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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2.7.4 导出C函数不能返回Go内存

在Go语言中,Go是从一个固定的虚拟地址空间分配内存。而C语言分配的内存则不能使用Go语言保留的虚拟内存空间。在CGO环境,Go语言运行时默认会检查导出返回的内存是否是由Go语言分配的,如果是则会抛出运行时异常。

下面是CGO运行时异常的例子:

/*
extern int* getGoPtr();

static void Main() {
	int* p = getGoPtr();
	*p = 42;
}
*/
import "C"

func main() {
	C.Main()
}

//export getGoPtr
func getGoPtr() *C.int {
	return new(C.int)
}

其中getGoPtr返回的虽然是C语言类型的指针,但是内存本身是从Go语言的new函数分配,也就是由Go语言运行时统一管理的内存。然后我们在C语言的Main函数中调用了getGoPtr函数,此时默认将发送运行时异常:

$ go run main.go
panic: runtime error: cgo result has Go pointer

goroutine 1 [running]:
main._cgoexpwrap_cfb3840e3af2_getGoPtr.func1(0xc420051dc0)
  command-line-arguments/_obj/_cgo_gotypes.go:60 +0x3a
main._cgoexpwrap_cfb3840e3af2_getGoPtr(0xc420016078)
  command-line-arguments/_obj/_cgo_gotypes.go:62 +0x67
main._Cfunc_Main()
  command-line-arguments/_obj/_cgo_gotypes.go:43 +0x41
main.main()
  /Users/chai/go/src/github.com/chai2010 \
  /advanced-go-programming-book/examples/ch2-xx \
  /return-go-ptr/main.go:17 +0x20
exit status 2

异常说明cgo函数返回的结果中含有Go语言分配的指针。指针的检查操作发生在C语言版的getGoPtr函数中,它是由cgo生成的桥接C语言和Go语言的函数。

下面是cgo生成的C语言版本getGoPtr函数的具体细节(在cgo生成的_cgo_export.c文件定义):

int* getGoPtr()
{
	__SIZE_TYPE__ _cgo_ctxt = _cgo_wait_runtime_init_done();
	struct {
		int* r0;
	} __attribute__((__packed__)) a;
	_cgo_tsan_release();
	crosscall2(_cgoexp_95d42b8e6230_getGoPtr, &a, 8, _cgo_ctxt);
	_cgo_tsan_acquire();
	_cgo_release_context(_cgo_ctxt);
	return a.r0;
}

其中_cgo_tsan_acquire是从LLVM项目移植过来的内存指针扫描函数,它会检查cgo函数返回的结果是否包含Go指针。

需要说明的是,cgo默认对返回结果的指针的检查是有代价的,特别是cgo函数返回的结果是一个复杂的数据结构时将花费更多的时间。如果已经确保了cgo函数返回的结果是安全的话,可以通过设置环境变量GODEBUG=cgocheck=0来关闭指针检查行为。

$ GODEBUG=cgocheck=0 go run main.go

关闭cgocheck功能后再运行上面的代码就不会出现上面的异常的。但是要注意的是,如果C语言使用期间对应的内存被Go运行时释放了,将会导致更严重的崩溃问题。cgocheck默认的值是1,对应一个简化版本的检测,如果需要完整的检测功能可以将cgocheck设置为2。

关于cgo运行时指针检测的功能详细说明可以参考Go语言的官方文档。