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 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

/* 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::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::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::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。

到此这篇关于Rust应用调用C语言动态库的操作方法的文章就介绍到这了,更多相关Rust调用C语言动态库内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！