开发人员 SWIG 快速入门
http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-swig/index.html?cmp=dwskl&cpb=dw&ct=dwcon&cr=cn_swb&ccy=cn
开发人员 SWIG 快速入门
简介： SWIG 是一个非常优秀的开源工具，支持您将 C/C++ 代码与任何主流脚本语言相集成。此外，它向更广泛的受众公开了基本代码，改善了可测试性，让您的 Ruby 代码库某部分能快速写出高性能的 C/C++ 模块。
内容
- SWIG 安装
- 使用 SWIG 编写 Hello World
- SWIG 基础知识
- SWIG 常量
- 常量足够多了：让我们公开一些函数
- C++ 继承和 Ruby 接口
- 指针和 Ruby 接口
- 结束语
- 参考资料
- 关于作者
- 评论
C 和 C++ 被公认为（理当如此）创建高性能代码的首选平台。对开发人员的一个常见要求是向脚本语言接口公开 C/C++ 代码，这正是 Simplified Wrapper and Interface Generator (SWIG) 的用武之地。SWIG 允许您向广泛的脚本语言公开 C/C++ 代码，包括 Ruby、Perl、Tcl 和 Python。本文使用 Ruby 作为公开 C/C++ 功能的首选脚本接口。要理解本文，您必须具备 C/C++ 与 Ruby 方面的相应知识。
SWIG 是一款不错的工具，可适合多种场景，其中包括：
- 向
C/C++代码提供一个脚本接口，使用户更容易使用 - 向您的 Ruby 代码添加扩展或将现有的模块替换为高性能的替代模块
- 提供使用脚本环境对代码执行单元和集成测试的能力
- 使用 TK 开发一个图形用户接口并将它与
C/C++后端集成
此外，与 GNU Debugger 每次都需触发相比，SWIG 要容易调试得多。
使用 SWIG 编写 Hello World
作为输入，SWIG 需要一个包含 ANSI C/C++ 声明和 SWIG 指令的文件。我将此输入文件称为 SWIG 接口文件。一定要记住，SWIG 仅需要足够生成包装器代码的信息。该接口文件通常具有 *.i 或 *.swg 扩展名。以下是第一个扩展文件 test.i：
%module test %constant char* Text = "Hello World with SWIG" |
使用 SWIG 运行此代码：
swig –ruby test.i |
第二个代码段中的命令行在当前文件夹中生成一个名为 test_wrap.c 的文件。现在，您需要在此 C 文件中创建一个共享库。以下是该命令行：
bash$ gcc –fPIC –c test_wrap.c –I$RUBY_INCLUDE bash$ gcc –shared test_wrap.o –o test_wrap.so –lruby –L$RUBY_LIB |
就这么简单。您已准备就绪，那就触发交互式 Ruby shell (IRB)，输入 require 'test_wrap' 来检查 Ruby Test 模块和它的内容。以下是扩展的 Ruby 端：
irb(main):001:0> require 'test_wrap' => true irb(main):002:0> Test.constants => ["Text"] irb(main):003:0> Test:: Text => "Hello World with SWIG" |
SWIG 可用于生成各种语言扩展，只需运行 swig –help 检查所有的可用选项。对于 Ruby，可以输入 swig –ruby <interface file>；对于 Perl，可以使用 swig –perl <interface file>。
也可以使用 SWIG 生成 C++ 代码：只需在命令行使用 –c++ 即可。在前面的示例中，运行 swig –c++ –ruby test.i 会在当前文件夹中生成一个名为 test_wrap.cxx 的文件。
SWIG 基础知识
SWIG 接口文件语法是 C 的一个超集。SWIG 通过一个定制 C 预处理器处理它的输入文件。此外，接口文件中的 SWIG 操作通过一个百分比符号 (%) 后跟的特殊的指令（%module、%constant 等）来控制。SWIG 接口还允许您定义以 %{ 开头和以 %} 结束的信息块。%{ 和 %} 之间的所有内容会原封不动地复制到生成的包装器文件中。
SWIG 接口文件必须以 %module 声明开头，例如 %module module-name，其中 module-name 是目标语言扩展模块的名称。如果目标语言是 Ruby，这类似于创建一个 Ruby 模块。可以提供命令行选项 –module module-name-modified 来改写模块名称：在本例中，目标语言模块名称为（或许您已猜到）module-name-modified。现在，让我们看看常量。
模块初始化功能
SWIG 拥有一个特殊指令 %init，用于定义模块初始化功能。%{ … %} 代码块中 %init 之后定义的代码会在模块加载时调用。以下是代码：
%module test
%constant char* Text = “Hello World with SWIG”
%init %{
printf(“Initialization etc. gets done here\n”);
%}
|
现在重新启动 IRB。以下是在加载模块后得到的代码：
