Rust应用调用C语言动态库的操作方法
目录
- 外部功能接口FFI
- UDP套接字的读超时
- Rust调用C语言动态库中的函数
- 避免重复造轮子,使用Rust官方C语言库
外部功能接口FFI
虽然高级(脚本)编程语言的功能丰富,表达能力强,但对底层的一些特殊操作的支持并不完善,就需要以其他编程语言来实现。调用其他编程语言的接口,被称为Foreign Function Interface
,直译为外部功能接口。该接口通常是调用C语言实现的外部功能模块,因为C语言接近于全能,几乎任何功能都能够实现;正如同使用汇编语言也可以实现很多功能一样,但开发效率低下。很多脚本语言提供了FFI
功能,例如Python、PHP和JIT版本的Lua解析器等。同样的,Rust也提供了FFI接口,作为标准库中一个功能模块;但本文不会讨论该模块的使用方法。本文记录了笔者编写一个简单的C语言动态库,并通过Rust调用动态库导出的函数;另外,笔者直接使用Rust官方提供的libc库,直接替代笔者编写的C语言动态库,以避免重复造轮子。
UDP套接字的读超时
Rust标准库中的UDP网络功能,提供了设置套接字读超时的函数,set_read_timeout
,了解C语言网络编译的开发人员都知道,相应的底层调用为setsockopt(SO_RCVTIMEO)
。假设Rust标准库中UDP模块未提供该函数,就需要编写C语言代码,将其编译成一个动态库,尝试将Rust链接到该库,并调用其中定义的函数了。笔者编写的代码如下:
#include <errno.h> #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <time.h> /* export function to set socket receive timeout */ extern int normal_setsock_timeout(int sockfd, unsigned long timeout); int normal_setsock_timeout(int sockfd, unsigned long timeout) { int ret, err_n; struct timeval tv; tv.tv_sec = (time_t) (timeout / 1000); tv.tv_usec = (timeout % 1000) * 1000; ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &tv, sizeof(tv)); if (ret == -1) { err_n = errno; fprintf(stderr, "Error, setsockopt(%d, RECVTIMEO, %lu) has failed: %s\n", sockfd, timeout, strerror(err_n)); fflush(stderr); errno = err_n; return -1; } return 0; }
通过以下命令生成动态库libsetsock.so
:
gcc -Wall -O2 -fPIC -D_GNU_SOURCE -shared -o libsetsock.so -Wl,-soname=libsetsock.so mysetsock.c
笔者使用Rust编写的简单UDP服务端代码如下:
use std::net::UdpSocket; use chrono::{DateTime, Local}; fn get_local_time() -> String { let nowt: DateTime<Local> = Local::now(); nowt.to_string() } fn main() -> std::io::Result<()> { let usock = UdpSocket::bind("127.0.0.1:2021"); if usock.is_err() { let errval = usock.unwrap_err(); println!("Error, failed to create UDP socket: {:?}", errval); return Err(errval); } // get the UdpSocket structure let usock = usock.unwrap(); // create 2048 bytes of buffer let mut buffer = vec![0u8; 2048]; println!("{} -> Waiting for UDP data...", get_local_time()); // main loop loop { let res = usock.recv_from(&mut buffer); if res.is_err() { println!("{} -> Error, failed to receive from UDP socket: {:?}", get_local_time(), res.unwrap_err()); break; } let (rlen, peer_addr) = res.unwrap(); println!("{} -> received {} bytes from {:?}:{}", get_local_time(), rlen, peer_addr.ip(), peer_addr.port()); } // just return ok Ok(()) }
短短50多行代码实现了一个简单的UDP服务端,作为系统编程语言的Rust开发效率可见一斑。不过该UDP服务器的读操作是阻塞的,它会一直等待网络数据的到来:
udp_socket$ cargo run Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.02s Running `target/debug/udp_socket` 2021-07-11 19:38:29.791363796 +08:00 -> Waiting for UDP data... 2021-07-11 19:38:39.721713256 +08:00 -> received 16 bytes from 127.0.0.1:39180 2021-07-11 19:38:48.553386975 +08:00 -> received 16 bytes from 127.0.0.1:58811
Rust调用C语言动态库中的函数
与C语言类似,Rust使用extern
关键字可实现对外部函数的声明,不过在调用的代码需要以unsafe关键字包成代码块。以下是笔者对上面的Rust代码的修改:
diff --git a/src/main.rs b/src/main.rs index 304c7dc..5921106 100644 --- a/src/main.rs +++ b/src/main.rs @@ -1,5 +1,12 @@ use std::net::UdpSocket; use chrono::{DateTime, Local}; +use std::os::raw::c_int; +use std::os::unix::io::AsRawFd; + +#[link(name = "setsock")] +extern { + pub fn normal_setsock_timeout(sock_fd: c_int, timo: usize) -> c_int; +} fn get_local_time() -> String { let nowt: DateTime<Local> = Local::now(); @@ -20,6 +27,11 @@ fn main() -> std::io::Result<()> { let mut buffer = vec![0u8; 2048]; println!("{} -> Waiting for UDP data...", get_local_time()); + // set UDP socket receive timeout + unsafe { + normal_setsock_timeout(usock.as_raw_fd() as c_int, 5000); + } + // main loop loop { let res = usock.recv_from(&mut buffer);
