可。

2.CStr::from_ptr(raw_string)：CStr就是C端產(chǎn)生數(shù)據(jù)，Rust端使用，
只是借用，常用于打印。raw_string是直接從C接過來的可變?cè)贾羔槨?br/>使用std::ffi::CStr提供的from_ptr方法包裝 C 的字符串指針，它基于空字符’\0’來計(jì)算字符串的長(zhǎng)度，并可以通過它將外部 C 字符串轉(zhuǎn)換為 Rust 的 &str和String

use std::ffi::CStr;
use libc::c_char;
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(raw_string);
cstr.to_string_lossy().into_owned()
}
}

3.CStr::from_ptr(s).to_string_lossy().into_owned()：注意to_string_lossy()的使用：因?yàn)樵趓ust中一切字符都是采用utf8表示的而c不是，
因此如果要將c的字符串轉(zhuǎn)換到rust字符串的話，需要檢查是否都為有效utf-8字節(jié)。

4.CString::new(“Hello, world!”).as_ptr():Cstring是Rust端產(chǎn)生數(shù)據(jù)，C端進(jìn)行使用。
as_ptr()就是將RustCString指針類型轉(zhuǎn)化為C的原始指針類型。

5.CString::new(“Hello world!”).into_raw()
使用std::ffi::CString提供的一對(duì)方法into_raw和from_raw可以進(jìn)行原始指針轉(zhuǎn)換，由于將字符串的所有權(quán)轉(zhuǎn)移給了調(diào)用者，所以調(diào)用者必須將字符串返回給 Rust，以便正確地釋放內(nèi)存。
into_raw()和.as_ptr()的作用類似，都是變成原始指針傳給C端。
6.CString::from_raw(s)
一般在釋放內(nèi)存的時(shí)候使用，C端用完需要Rust端來釋放。

7.Box::into_raw(Box::new(new_stu))：其實(shí)這里是智能指針和兩端堆棧申請(qǐng)有關(guān)，into_raw()就是將Rust智能指針變成原始指針。
8.Box::from_raw(p_stu)：from_raw()：就是將C端傳來的p_stu變成Rust智能指針。

數(shù)組類型傳遞

C代碼：

  uint32_t sum = sum_of_array(numbers, length);

Rust代碼：

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()
}

這里的參數(shù)傳遞一目了然，array一開始是C過來的指針類型，通過slice::from_raw_parts(array,len)之后，變成一個(gè)Rust切片類型，后面用iter進(jìn)行求和。切片類型就是一個(gè)指針和一組數(shù)據(jù)合在一起組成。

字符串類型

對(duì)于C語(yǔ)言來說，字符串有兩種，一種是共享的只讀字符串 char * ，不能修改。另一種是動(dòng)態(tài)分配的可變字符串 char []，可以修改。
而在Rust里面，字符串是由字符的 UTF-8 編碼組成的字節(jié)序列。表示的類型有很多種。
字符串則比較復(fù)雜，Rust 中的字符串，是一組u8組成的 UTF-8 編碼的字節(jié)序列，字符串內(nèi)部允許NULL字節(jié)；但在 C 中，字符串只是指向一個(gè)char的指針，用一個(gè)NULL字節(jié)作為終止。
我們需要做一些特殊的轉(zhuǎn)換，在 Rust FFI 中使用std::ffi::CStr，它表示一個(gè)NULL字節(jié)作為終止的字節(jié)數(shù)組，可以通過 UTF-8 驗(yàn)證轉(zhuǎn)換成 Rust 中的&str。
CStr：表示以空字符終止的 C 字符串或字節(jié)數(shù)組的借用，屬于引用類型。一般用于和 C 語(yǔ)言交互，由 C 分配并被 Rust 借用的字符串。
CString：表示擁有所有權(quán)的，中間沒有空字節(jié)，以空字符終止的字符串類型。一般用于和 C 語(yǔ)言交互時(shí)，由 Rust 分配并傳遞給 C 的字符串。
下面這段代碼，在這里get_string使用CStr::from_ptr從C的char*獲取一個(gè)字符串，并且轉(zhuǎn)化成了一個(gè)String。

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

和CStr表示從C中來，rust不擁有歸屬權(quán)的字符串相反，CString表示由rust分配，Rust擁有所有權(quán)，可以進(jìn)行修改，用以傳給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 將CString轉(zhuǎn)化成char指針傳給c函數(shù)
}

兩端分配堆棧，另一端填充打印

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