irb(main):001:0> require 'test' Initialization etc. gets done here => true |
SWIG 常量
C/C++ 常量可在接口文件中以多种方式定义。要验证是否向 Ruby 模块公开了相同的常量，只需在加载共享库时在 IRB 提示符下键入 <module-name>.constants。可以以下任何方式定义常量：
- 在一个接口文件中使用
#define - 使用
enum - 使用
%constant指令
请注意，Ruby 常量必需以一个大写字母开头。所以，如果接口文件有诸如 #define pi 3.1415 的声明，SWIG 会自动将它更正为 #define Pi 3.1415 并在此流程中生成一条警告消息：
bash$ swig –c++ –ruby test.i test.i(3) : Warning 801: Wrong constant name (corrected to 'Pi') |
下面的示例包含大量常量。作为 swig –ruby test.i 运行它：
%module test
#define S_Hello "Hello World"
%constant double PI = 3.1415
enum days {Sunday = 1, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday};
|
清单 1 显示了 SWIG 的输出。
清单 1. 向 Ruby 公开 C 枚举：哪里出错了？
test_wrap.c: In function `Init_test': test_wrap.c:2147: error: `Sunday' undeclared (first use in this function) test_wrap.c:2147: error: (Each undeclared identifier is reported only once test_wrap.c:2147: error: for each function it appears in.) test_wrap.c:2148: error: `Monday' undeclared (first use in this function) test_wrap.c:2149: error: `Tuesday' undeclared (first use in this function) test_wrap.c:2150: error: `Wednesday' undeclared (first use in this function) test_wrap.c:2151: error: `Thursday' undeclared (first use in this function) test_wrap.c:2152: error: `Friday' undeclared (first use in this function) test_wrap.c:2153: error: `Saturday' undeclared (first use in this function) |
哎哟：发生什么事了？如果打开 test_wrap.c（清单 2），就可以看到问题。
清单 2. 使用 SWIG 生成的枚举代码
rb_define_const(mTest, "Sunday", SWIG_From_int((int)(Sunday))); rb_define_const(mTest, "Monday", SWIG_From_int((int)(Monday))); rb_define_const(mTest, "Tuesday", SWIG_From_int((int)(Tuesday))); rb_define_const(mTest, "Wednesday", SWIG_From_int((int)(Wednesday))); rb_define_const(mTest, "Thursday", SWIG_From_int((int)(Thursday))); rb_define_const(mTest, "Friday", SWIG_From_int((int)(Friday))); rb_define_const(mTest, "Saturday", SWIG_From_int((int)(Saturday))); |
SWIG 从 Sunday、Monday 等变量中创建 Ruby 常量，但生成的文件中缺少 day 原始的 enum 声明。解决此问题的最简单方式是将 enum 代码放在 %{ … %} 信息块内，使生成的文件知道枚举常量，如 清单 3 所示。
清单 3. 以正确的方式向 Ruby 公开 C 枚举
%module test
#define S_Hello "Hello World"
%constant double PI = 3.1415
enum days {Sunday = 1, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday};
%{
enum days {Sunday = 1, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday};
%}
|
请注意，只有 enum 声明不会使枚举常量可用于脚本环境：您同时需要 %{ … %} 中的 C 代码和接口文件中的 enum 声明。
%inline 特殊指令简介
