简析Swift和C的交互

发布于:2014-06-19 11:31阅读数:

C中有指针,而Swift中没有,同时基本类型还有很多不同。所以混编难免需要在两种语言的不同类型之间进行转换。牢记一个万能函数 reinterpretCast(T) -> U,只要T, U sizeof运算相等就可以直接转

转自猫·仁波切的博客微博

 

其中 @asmname 的两个用法源于我的猜测验证,用到了 Xcode, lldb, nm, llvm ir 等工具或格式。

 

其中 name mangling 部分源自 WWDC。

 

相关的分析主要基于我 dump 出的 Swift 标准库声明代码,位于 我的 Github andelf/Defines-Swift

 

之前好像简单说过 Swift 和 Objective-C 的交互问题。其实我们也可以用 Swift 调用纯 C 代码或者基于 C 的第三方库。(这里不会也永远不会考虑 C++ 的情况,因为不支持,不过可以用 C 写 wrapper, 这个没有任何问题。)

 

Swift 官方文档中,以及那本已经被迅速翻译为中文的 ibooks 书中,都提到了 Swift 调用 Objective-C 和 C 是有很好支持的。不过没有细节。

 

本内容包括 Swift 调用 C 和相应的 C 调用 Swift,项目混编。

 

这里主要面向 MacOSX 应用。iOS 或许可以适用。

 

先复习下区别。

 

第一部分 预备知识

 

语言区别

说到底就是 C 少了很多东西。但是多了个指针。

 

对于 C 来说,最头疼的莫过于指针,而 Swift 是一门没有指针的语言。是不是要吐血?相对来说指针不但代表者指针操作传参,还有指针运算等等。

 

第二部分 调用 C

 

这里主要讨论函数的调用。对于结构、枚举、类的兼容性暂时没尝试。

 

C 标准库

好消息是,对于标准库中的 C 函数,根本不需要考虑太多导入头文件神马的。比如 strlen、putchar、vprintf。当然 vprintf 需要多说几句,后面说。

 

请直接 import Darwin 模块。

 

这些标准库函数表示为 Darwin.C.HEADER.name。

 

实际上由于 Swift 模块结构是平坦的,他们均位于 Darwin 中,所以基本上是直接用的。

 

然后 CoreFoundation 用到了 Darwin ( @exported 导入,所以相当于这些名字也在 CoreFoundation 中)。

 

然后 Foundation 用到了 CoreFoundation (也是 @exported 导入。)

 

所以其实你导入 Foundation 的时候,这些 C 函数都是直接可用的。比如 putchar 一类。

 

多说一句,Cocoa 当然也包含 Foundation。

 

C 函数

好吧假设你有个牛逼到顶天的算法是 C 写的,不对,假设是别人写的,牛逼到你只能凑合用却看不懂然后自己也写不出没空迁移的地步。

 

我们直接创建一个 Swift 项目,然后 New File,添加一个 .c 文件。

 

这时候 Xcode 会弹出对话框询问是否配置 Bridge Header,确认就可以了。也可以手动添加 Bridge Header,位置在项目的 Build Settings 中的 Swift Compiler – Code Generation 子项里。指向你的 Bridge Header 文件名就可以了。

 

一般这个文件是 ProjectName-Bridging-Header.h。情况基本和与 Objective-C 混编没区别。

 

剩下的工作就很简单了。在 .c 文件填上传说中的牛逼算法。在 ProjectName-Bridging-Header.h 中加上该函数原型或者引入相关的头文件。

 

在 Swift 中调用的名字和 C 名字一样就可以了,比如你定义了一个 int mycsort() 那么在 Swift 中就是 func mycsort() -> CInt。

 

这时候问题来了。一个漂亮的问题。

 

我的 C 函数名字和 Swift 标准库冲突怎么办?比如我定义了一个函数就叫 println,我们知道 Swift 里也有个 println。

 

这样,如果直接调用会提示 Ambiguous use of 'println'。没辙了么?

