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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2.7.2 C临时访问传入的Go内存

cgo之所以存在的一大因素是为了方便在Go语言中接纳吸收过去几十年来使用C/C++语言软件构建的大量的软件资源。C/C++很多库都是需要通过指针直接处理传入的内存数据的,因此cgo中也有很多需要将Go内存传入C语言函数的应用场景。

假设一个极端场景:我们将一块位于某goroutinue的栈上的Go语言内存传入了C语言函数后,在此C语言函数执行期间,此goroutinue的栈因为空间不足的原因发生了扩展,也就是导致了原来的Go语言内存被移动到了新的位置。但是此时此刻C语言函数并不知道该Go语言内存已经移动了位置,仍然用之前的地址来操作该内存——这将将导致内存越界。以上是一个推论(真实情况有些差异),也就是说C访问传入的Go内存可能是不安全的!

当然有RPC远程过程调用的经验的用户可能会考虑通过完全传值的方式处理:借助C语言内存稳定的特性,在C语言空间先开辟同样大小的内存,然后将Go的内存填充到C的内存空间;返回的内存也是如此处理。下面的例子是这种思路的具体实现:

package main

/*
void printString(const char* s) {
	printf("%s", s);
}
*/
import "C"

func printString(s string) {
	cs := C.CString(s)
	defer C.free(unsafe.Pointer(cs))

	C.printString(cs)
}

func main() {
	s := "hello"
	printString(s)
}

在需要将Go的字符串传入C语言时,先通过C.CString将Go语言字符串对应的内存数据复制到新创建的C语言内存空间上。上面例子的处理思路虽然是安全的,但是效率极其低下(因为要多次分配内存并逐个复制元素),同时也极其繁琐。

为了简化并高效处理此种向C语言传入Go语言内存的问题,cgo针对该场景定义了专门的规则:在CGO调用的C语言函数返回前,cgo保证传入的Go语言内存在此期间不会发生移动,C语言函数可以大胆地使用Go语言的内存!

根据新的规则我们可以直接传入Go字符串的内存:

package main

/*
#include<stdio.h>

void printString(const char* s, int n) {
	int i;
	for(i = 0; i < n; i++) {
		putchar(s[i]);
	}
	putchar('\n');
}
*/
import "C"

func printString(s string) {
	p := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
	C.printString((*C.char)(unsafe.Pointer(p.Data)), C.int(len(s)))
}

func main() {
	s := "hello"
	printString(s)
}

现在的处理方式更加直接,且避免了分配额外的内存。完美的解决方案!

任何完美的技术都有被滥用的时候,CGO的这种看似完美的规则也是存在隐患的。我们假设调用的C语言函数需要长时间运行,那么将会导致被他引用的Go语言内存在C语言返回前不能被移动,从而可能间接地导致这个Go内存栈对应的goroutine不能动态伸缩栈内存,也就是可能导致这个goroutine被阻塞。因此,在需要长时间运行的C语言函数(特别是在纯CPU运算之外,还可能因为需要等待其它的资源而需要不确定时间才能完成的函数),需要谨慎处理传入的Go语言内存。

不过需要小心的是在取得Go内存后需要马上传入C语言函数,不能保存到临时变量后再间接传入C语言函数。因为CGO只能保证在C函数调用之后被传入的Go语言内存不会发生移动,它并不能保证在传入C函数之前内存不发生变化。

以下代码是错误的:

// 错误的代码
tmp := uintptr(unsafe.Pointer(&x))
pb := (*int16)(unsafe.Pointer(tmp))
*pb = 42

因为tmp并不是指针类型,在它获取到Go对象地址之后x对象可能会被移动,但是因为不是指针类型,所以不会被Go语言运行时更新成新内存的地址。在非指针类型的tmp保持Go对象的地址,和在C语言环境保持Go对象的地址的效果是一样的:如果原始的Go对象内存发生了移动,Go语言运行时并不会同步更新它们。