Go与C语言的互操作

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Go有强烈的C背景,除了语法具有继承性外,其设计者以及其设计目标都与C语言有着千丝万缕的联系。在Go与C语言互操作(Interoperability)方面,Go更是提供了强大的支持。尤其是在Go中使用C,你甚至可以直接在Go源文件中编写C代码,这是其他语言所无法望其项背的。

 
在如下一些场景中,可能会涉及到Go与C的互操作:
 
1、提升局部代码性能时,用C替换一些Go代码。C之于Go,好比汇编之于C。
2、嫌Go内存GC性能不足,自己手动管理应用内存。
3、实现一些库的Go Wrapper。比如Oracle提供的C版本OCI,但Oracle并未提供Go版本的以及连接DB的协议细节,因此只能通过包装C  OCI版本的方式以提供Go开发者使用。
4、Go导出函数供C开发者使用(目前这种需求应该很少见)。
5、Maybe more…
 
一、Go调用C代码的原理
 
下面是一个短小的例子:
package main
 
// #include <stdio.h>
// #include <stdlib.h>
/*
void print(char *str) {
    printf("%s\n", str);
}
*/
import "C"
 
import "unsafe"
 
func main() {
    s := "Hello Cgo"
    cs := C.CString(s)
    C.print(cs)
    C.free(unsafe.Pointer(cs))
}
 
与"正常"Go代码相比,上述代码有几处"特殊"的地方:
1) 在开头的注释中出现了C头文件的include字样
2) 在注释中定义了C函数print
3) import的一个名为C的"包"
4) 在main函数中居然调用了上述的那个C函数-print
 
没错,这就是在Go源码中调用C代码的步骤,可以看出我们可直接在Go源码文件中编写C代码。
 
首先,Go源码文件中的C代码是需要用注释包裹的,就像上面的include 头文件以及print函数定义;
其次,import "C"这个语句是必须的,而且其与上面的C代码之间不能用空行分隔,必须紧密相连。这里的"C"不是包名,而是一种类似名字空间的概念,或可以理解为伪包,C语言所有语法元素均在该伪包下面;
最后,访问C语法元素时都要在其前面加上伪包前缀,比如C.uint和上面代码中的C.print、C.free等。
 
我们如何来编译这个go源文件呢?其实与"正常"Go源文件没啥区别,依旧可以直接通过go build或go run来编译和执行。但实际编译过程中,go调用了名为cgo的工具,cgo会识别和读取Go源文件中的C元素,并将其提取后交给C编译器编译,最后与Go源码编译后的目标文件链接成一个可执行程序。这样我们就不难理解为何Go源文件中的C代码要用注释包裹了,这些特殊的语法都是可以被Cgo识别并使用的。
 
二、在Go中使用C语言的类型
 
1、原生类型
 
* 数值类型
在Go中可以用如下方式访问C原生的数值类型:
 
C.char,
C.schar (signed char),
C.uchar (unsigned char),
C.short,
C.ushort (unsigned short),
C.int, C.uint (unsigned int),
C.long,
C.ulong (unsigned long),
C.longlong (long long),
C.ulonglong (unsigned long long),
C.float,
C.double
 
Go的数值类型与C中的数值类型不是一一对应的。因此在使用对方类型变量时少不了显式转型操作,如Go doc中的这个例子:
 
func Random() int {
    return int(C.random())//C.long -> Go的int
}
 
func Seed(i int) {
    C.srandom(C.uint(i))//Go的uint -> C的uint
}
 
* 指针类型
原生数值类型的指针类型可按Go语法在类型前面加上*,比如var p *C.int。而void*比较特殊,用Go中的unsafe.Pointer表示。任何类型的指针值都可以转换为unsafe.Pointer类型,而unsafe.Pointer类型值也可以转换为任意类型的指针值。unsafe.Pointer还可以与uintptr这个类型做相互转换。由于unsafe.Pointer的指针类型无法做算术操作,转换为uintptr后可进行算术操作。
 
* 字符串类型
C语言中并不存在正规的字符串类型,在C中用带结尾'\0'的字符数组来表示字符串;而在Go中,string类型是原生类型,因此在两种语言互操作是势必要做字符串类型的转换。
 
通过C.CString函数,我们可以将Go的string类型转换为C的"字符串"类型,再传给C函数使用。就如我们在本文开篇例子中使用的那样:
 
s := "Hello Cgo\n"
cs := C.CString(s)
C.print(cs)
 
不过这样转型后所得到的C字符串cs并不能由Go的gc所管理,我们必须手动释放cs所占用的内存,这就是为何例子中最后调用C.free释放掉cs的原因。在C内部分配的内存,Go中的GC是无法感知到的,因此要记着释放。
 
通过C.GoString可将C的字符串(*C.char)转换为Go的string类型,例如:
 
// #include <stdio.h>
// #include <stdlib.h>
// char *foo = "hellofoo";
import "C"
 
import "fmt"
 
func main() {
… …
    fmt.Printf("%s\n", C.GoString(C.foo))
}
 
* 数组类型
C语言中的数组与Go语言中的数组差异较大,后者是值类型,而前者与C中的指针大部分场合都可以随意转换。目前似乎无法直接显式的在两者之间进行转型,官方文档也没有说明。但我们可以通过编写转换函数,将C的数组转换为Go的Slice(由于Go中数组是值类型,其大小是静态的,转换为Slice更为通用一些),下面是一个整型数组转换的例子:
 