修改后的主代码增加了#[link]
属性,指示Rust编译器在链接时加入-lsetsock
链接选项。再次编译,会发现链接命令失败:
udp_socket$ cargo build Compiling udp_socket v0.1.0 (/home/yejq/program/rust-lang/udp_socket) error: linking with `cc` failed: exit status: 1
这说明虽然编译是正常的,但在链接时找不到libsetsock.so
动态库。解决方法是在工程根目录下增加一个编译控制的Rust代码,文件名为build.rs
,给出动态库所在的目录:
fn main() { println!(r"cargo:rustc-link-search=native=/home/yejq/program/rust-lang/socket_udp"); }
再次执行cargo build
编译工程,链接就能成功了;使用patchelf
和nm
等命令行工具察看,生成的可执行文件依赖了C语言编写的动态库libsetsock.so
,并引用了其导出的函数符号normal_setsock_timeout
:
udp_socket$ cargo build Compiling udp_socket v0.1.0 (/home/yejq/program/rust-lang/udp_socket) Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 1.72s udp_socket$ patchelf --print-needed ./target/debug/udp_socket libsetsock.so libgcc_s.so.1 libpthread.so.0 libdl.so.2 libc.so.6 ld-linux-x86-64.so.2 udp_socket$ nm --undefined-only ./target/debug/udp_socket | grep -e normal_setsock U normal_setsock_timeout
此时运行简单UDP服务端程序,可以确定我们增加的套接字读超时功能能够正常工作:
udp_socket$ LD_LIBRARY_PATH=/home/yejq/program/rust-lang/socket_udp ./target/debug/udp_socket 2021-07-11 19:55:26.279653039 +08:00 -> Waiting for UDP data... 2021-07-11 19:55:29.788948366 +08:00 -> received 16 bytes from 127.0.0.1:43303 2021-07-11 19:55:31.977738660 +08:00 -> received 16 bytes from 127.0.0.1:46854 2021-07-11 19:55:37.179290653 +08:00 -> Error, failed to receive from UDP socket: Os { code: 11, kind: WouldBlock, message: "Resource temporarily unavailable" }
避免重复造轮子,使用Rust官方C语言库
以上我们用C语言编写了简单的动态库,导出了一个可设置套接字读超时的函数。这个功能过于简单,费大周折编写一个动态库显得得不偿失。另一个解决方案是直接使用Rust官方提供的C语言库,该库提供了很多变量和函数(与glibc提供的宏定义和库函数、系统调用有很多重叠),可以直接添加setsockopt
等系统调用的代码。修改UDP服务器代码:
diff --git a/src/main.rs b/src/main.rs index 5921106..3f4bc84 100644 --- a/src/main.rs +++ b/src/main.rs @@ -2,11 +2,7 @@ use std::net::UdpSocket; use chrono::{DateTime, Local}; use std::os::raw::c_int; use std::os::unix::io::AsRawFd; - -#[link(name = "setsock")] -extern { - pub fn normal_setsock_timeout(sock_fd: c_int, timo: usize) -> c_int; -} +use libc; fn get_local_time() -> String { let nowt: DateTime<Local> = Local::now(); @@ -27,9 +23,17 @@ fn main() -> std::io::Result<()> { let mut buffer = vec![0u8; 2048]; println!("{} -> Waiting for UDP data...", get_local_time()); - // set UDP socket receive timeout unsafe { - normal_setsock_timeout(usock.as_raw_fd() as c_int, 5000); + let time_val = libc::timeval { + tv_sec: 5, + tv_usec: 0, + }; + + // set socket receive timeout via extern create, libc + libc::setsockopt(usock.as_raw_fd() as c_int, + libc::SOL_SOCKET, libc::SO_RCVTIMEO, + &time_val as *const libc::timeval as *const libc::c_void, + std::mem::size_of_val(&time_val) as libc::socklen_t); }
除了以上的修改,还需要在Cargo.toml
文件中加入C语言库的依赖,这里笔者使用的libc版本为0.2.98:
diff --git a/Cargo.toml b/Cargo.toml index f802b0d..eb0b78e 100644 --- a/Cargo.toml +++ b/Cargo.toml @@ -6,4 +6,5 @@ edition = "2018" # See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html [dependencies] +libc = "0.2.98" chrono = "0.4.19"
以上修改的代码,与之前相同的是,调用C语言库提供的函数也需要用到unsafe
代码块;而工程根目录下的编译相关的控制代码build.rs
就不再需要了;编译生成的UDP服务器也会在5秒无数据时退出。最后,能够调用C语言编写的动态库,意味着使用Rust语言来进行嵌入式系统软件的开发,是一种具备可行性的技术方案。
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