清单 3 有点奇怪 — 存在没有必要的 enum 代码副本。要删除副本，需要使用 %inline SWIG 指令。%inline 指令将 %{ … %} 信息块中的所有代码插入接口文件中，以同时满足 SWIG 预处理器和 C 编译器的需求。清单 4 显示了修订的代码，enum 现在使用了 %inline。
清单 4. 使用 %inline 指令减少代码副本
%module test
#define S_Hello "Hello World"
%constant double PI = 3.1415
%inline %{
enum days {Sunday = 1, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday};
%}
|
%include 是一种均衡的清除方法
在复杂的企业环境中，可能有一些 C/C++ 头文件定义了您希望向脚本框架公开的全局变量和常量。在接口文件中使用 %include <header.h> 和 %{ #include <header.h> %}，可解决在头文件中重复所有元素的声明的问题。清单 5 显示了该代码。
清单 5. 使用 %include 指令
%module test
%include "header.h"
%{
#include "header.h"
%}
|
%include 指令还适用于 C/C++ 源文件。当与源文件一起使用时，SWIG 自动会将所有函数声明为 extern。
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常量足够多了：让我们公开一些函数
开始学习 SWIG 的最简单方式是在接口文件中声明某个 C 函数，在某个源文件中定义它，在创建共享库时链接相应的目标文件。第一个示例展示了计算一个数的阶乘的函数：
%module test unsigned long factorial(unsigned long); |
以下是我编译为 factorial.o 并在创建 test.so 时链接的 C 代码：
unsigned long factorial(unsigned long n) {
return n == 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}
|
清单 6 显示了 Ruby 接口。
清单 6. 从 Ruby 测试代码
irb(main):001:0> require 'test' => true irb(main):002:0> Test.factorial(11) => 39916800 irb(main):003:0> Test.factorial(34) => 0 |
Factorial 34 失败了，因为 unsigned 类型的 long 没有足够的大小来存放结果。
Ruby 到 C/C++ 的变量映射
让我们从简单的全局变量开始。请注意，C/C++ 全局变量对 Ruby 而言不是真正全局的：只能以模块属性的形式访问它们。将以下全局变量添加到一个 C 文件中，像链接函数一样链接源文件。SWIG 自动为您生成这些变量的 setter 和 getter 方法。以下是 C 代码：
int global_int1; long global_long1; float global_float1; double global_double1; |
清单 7 显示了相同的接口。
清单 7. 向 Ruby 公开 C 接口
%module test
%inline %{
extern int global_int1;
extern long global_long1;
extern float global_float1;
extern double global_double1;
%}
|
现在，加载相应的 Ruby 模块以验证添加的 setter 和 getter 方法：
irb(main):003:0> Test.methods […"global_float1", "global_float1=", "global_int1", "global_int1=", "global_long1", "global_long1=", "global_double1", "global_double1=", …] |
现在访问变量就非常简单了：
irb(main):004:0> Test.global_long1 = 4327911 => 4327911 irb(main):005:0> puts Test.global_long1 => 4327911 |
特别有趣的是 Ruby 转换 int、long、float 和 double 后的结果。请参见 清单 8。
清单 8. 在 Ruby 和 C/C++ 之间的类型映射
irb(main):009:0> Test::global_long1.class => Fixnum irb(main):010:0> Test::global_int1.class => Fixnum irb(main):011:0> Test::global_double1.class => Float irb(main):012:0> Test::global_float1.class => Float |
将结构和类从 C++ 映射到 Ruby
向 Ruby 公开结构和类与 C/C++ 中的传统数据类型完全相同。在接口文件中声明结构和相关的方法。清单 9 声明一个简单的 Point 结构和一个函数来计算它们之间的距离。在 Ruby 端，您将一个新 Point 创建为 Test::Point.new，以 Test.distance_between 的形式调用计算距离。distance_between 函数在一个独立的 C++ 源文件中定义，该文件链接到模块共享库。以下是 SWIG 接口代码：