 

这里有个我发现的 Undocumented Featuer 或者说是 Undocumented Attribute。你转载好歹提下我好吧。(发现方法是通过 Xcode 查看定义,然后通过 nm 命令发现符号, 对照 llvm ir 确认的。)

 

那就是 @asmname("func_name_in_c")。用于函数声明前。使用方法:

  1. int println() { .... } 
  1. @asmname("println") func c_println() -> CInt // 声明,不需要 {} 函数体 
  2. c_println() // 调用 

也就是 C 中的同名函数,我们可以给赋予一个别名,然后正常调用。这么一看就基本没有问题了。至于类型问题,待会说,详细说。

 

C Framework

很多时候我们拿到的是第三方库,格式大概是个 Framework。比如 SDL2.framework。举这个例子是因为我想对来说比较熟悉 SDL2。

 

直接用 Finder 找到这个 .framework 文件,拖动到当前项目的文件列表里,这样它将作为一个可以展开的文件夹样式存在于我们的项目中。

 

在 ProjectName-Bridging-Header.h 中引入其中需要的 .h。

 

比如我们引入 SDL2.framework,那么我们就需要写上 #import <SDL2/SDL.h>。

 

然后在 Swift 文件里正常调用就好了。

 

所以其实说到底核心就是那个 ProjectName-Bridging-Header.h,因为它是作为参数传递给 Swift 编译器的,所以 Swit 文件里可以从它找到定义的符号。

 

但是,这个桥接头文件的一切都是隐式的,类型自动对应,所以很多时候需要我们在 Swift 里调用并封装。或者使用 @asmname(...) 避免名字冲突。

 

第三部分 类型转换

 

前面说到了 C 中有指针,而 Swift 中没有,同时基本类型还有很多不同。所以混编难免需要在两种语言的不同类型之间进行转换。

 

牢记一个万能函数 reinterpretCast<T, U>(T) -> U,只要 T, U sizeof 运算相等就可以直接转换。这个在之前的标准库函数里有提到。调用 C 代码的利器!

 

基本类型对应

int => CInt

char => CChar / CSignedChar

char* => CString

unsigned long = > CUnsignedLong

wchar_t => CWideChar

double => CDouble

T* => CMutablePointer

void* => CMutableVoidPointer

const T* => CConstPointer

const void* => CConstVoidPointer

继续这个列表,你肯定会想这么多数值类型,怎么搞。其实大都是被 typealias 定义到 UInt8,Double 这些的。放心。C 中数值类型全部被明确地用别名定义到带 size 的 Swift 数值类型上。完全是一样用的。

 

其实真正的 Pointer 类型只是 UnsafePointer<T>,大小与 C 保证一致,而对于这里不同类型的 Pointer,其实都是 UnsafePointer 到它们的隐式类型转换。还有个指针相关类型是 COpaquePointer,不过没试验怎么用。

 

UPDATE: 我们在调用的时候,更多地用到 COpaquePointer,我将再坑一篇介绍它。

 

同时 NilType,也就是 nil 有到这些指针的隐式类型转换。所以可以当做任何一种指针的 NULL 用。

 

还有个需要提到的类型是 CString, 他的内存 layout 等于 UnsafePointer<UInt8>,下面说。

 

CString

用于表示 char *,\0 结尾的 c 字符串,实际上似乎还看到了判断是否 ASCII 的选项,但是没试出来用法。

 

实现了 StringLiteralConvertible 和 LogicValue。可以从字符串常量直接赋值获得 CString。LogicValue 也就是是 if a_c_str {},实际是用于判断是否为 NULL,可用,但是不稳定,老 crash。

 

运算符支持 ==,判断两字符串是否相当,猜测实际是 strcmp 实现,对比 NULL 会 crash。Orz。

 

CString 和 String 的转换通过一个 extension 实现,也是很方便。

  1. extension String { 
  2.   static func fromCString(cs: CString) -> String 
  3.   static func fromCString(up: UnsafePointer<CChar>) -> String 
  4. // 还有两个方便的工具方法。 Rust 背景的同学一定仰天长啸。太相似了。 
  5. extension String { 
  6.   func withCString<Result>(f: (CString) -> Result) -> Result 
  7.   func withCString<Result>(f: (UnsafePointer<CChar>) -> Result) -> Result 

在我们的 Bridging Header 头文件中 char * 的类型会对应为 UnsafePointer<CChar>,而实际上 CString 更适合。所以在 Swift 代码中,往往我们要再次申明下这个函数。或者用一个函数封装下,转换成我们需要的类型。

 

例如,假设在 Bridging Header 中我们声明了 char * foo();,那么,在 Swift 代码中我们可以用上面提到的方法:

  1. @asmname("foo") func c_foo() -> CString 
  2. // 注意这里没有 {},只是声明 
  3. let ret = c_foo() 

当然也可以直接调用原始函数然后类型转换:

  1. let raw = foo() // UnsafePointer<Int8> <=> UnsafePointer<CChar> 
  2. let ret = String.fromCString(ret) 