// int cArray[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
 
func CArrayToGoArray(cArray unsafe.Pointer, size int) (goArray []int) {
    p := uintptr(cArray)
    for i :=0; i < size; i++ {
        j := *(*int)(unsafe.Pointer(p))
        goArray = append(goArray, j)
        p += unsafe.Sizeof(j)
    }
 
    return
}
 
func main() {
    … …
    goArray := CArrayToGoArray(unsafe.Pointer(&C.cArray[0]), 7)
    fmt.Println(goArray)
}
 
执行结果输出:[1 2 3 4 5 6 7]
 
这里要注意的是:Go编译器并不能将C的cArray自动转换为数组的地址,所以不能像在C中使用数组那样将数组变量直接传递给函数,而是将数组第一个元素的地址传递给函数。
 
2、自定义类型
 
除了原生类型外,我们还可以访问C中的自定义类型。
 
* 枚举(enum)
 
// enum color {
//    RED,
//    BLUE,
//    YELLOW
// };
 
var e, f, g C.enum_color = C.RED, C.BLUE, C.YELLOW
fmt.Println(e, f, g)
 
输出:0 1 2
 
对于具名的C枚举类型,我们可以通过C.enum_xx来访问该类型。如果是匿名枚举,则似乎只能访问其字段了。
 
* 结构体(struct)
 
// struct employee {
//     char *id;
//     int  age;
// };
 
id := C.CString("1247")
var employee C.struct_employee = C.struct_employee{id, 21}
fmt.Println(C.GoString(employee.id))
fmt.Println(employee.age)
C.free(unsafe.Pointer(id))
 
输出:
1247
21
 
和enum类似,我们可以通过C.struct_xx来访问C中定义的结构体类型。
 
* 联合体(union)
 
这里我试图用与访问struct相同的方法来访问一个C的union:
 
// #include <stdio.h>
// union bar {
//        char   c;
//        int    i;
//        double d;
// };
import "C"
 
func main() {
    var b *C.union_bar = new(C.union_bar)
    b.c = 4
    fmt.Println(b)
}
 
不过编译时,go却报错:b.c undefined (type *[8]byte has no field or method c)。从报错的信息来看,Go对待union与其他类型不同,似乎将union当成[N]byte来对待,其中N为union中最大字段的size(圆整后的),因此我们可以按如下方式处理C.union_bar:
 
func main() {
    var b *C.union_bar = new(C.union_bar)
    b[0] = 13
    b[1] = 17
    fmt.Println(b)
}
 
输出:&[13 17 0 0 0 0 0 0]
 
* typedef
在Go中访问使用用typedef定义的别名类型时,其访问方式与原实际类型访问方式相同。如:
 
// typedef int myint;
 
var a C.myint = 5
fmt.Println(a)
 
// typedef struct employee myemployee;
 
var m C.struct_myemployee
 
从例子中可以看出,对原生类型的别名,直接访问这个新类型名即可。而对于复合类型的别名,需要根据原复合类型的访问方式对新别名进行访问,比如myemployee实际类型为struct,那么使用myemployee时也要加上struct_前缀。
 
三、Go中访问C的变量和函数
 
实际上上面的例子中我们已经演示了在Go中是如何访问C的变量和函数的,一般方法就是加上C前缀即可,对于C标准库中的函数尤其是这样。不过虽然我们可以在Go源码文件中直接定义C变量和C函数,但从代码结构上来讲,大量的在Go源码中编写C代码似乎不是那么“专业”。那如何将C函数和变量定义从Go源码中分离出去单独定义呢?我们很容易想到将C的代码以共享库的形式提供给Go源码。
 
Cgo提供了#cgo指示符可以指定Go源码在编译后与哪些共享库进行链接。我们来看一下例子:
 
package main
 
// #cgo LDFLAGS: -L ./ -lfoo
// #include <stdio.h>
// #include <stdlib.h>
// #include "foo.h"
import "C"
import "fmt“
 
func main() {
    fmt.Println(C.count)
    C.foo()
}
 
我们看到上面例子中通过#cgo指示符告诉go编译器链接当前目录下的libfoo共享库。C.count变量和C.foo函数的定义都在libfoo共享库中。我们来创建这个共享库:
 
// foo.h
 
int count;
void foo();
 
//foo.c
#include "foo.h"
 
int count = 6;
void foo() {
    printf("I am foo!\n");
}
 
$> gcc -c foo.c
$> ar rv libfoo.a foo.o
 
我们首先创建一个静态共享库libfoo.a,不过在编译Go源文件时我们遇到了问题:
 
$> go build foo.go
# command-line-arguments
/tmp/go-build565913544/command-line-arguments.a(foo.cgo2.)(.text): foo: not defined
foo(0): not defined
 
提示foo函数未定义。通过-x选项打印出具体的编译细节,也未找出问题所在。不过在Go的问题列表中我发现了一个issue(http://code.google.com/p/go/issues/detail?id=3755),上面提到了目前Go的版本不支持链接静态共享库。
 
那我们来创建一个动态共享库试试:
 
$> gcc -c foo.c
$> gcc -shared -Wl,-soname,libfoo.so -o libfoo.so  foo.o
 
再编译foo.go,的确能够成功。执行foo。
 
$> go build foo.go && go
6
I am foo!
 