清单 9. 向 Ruby 公开结构和相关接口
%module test
%inline %{
typedef struct Point {
int x;
int y;
};
extern float distance_between(Point& p1, Point& p2);
%}
|
清单 10 展示了 Ruby 的用法。
清单 10. 从 Ruby 验证 C/C++ 功能
irb(main):002:0> a = Test::Point.new => #<Test::Point:0x2d04260> irb(main):003:0> a.x = 10 => 10 irb(main):004:0> a.y = 20 => 20 irb(main):005:0> b = Test::Point.new => #<Test::Point:0x2cce668> irb(main):006:0> b.x = 20 => 20 irb(main):007:0> b.y = 10 => 10 irb(main):008:0> Test.distance_between(a, b) => 14.1421356201172 |
这个使用模型应该很清楚地说明了，为什么 SWIG 是在设置基本代码的单元或集成测试框架时的一个优秀、方便的工具。
%defaultctor 和其他属性
如果查看一个点的 x 和 y 坐标的默认值，可以看到它们显示为 0。这不是巧合。SWIG 为您的结构生成了默认的构造函数。可以通过在接口文件中指定 %nodefaultctor Point; 来关闭此行为。清单 11 显示了如何做。
清单 11. 没有针对 C++ 结构的默认构造函数
%module test
%nodefaultctor Point;
%inline %{
typedef struct Point {
int x;
int y;
};
%}
|
现在还需要为 Point 结构提供一个显式的构造函数。否则，您将看到以下代码：
irb(main):005:0> a = Test::Point.new
TypeError: allocator undefined for Test::Point
from (irb):5:in `new'
from (irb):5
|
可通过在接口文件中指定 %nodefaultctor;，让每个结构显式定义自己的构造函数。SWIG 也为析构函数中的类似功能定义了 %nodefaultdtor 指令。
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C++ 继承和 Ruby 接口
为简单起见，假设接口函数中有两个 C++ 类 — Base 和 Derived。SWIG 充分意识到 Derived 派生自 Base。从 Ruby 角度讲，您只需使用 Derived.new，就可以放心地期待创建的对象知道它派生自 Base。清单 12 展示了 Ruby 测试代码；在 C++ 或 SWIG 接口端没有特定的操作需要执行。
清单 12. SWIG 接口处理 C++ 继承
irb(main):003:0> a = Test::Derived.new => #<Test::Derived:0x2d06270> irb(main):004:0> a.instance_of? Test::Derived => true irb(main):005:0> a.instance_of? Test::Base => false irb(main):006:0> Test::Derived < Test::Base => true irb(main):007:0> Test::Derived > Test::Base => false irb(main):008:0> a.is_a? Test::Derived => true irb(main):009:0> a.is_a? Test::Base => true |
该处理过程没有使用 C++ 多个继承那么流畅。如果 Derived 继承自 Base1 和 Base2，那么默认的 SWIG 行为只需忽略 Base2。以下是您将从 SWIG 获得的消息：
Warning 802: Warning for Derived d: base Base2 ignored. Multiple inheritance is not supported in Ruby. |
坦诚地讲，SWIG 不能出错，因为 Ruby 不支持多个继承。SWIG 要正常工作，您需要在命令行中传递 –minherit 选项：
bash$ swig -ruby -minherit -c++ test.i |
一定要了解 SWIG 如何处理多重继承。C++ 中的派生类对应于 Ruby 中的一个类，这个类既不是派生自 Base1，也不是派生自 Base2。相反，Base1 和 Base2 代码重构为模块并包含在 Derived 中。这就是 Ruby 术语中所称的 mixin。清单 13 展示了所发生事件的伪代码。
清单 13. 使用 Ruby 模拟多个继承
class Base1 module Impl # Define Base1 methods here end include Impl end class Base2 module Impl # Define Base2 methods here end include Impl end class Derived module Impl include Base1::Impl include Base2::Impl # Define Derived methods here end include Impl end |
