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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2.9.1 使用C静态库

如果CGO中引入的C/C++资源有代码而且代码规模也比较小,直接使用源码是最理想的方式,但很多时候我们并没有源代码,或者从C/C++源代码开始构建的过程异常复杂,这种时候使用C静态库也是一个不错的选择。静态库因为是静态链接,最终的目标程序并不会产生额外的运行时依赖,也不会出现动态库特有的跨运行时资源管理的错误。不过静态库对链接阶段会有一定要求:静态库一般包含了全部的代码,里面会有大量的符号,如果不同静态库之间出现了符号冲突则会导致链接的失败。

我们先用纯C语言构造一个简单的静态库。我们要构造的静态库名叫number,库中只有一个number_add_mod函数,用于表示数论中的模加法运算。number库的文件都在number目录下。

number/number.h头文件只有一个纯C语言风格的函数声明:

int number_add_mod(int a, int b, int mod);

number/number.c对应函数的实现:

#include "number.h"

int number_add_mod(int a, int b, int mod) {
	return (a+b)%mod;
}

因为CGO使用的是GCC命令来编译和链接C和Go桥接的代码。因此静态库也必须是GCC兼容的格式。

通过以下命令可以生成一个叫libnumber.a的静态库:

$ cd ./number
$ gcc -c -o number.o number.c
$ ar rcs libnumber.a number.o

生成libnumber.a静态库之后,我们就可以在CGO中使用该资源了。

创建main.go文件如下:

package main

//#cgo CFLAGS: -I./number
//#cgo LDFLAGS: -L${SRCDIR}/number -lnumber
//
//#include "number.h"
import "C"
import "fmt"

func main() {
	fmt.Println(C.number_add_mod(10, 5, 12))
}

其中有两个#cgo命令,分别是编译和链接参数。CFLAGS通过-I./number将number库对应头文件所在的目录加入头文件检索路径。LDFLAGS通过-L${SRCDIR}/number将编译后number静态库所在目录加为链接库检索路径,-lnumber表示链接libnumber.a静态库。需要注意的是,在链接部分的检索路径不能使用相对路径(C/C++代码的链接程序所限制),我们必须通过cgo特有的${SRCDIR}变量将源文件对应的当前目录路径展开为绝对路径(因此在windows平台中绝对路径不能有空白符号)。

因为我们有number库的全部代码,所以我们可以用go generate工具来生成静态库,或者是通过Makefile来构建静态库。因此发布CGO源码包时,我们并不需要提前构建C静态库。

因为多了一个静态库的构建步骤,这种使用了自定义静态库并已经包含了静态库全部代码的Go包无法直接用go get安装。不过我们依然可以通过go get下载,然后用go generate触发静态库构建,最后才是go install来完成安装。

为了支持go get命令直接下载并安装,我们C语言的#include语法可以将number库的源文件链接到当前的包。

创建z_link_number_c.c文件如下:

#include "./number/number.c"

然后在执行go get或go build之类命令的时候,CGO就是自动构建number库对应的代码。这种技术是在不改变静态库源代码组织结构的前提下,将静态库转化为了源代码方式引用。这种CGO包是最完美的。

如果使用的是第三方的静态库,我们需要先下载安装静态库到合适的位置。然后在#cgo命令中通过CFLAGS和LDFLAGS来指定头文件和库的位置。对于不同的操作系统甚至同一种操作系统的不同版本来说,这些库的安装路径可能都是不同的,那么如何在代码中指定这些可能变化的参数呢?

在Linux环境,有一个pkg-config命令可以查询要使用某个静态库或动态库时的编译和链接参数。我们可以在#cgo命令中直接使用pkg-config命令来生成编译和链接参数。而且还可以通过PKG_CONFIG环境变量定制pkg-config命令。因为不同的操作系统对pkg-config命令的支持不尽相同,通过该方式很难兼容不同的操作系统下的构建参数。不过对于Linux等特定的系统,pkg-config命令确实可以简化构建参数的管理。关于pkg-config的使用细节在此我们不深入展开,大家可以自行参考相关文档。