如果这里要转成 CString 就略复杂了,因为 CString 构造函数接受的参数是 UnsafePointer<UInt8>, 而 CChar 是 Int8 的别名,所以还牵扯到 Genrics 类型转换,不够方便。

 

如果非要作为 CString 处理,可以用 reinterpretCast(),直接转换。但是请一定要知道自己在转换什么,确保类型的 sizeof 相同,确保转换本身有意义。

 

例如获得环境变量字符串:

  1. let key = "PATH" 
  2. // 这里相当于把 UnsafePointer<CChar> 转为了 UnsafePointer<UInt8> 然后到 CString 
  3. let path_str: CString = reinterpretCast(key.withCString(getenv)) 

Unmanaged

这个先挖坑,随后填上。

 

VaList

这个也是坑,随后填上。

 

第三部分 C 调用 Swift

 

如果项目里加入了 C 文件,那么它可以调用我们的 Swift 函数么?答案是可以的,而且令人吃惊地透明。这也许是因为 Apple 所宣传的,Small Runtime 概念吧。极小的语言运行时。

 

和 Objective-C 混编类似,配置好 Bridging Header 的项目,在 .c .h .m 文件中都可以使用一个叫做 ProjectName-Swift.h 的头文件,其中包含 Swift 代码导出的函数等。

 

参考之前的 Objective-C 和 C 交互我们可以知道,说到底交互就是链接过程,只要链接的时候能找到符号就可以。

 

不过不能高兴太早,Swift 是带类、枚举、协议、多态、泛型等的高级语言,符号处理明显要比 C 中的复杂的多,现代语言一般靠 name mangle 来解决这个问题。也就是说一个 Swift 函数,在编译到 .o 的时候,名字就不是原来那么简单了。比如 __TFV5hello4Rectg9subscriptFOS_9DirectionSi 这样的名字。

 

Xcode 自带了个工具, 可以查看这些 mangled name 到底是什么东西:

  1. xcrun swift-demangle __TFV5hello4Rectg9subscriptFOS_9DirectionSi 
  2. _TFV5hello4Rectg9subscriptFOS_9DirectionSi ---> hello.Rect.subscript.getter (hello.Direction) -> Swift.Int 

当我们从 C 调用的时候,应该规避这样的名字。还记得前面的 @asmname 么?没错,它可以用于指定 Swift 函数的符号名,我猜测应该有指定 mangled name 的作用,但是不是特别确定。

 

这里随便指定个例子先。

  1. @asmname("say_hello") func say_hello() -> Double { 
  2.     println("This is say_hello() in swift"
  3.     return 3.14 

然后在 .c 文件中:

  1. #include <ProjectName-Swift.h> 
  2.  
  3. extern double say_hello(); 
  4.  
  5. int some_func() { 
  6.   say_hello(); // or capture its value and process it 
  7.   return 0 

对于函数而言 extern 必须手动加上,对于 class 、 protocol ,会在生成的头文件里。

 

按照这个思路,其实很容易实现 Swift 调用 C 中调用了 Swift 函数的函数。这意味着,可以通过简单的方法封装支持向 C 传递 Swift block 作为回调函数。难度中上,对于有过类似扩展编写经验的人来说很简单。

 

第四部分 编译过程

 

其实调用基本就这么多, Objective-C 那篇文章中说的编译过程同样有效。我 C-c C-v 下:

 

编译所有 X.swift 文件到 X.o (with -emit-objc-header, -import-objc-header) (其中包含 .swiftmodule 子过程):由于选项里有 -emit-objc-header,所以之后的 C 文件可以直接 import 对应的 ProjectName-Swift.h

编译 X.c 到 X.o

链接所有 .o 生成可执行文件

 

仔细理解上面的简简单单四行编译过程说明,你就明白为什么 .swfit 和 .c 可以互相调用了。其中两个 Header 文件起到了媒介的作用,一个将 .c/.m 文件中的定义暴露给 Swift,另一个将 .swift 中的定义暴露给 .c/.m 。

 

再看类型对应

 

标准类型这里就不提了,上面的文章讲的很明白了。

 

7 种指针类型

从代码看,我认为 Swift 对应 C 的指针时候,存在一个最原始的类型 RawPointer,但是它是内部表示,不可以直接使用。所以略过。但它是基础,可以认为它相当于 Word 类型(机器字长)。

 

COpaquePointer

不透明指针。之前我以为它很少会用到,不过现在看来想错了,虽然类型不安全,但是很多场合只能用它。它是直接对应 RawPointer 的。字长相等。

 