还有一点值得注意,那就是Go支持多返回值,而C中并没不支持。因此当将C函数用在多返回值的调用中时,C的errno将作为err返回值返回,下面是个例子:
 
package main
 
// #include <stdlib.h>
// #include <stdio.h>
// #include <errno.h>
// int foo(int i) {
//    errno = 0;
//    if (i > 5) {
//        errno = 8;
//        return i – 5;
//    } else {
//        return i;
//    }
//}
import "C"
import "fmt"
 
func main() {
    i, err := C.foo(C.int(8))
    if err != nil {
        fmt.Println(err)
    } else {
        fmt.Println(i)
    }
}
 
$> go run foo.go
exec format error
 
errno为8,其含义在errno.h中可以找到:
 
#define ENOEXEC      8  /* Exec format error */
 
的确是“exec format error”。
 
四、C中使用Go函数
 
与在Go中使用C源码相比,在C中使用Go函数的场合较少。在Go中,可以使用"export + 函数名"来导出Go函数为C所使用,看一个简单例子:
 
package main
 
/*
#include <stdio.h>
 
extern void GoExportedFunc();
 
void bar() {
        printf("I am bar!\n");
        GoExportedFunc();
}
*/
import "C"
 
import "fmt"
 
//export GoExportedFunc
func GoExportedFunc() {
        fmt.Println("I am a GoExportedFunc!")
}
 
func main() {
        C.bar()
}
 
不过当我们编译该Go文件时,我们得到了如下错误信息:
 
# command-line-arguments
/tmp/go-build163255970/command-line-arguments/_obj/bar.cgo2.o: In function `bar':
./bar.go:7: multiple definition of `bar'
/tmp/go-build163255970/command-line-arguments/_obj/_cgo_export.o:/home/tonybai/test/go/bar.go:7: first defined here
collect2: ld returned 1 exit status
 
代码似乎没有任何问题,但就是无法通过编译,总是提示“多重定义”。翻看Cgo的文档,找到了些端倪。原来
 
There is a limitation: if your program uses any //export directives, then the C code in the comment may only include declarations (extern int f();), not definitions (int f() { return 1; }).
 
似乎是// extern int f()与//export f不能放在一个Go源文件中。我们把bar.go拆分成bar1.go和bar2.go两个文件:
 
// bar1.go
 
package main
 
/*
#include <stdio.h>
 
extern void GoExportedFunc();
 
void bar() {
        printf("I am bar!\n");
        GoExportedFunc();
}
*/
import "C"
 
func main() {
        C.bar()
}
 
// bar2.go
 
package main
 
import "C"
import "fmt"
 
//export GoExportedFunc
func GoExportedFunc() {
        fmt.Println("I am a GoExportedFunc!")
}
 
编译执行:
 
$> go build -o bar bar1.go bar2.go
$> bar
I am bar!
I am a GoExportedFunc!
 
个人觉得目前Go对于导出函数供C使用的功能还十分有限,两种语言的调用约定不同,类型无法一一对应以及Go中类似Gc这样的高级功能让导出Go函数这一功能难于完美实现,导出的函数依旧无法完全脱离Go的环境,因此实用性似乎有折扣。
 
五、其他
 
虽然Go提供了强大的与C互操作的功能,但目前依旧不完善,比如不支持在Go中直接调用可变个数参数的函数(issue975),如printf(因此,文档中多用fputs)。
 
这里的建议是:尽量缩小Go与C间互操作范围。
 
什么意思呢?如果你在Go中使用C代码时,那么尽量在C代码中调用C函数。Go只使用你封装好的一个C函数最好。不要像下面代码这样:
 
C.fputs(…)
C.atoi(..)
C.malloc(..)
 
而是将这些C函数调用封装到一个C函数中,Go只知道这个C函数即可。
 
C.foo(..)
 
相反,在C中使用Go导出的函数也是一样。

 

© 2012, bigwhite. 版权所有.

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  1. func CArrayToGoArray(cArray unsafe.Pointer, size int) (goArray []int) {…}这个有更好的实现方案:func CArrayToGoSlice(begin uintptr, size int) []byte { var theGoSlice []byte sliceHeader := (*reflect.SliceHeader)((unsafe.Pointer(&theGoSlice))) sliceHeader.Cap = size sliceHeader.Len = size sliceHeader.Data = begin return theGoSlice}

  2. func CArrayToGoArray(cArray unsafe.Pointer, size int) []int { return (*[1<<30]int)(cArray)[0:size]}

  3. 这里提到的C使用GO的例子,最终还是使用GO来编译的C代码,如果GO编译出来的库文件能直接给C使用就好了(似乎不太现实)