让我们验证一下来自 Ruby 接口的声明。included_modules 模块为您完成了此任务，如 清单 14 中所示。
清单 14. Ruby 类中包含的多个模块
irb> Test::Derived.included_modules => [Test::Derived::Impl, Test::Base::Impl, Test::Base2::Impl, Kernel] irb> Test::Derived < Test::Base => nil irb> Test::Derived < Test::Base2 => nil |
请注意，类层次结构测试失败了（理应如此），但对于应用程序开发人员来说，Base 和 Base2 的功能仍可通过 Derived 类使用。
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指针和 Ruby 接口
Ruby 没有与指针类似的东西，那么接受或返回指针的 C/C++ 方法怎么办？这为我们带来了 SWIG 这样的系统的一个最重要的挑战，这一系统的主要任务是在源和目标语言之间转换（或俗称编组）数据类型。仔细考虑下面的 C 函数：
void addition(const int* n1, const int* n2, int* result) {
*result = *n1 + *n2;
}
|
为解决这个问题，SWIG 引入了类型映射 的概念。您能够灵活地将您想要的 Ruby 类型映射到 int*、float* 等类型。幸运的是，SWIG 已为您完成了大部分样板工作。以下是您可能需要添加的最简单的接口：
%module Test
%include typemaps.i
void addition (int* INPUT, int* INPUT, int* OUTPUT);
%{ extern void addition(int*, int*, int*); %}
|
现在，从 Ruby 试用代码 Test::addition(1, 2)。您应该能够看到结果。要更详细地了解此处发生的事情，可以查看 lib/ruby 文件夹。SWIG 使用 int* INPUT 语法将底层指针转换为对象。将一个类型从 Ruby 映射到 C/C++ 的 SWIG 语法为：
%typemap(in) int* {
… type conversion code from Ruby to C/C++
}
|
同样地，从 C/C++ 到 Ruby 的类型转换代码为：
%typemap(out) int* {
… type convesion code from C/C++ to Ruby
}
|
类型映射不只是为指针带来了方便：可将它们用于 Ruby 与 C/C++ 之间的任何数据类型转换。
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结束语
在本文中，您学习了如何向 Ruby 接口公开 C/C++ 常量、包含结构和类的变量、函数，以及枚举。在此过程中，我们介绍了一些 SWIG 指令，比如 %module、%init、%constant、%inline、%include 和 %nodefaultctor。SWIG 提供的功能远不止这些；一定要查阅 SWIG 文档随带的优秀 PDF 文档，以了解更多细节。
参考资料
学习
- 查阅 SWIG 文档。
- AIX and UNIX 专区：developerWorks 的“AIX and UNIX 专区”提供了大量与 AIX 系统管理的所有方面相关的信息，您可以利用它们来扩展自己的 UNIX 技能。
- AIX and UNIX 新手入门：访问“AIX and UNIX 新手入门”页面可了解更多关于 AIX 和 UNIX 的内容。
- AIX and UNIX 专题汇总：AIX and UNIX 专区已经为您推出了很多的技术专题，为您总结了很多热门的知识点。我们在后面还会继续推出很多相关的热门专题给您，为了方便您的访问，我们在这里为您把本专区的所有专题进行汇总，让您更方便的找到您需要的内容。
- AIX and UNIX 下载中心：在这里你可以下载到可以运行在 AIX 或者是 UNIX 系统上的 IBM 服务器软件以及工具，让您可以提前免费试用他们的强大功能。
- IBM Systems Magazine for AIX 中文版：本杂志的内容更加关注于趋势和企业级架构应用方面的内容，同时对于新兴的技术、产品、应用方式等也有很深入的探讨。IBM Systems Magazine 的内容都是由十分资深的业内人士撰写的，包括 IBM 的合作伙伴、IBM 的主机工程师以及高级管理人员。所以，从这些内容中，您可以了解到更高层次的应用理念，让您在选择和应用 IBM 系统时有一个更好的认识。
- 技术书店：在技术书店中浏览有关此主题和其他技术主题的图书。
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关于作者
Arpan Sen 是致力于电子设计自动化行业的软件开发首席工程师。他使用各种 UNIX 版本（包括 Solaris、SunOS、HP-UX 和 IRIX）以及 Linux 和 Microsoft Windows 已经多年。他热衷于各种软件性能优化技术、图论和并行计算。Arpan 获得了软件系统硕士学位。