“In computer programming, an opaque pointer is a special case of an opaque data type, a datatype declared to be a pointer to a record or data structure of some unspecified type.”—— 来自 Wikipedia

 

几乎没有任何操作方法,不带类型,主要用于 Bridging Header 中表示 C 中的复杂结构指针

 

比如一个例子, libcurl 中的 CURL * 的处理,其实就是对应为 COpaquePointer。

 

UnsafePointer

泛型指针。直接对应 RawPointer。字长相等。

 

处理指针的主力类型。常量中的 C_ARGV 的类型也是它 UnsafePointer<CString>。

 

支持大量操作方法:

 

通过 .memory 属性 { get set } 操作指针指向的内容

支持 subscript ,直接对应于 C 的数组,例如 C_ARGV[1]

通过 alloc(num: Int) 分配数组空间

initialize(val: T) 直接初始化

offset 操作 .succ() .pred()

可以从任意一种指针直接调用构造函数获得

隐式类型转换为非 COpaquePointer 之外的任意一种指针

 

AutoreleasingUnsafePointer

之前特地写文介绍过这个指针类型。NSError 的处理就主要用它。 Swift NSError Internals(解析 Swift 对 NSError 操作)

 

内部实现用了语言内置特性,从名字也可以看出来,这个应该是非常棒的一个指针,可以帮助管理内存,逼格也高。内存直接对应 RawPointer 可以传递给 C 函数。

 

通过 .memory 属性 { get set } 操作指针指向的内容

直接从 &T 类型获得,使用方法比较诡异,建议参考文章

 

CMutablePointer CConstPointer

分别对应于 C 中的 T *、const T *。不可直接传递给 C 函数,因为表示结构里还有一个 owner 域,应该是用来自动管理生命周期的。sizeof 操作返回 16。但是可以有隐式类型转换。

 

操作方法主要是 func withUnsafePointer<U>(f: UnsafePointer<T> -> U) -> U,用 Trailing Closure 语法非常方便。

 

CMutableVoidPointer CConstVoidPointer

分别对应于 C 中的 void *、const void *。其他内容同上一种。

 

小结指针

以上 7 种指针类型可以分未两类,我给他们起名为 第一类指针 和 第二类指针 。(你看我在黑马克思耶,算了这个梗太深,参考马克思主义政治经济学)

 

-可以直接用于 C 函数声明的 第一类指针

COpaquePointer UnsafePointer<T> AutoreleasingUnsafePointer<T>

是对 RawPointer 的封装,直接对应于 C 的指针,它们的 sizeof 都是单位字长

 

-不可用于声明 第二类指针

CMutablePointer<T> CConstPointer<T> CMutableVoidPointer CConstVoidPointer

直接从 Swift 对象的引用获得(一个隐藏特性,引用隐式转换)(主要构造方法)

包含了一个 owner 字段,可以管理生命周期,理论上在 Swift 中使用

通过 .withUnsafePointer 方法调用

 

所有指针都实现了 LogicValue 协议,可以直接 if a_pointer 判断是否为 NULL。

 

nil 类型实现了到所有指针类型的隐式类型转换,等价于 C 中的 `NULL,可以直接判断。

 

什么时候用什么?这个问题我也在考虑中,以下是我的建议。

 

对应复杂结构体,不操作结构体字段的: COpaquePointer 例如 CURL *

日常操作: UnsafePointer<T>

同时需要在 Swift 和 C 中操作结构体字段,由 Swift 管理内存:AutoreleasingUnsafePointer<T>

Swift 中创建对象,传递给 C: 第二类指针

 

工具类型

 

CVarArg CVaListPointer VaListBuilder

用于处理 C 语言中的可变参数 valist 函数。

  1. protocol CVarArg { 
  2.   func encode() -> Word[] 

表示该类型可以作为可变参数,相当多的类型都实现了这个。

  1. struct CVaListPointer { 
  2.     var value: UnsafePointer<Void> 
  3.     init(fromUnsafePointer from: UnsafePointer<Void>) 
  4.     @conversion func __conversion() -> CMutableVoidPointer 

对应于 C,直接给 C 函数传递,声明、定义时使用。

  1. class VaListBuilder { 
  2.     init() 
  3.     func append(arg: CVarArg) 
  4.     func va_list() -> CVaListPointer 

工具类,方便地创建 CVaListPointer。

 

还有一些工具函数:

