Go语言高级编程

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2. 第2章 CGO编程

引言

2.1 快速入门

2.1.1 最简CGO程序

2.1.2 基于C标准库函数输出字符串

2.1.3 使用自己的C函数

2.1.4 C代码的模块化

2.1.5 用Go重新实现C函数

2.1.6 面向C接口的Go编程

2.2 CGO基础

2.2.1 import "C"语句

2.2.2 #cgo语句

2.2.3 build tag 条件编译

2.3 类型转换

2.3.1 数值类型

2.3.2 Go 字符串和切片

2.3.3 结构体、联合、枚举类型

2.3.4 数组、字符串和切片

2.3.5 指针间的转换

2.3.6 数值和指针的转换

2.3.7 切片间的转换

2.4 函数调用

2.4.1 Go调用C函数

2.4.2 C函数的返回值

2.4.3 void函数的返回值

2.4.4 C调用Go导出函数

2.5 内部机制

2.5.1 CGO生成的中间文件

2.5.2 Go调用C函数

2.5.3 C调用Go函数

2.6 实战: 封装qsort

2.6.1 认识qsort函数

2.6.2 将qsort函数从Go包导出

2.6.3 改进:闭包函数作为比较函数

2.6.4 改进:消除用户对unsafe包的依赖

2.7 CGO内存模型

2.7.1 Go访问C内存

2.7.2 C临时访问传入的Go内存

2.7.3 C长期持有Go指针对象

2.7.4 导出C函数不能返回Go内存

2.8 C++ 类包装

2.8.1 C++ 类到 Go 语言对象

2.8.1.1 准备一个 C++ 类

2.8.1.2 用纯C函数接口封装 C++ 类

2.8.1.3 将纯C接口函数转为Go函数

2.8.1.4 包装为Go对象

2.8.2 Go 语言对象到 C++ 类

2.8.2.1 构造一个Go对象

2.8.2.2 导出C接口

2.8.2.3 封装C++对象

2.8.2.4 封装C++对象改进

2.8.3 彻底解放C++的this指针

2.9 静态库和动态库

2.9.1 使用C静态库

2.9.2 使用C动态库

2.9.3 导出C静态库

2.9.4 导出C动态库

2.9.5 导出非main包的函数

2.10 编译和链接参数

2.10.1 编译参数:CFLAGS/CPPFLAGS/CXXFLAGS

2.10.2 链接参数:LDFLAGS

2.10.3 pkg-config

2.10.4 go get 链

2.10.5 多个非main包中导出C函数

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1.6.1 并发版本的Hello world

我们先以在一个新的Goroutine中输出“Hello world”,main等待后台线程输出工作完成之后退出,这样一个简单的并发程序作为热身。

并发编程的核心概念是同步通信,但是同步的方式却有多种。我们先以大家熟悉的互斥量sync.Mutex来实现同步通信。根据文档,我们不能直接对一个未加锁状态的sync.Mutex进行解锁,这会导致运行时异常。下面这种方式并不能保证正常工作:

func main() {
	var mu sync.Mutex

	go func(){
		fmt.Println("你好, 世界")
		mu.Lock()
	}()

	mu.Unlock()
}

因为mu.Lock()mu.Unlock()并不在同一个Goroutine中,所以也就不满足顺序一致性内存模型。同时它们也没有其它的同步事件可以参考,这两个事件不可排序也就是可以并发的。因为可能是并发的事件,所以main函数中的mu.Unlock()很有可能先发生,而这个时刻mu互斥对象还处于未加锁的状态,从而会导致运行时异常。

下面是修复后的代码:

func main() {
	var mu sync.Mutex

	mu.Lock()
	go func(){
		fmt.Println("你好, 世界")
		mu.Unlock()
	}()

	mu.Lock()
}

修复的方式是在main函数所在线程中执行两次mu.Lock(),当第二次加锁时会因为锁已经被占用(不是递归锁)而阻塞,main函数的阻塞状态驱动后台线程继续向前执行。当后台线程执行到mu.Unlock()时解锁,此时打印工作已经完成了,解锁会导致main函数中的第二个mu.Lock()阻塞状态取消,此时后台线程和主线程再没有其它的同步事件参考,它们退出的事件将是并发的:在main函数退出导致程序退出时,后台线程可能已经退出了,也可能没有退出。虽然无法确定两个线程退出的时间,但是打印工作是可以正确完成的。

使用sync.Mutex互斥锁同步是比较低级的做法。我们现在改用无缓存的管道来实现同步:

func main() {
	done := make(chan int)

	go func(){
		fmt.Println("你好, 世界")
		<-done
	}()

	done <- 1
}

根据Go语言内存模型规范,对于从无缓冲Channel进行的接收,发生在对该Channel进行的发送完成之前。因此,后台线程<-done接收操作完成之后,main线程的done <- 1发送操作才可能完成(从而退出main、退出程序),而此时打印工作已经完成了。

上面的代码虽然可以正确同步,但是对管道的缓存大小太敏感:如果管道有缓存的话,就无法保证main退出之前后台线程能正常打印了。更好的做法是将管道的发送和接收方向调换一下,这样可以避免同步事件受管道缓存大小的影响:

func main() {
	done := make(chan int, 1) // 带缓存的管道

	go func(){
		fmt.Println("你好, 世界")
		done <- 1
	}()

	<-done
}

对于带缓冲的Channel,对于Channel的第K个接收完成操作发生在第K+C个发送操作完成之前,其中C是Channel的缓存大小。虽然管道是带缓存的,main线程接收完成是在后台线程发送开始但还未完成的时刻,此时打印工作也是已经完成的。

基于带缓存的管道,我们可以很容易将打印线程扩展到N个。下面的例子是开启10个后台线程分别打印:

func main() {
	done := make(chan int, 10) // 带 10 个缓存

	// 开N个后台打印线程
	for i := 0; i < cap(done); i++ {
		go func(){
			fmt.Println("你好, 世界")
			done <- 1
		}()
	}

	// 等待N个后台线程完成
	for i := 0; i < cap(done); i++ {
		<-done
	}
}

对于这种要等待N个线程完成后再进行下一步的同步操作有一个简单的做法,就是使用sync.WaitGroup来等待一组事件:

func main() {
	var wg sync.WaitGroup

	// 开N个后台打印线程
	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1)

		go func() {
			fmt.Println("你好, 世界")
			wg.Done()
		}()
	}

	// 等待N个后台线程完成
	wg.Wait()
}

其中wg.Add(1)用于增加等待事件的个数,必须确保在后台线程启动之前执行(如果放到后台线程之中执行则不能保证被正常执行到)。当后台线程完成打印工作之后,调用wg.Done()表示完成一个事件。main函数的wg.Wait()是等待全部的事件完成。