  1. func getVaList(args: CVarArg[]) -> CVaListPointer 
  2. func withVaList<R>(args: CVarArg[], f: (CVaListPointer) -> R) -> R 
  3. func withVaList<R>(builder: VaListBuilder, f: (CVaListPointer) -> R) -> R 

非常方便。

 

UnsafeArray

  1. struct UnsafeArray<T> : Collection, Generator { 
  2.   var startIndex: Int { get } 
  3.   var endIndex: Int { get } 
  4.   subscript (i: Int) -> T { get } 
  5.   init(start: UnsafePointer<T>, length: Int) 
  6.   func next() -> T? 
  7.   func generate() -> UnsafeArray<T> 

处理 C 数组的工具类型,可以直接 for-in 处理。当然,只读的,略可惜。

 

Unmanaged

  1. struct Unmanaged<T> { 
  2.   var _value: T 
  3.   init(_private: T) 
  4.   func fromOpaque(value: COpaquePointer) -> Unmanaged<T> 
  5.   func toOpaque() -> COpaquePointer 
  6.   static func passRetained(value: T) -> Unmanaged<T> 
  7.   static func passUnretained(value: T) -> Unmanaged<T> 
  8.   func takeUnretainedValue() -> T 
  9.   func takeRetainedValue() -> T 
  10.   func retain() -> Unmanaged<T> 
  11.   func release() 
  12.   func autorelease() -> Unmanaged<T> 

顾名思义,手动管理 RC 的。避免 Swift 插入的 ARC 代码影响程序逻辑。

 

C 头文件的导入行为

 

宏定义

数字常量 CInt, CDouble (带类型后缀则为对应类型,如 1.0f ) 字符常量 CString 其他宏 展开后,无定义

 

枚举 enum

创建 enum 类型,并继承自 CUnsignedInt 或 CInt (enum 是否有负初始值)

 

可以通过 .value 访问。

 

结构体 struct

创建 struct 类型,只有默认 init ,需要加上所有结构体字段名创建。

 

可变参数函数

转为 CVaListPointer。手动重声明更好。这里举 Darwin 模块的例子说。

  1. func vprintf(_: CString, _: CVaListPointer) -> CInt 

从 C 调用 Swift

只能调用函数。

 

之前说过,用 @asmname("name") 指定 mangled name 即可。

 

然后 C 语言中人工声明下函数。很可惜自动导出头文件不适用于 C 语言,只适用于 Objective-C 。

 

目测暂时无法导出结构体,因为 Swift 闭源不提供相关头文件。靠猜有风险。

 

全局变量不支持用 @asmname("name") 控制导出符号名。目测可以尝试用 mangled name 访问,但是很不方便。

 

示例

我尝试调用了下 libcurl 。

 

项目地址在 andelf/curl-swift 包含编译脚本(就一句命令)。

 

Bridging Header 只写入 #include<curl/curl.h> 即可。

  1. @asmname("curl_easy_setopt") func curl_easy_setopt(curl: COpaquePointer, option: CURLoption, param: CString) -> CURLcode 
  2. @asmname("curl_easy_setopt") func curl_easy_setopt(curl: COpaquePointer, option: CURLoption, param: CBool) -> CURLcode 
  3.  
  4. let handle = curl_easy_init() 
  5.  
  6. // this should be a const c string. curl_easy_perform() will use this. 
  7. let url: CString = "http://www.baidu.com" 
  8.  
  9. curl_easy_setopt(handle, CURLOPT_URL, url) 
  10. curl_easy_setopt(handle, CURLOPT_VERBOSE, true
  11.  
  12. let ret = curl_easy_perform(handle) 
  13. let error = curl_easy_strerror(ret) 
  14. println("error = \(error)"

值得注意的是其中对单个函数的多态声明, curl_easy_setopt 实际上第三个参数是 void *。

 

以及对 url 的处理,实际上 libcurl 要求设置的 url 参数一直保持到 curl_easy_perform 时,所以这里用 withUnsafePointer 或者 withCString 是不太可取的方法。实际上或许可以用 Unmanaged<T> 来解决。

 

总结

我觉得说这么多,调用 C 已经再没有别的内容可说了。其他的就是编程经验的问题,比如如何实现 C 回调 Swift 或者 Swift 回调 C 。可以参考其他语言的做法。解决方法不只一种。

 

参考文献

我的 Github andelf/Defines-Swift

Swift and C Interop 简析Swift和C的交互 第一部分

Swift NSError Internals(解析 Swift 对 NSError 操作)

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