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Rust FFI 编程 - libc crate

2022-06-28 06:34:00 【51CTO】

前文警示：如果对 Unix 环境系统编程没有基础知识的话，本文会看得云里雾里。

我们在做 Rust 开发编译的时候，常常能在依赖列表中，看到 libc 这个 crate 的身影。我们一般不会直接依赖这个 crate，但是依赖的依赖（的依赖的依赖……）可能就会用到这个 crate。总的来说，它是 Rust 生态中非常基础非常底层的一个 crate 了。

libc 是什么

libc 是对各平台的系统库的原始 FFI 绑定。其代码地址在：https://github.com/rust-lang/libc。可以看到，这是 Rust 官方维护的一个库。

libc 提供了与 Rust 支持的各平台上的最基础系统 C 库打交道的所有必要设施。它导出了底层平台的类型、函数和常量。

所有内容都直接放置在 libc 这个命名空间下，没有再分模块了。因此，你可以使用 libc::foo 这种形式访问这个库中的任何导出内容。

它可以与 std 配合使用，也可以在 no_std 环境下使用。

libc 的导入

在项目的 Cargo.toml 中添加如下配置，就可以导入 libc 了。

      
      
       
       [dependencies]
       
       
libc = "0.2"
      
      
      
      
       
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libc 的内容分类

libc 会导出底层 C 库的这些东西：

C 类型，比如 typedefs, 原生类型，枚举，结构体等等
C 常量，比如使用 #define 指令定义的那些常量
C 静态变量
C 函数（按它们的头文件中定义的函数签名来导出）
C 宏，在 Rust 中会实现为 #[inline] 函数

另外，libc 中导出的所有 C struct 都已经实现了 Copy 和 Clone trait.

好吧，熟悉 C 的同学，应该已经知道了，C 的接口，无非也就这些东西了。现在 libc 全给导出来了。

导出的结果是什么呢？直接打开 https://docs.rs/libc/0.2.69/libc/index.html 查看，在你面前将会出现一个长长的网页。有

Structs 对应 C 中的符号
Enums 对应 C 中的枚举
Constants 对应 C 中的常量
Functions 对应 C 中的函数接口
Type Definitions 对应 C 中的 typedef 定义的符号

这些符号，可能 99% 的人都不敢打包票说用过 20% 以上，甚至很多专注于上层开发的同学从没见过这些命名。

这一套东西可不得了，它是计算机工程历史这么多年积累下来的成体系的精华之作。这套精华的体系就叫作Unix环境编程。这套体系在《UNIX环境高级编程（第3版）》这本书中做了权威讲解。

这套东西的精华核心在于，它不仅仅是一套符号的简单罗列，其内在包含有一套精巧的机制来驱动。对，是一套机制。这套机制又是由若干个不同的部分组成，这些部分之间区分得非常清晰（Unix 的 KISS 原则），但是在设计理念上，又保持了同一种味道。因此，这套东西，我们称其为工程、技术、哲学、甚至艺术。

这套东西是现代IT工业，互联网的基石。

libc 的界限

熟悉 linux 系统开发的同学都知道，linux 系统本身有个 libc 库，是几乎一切应用的基础库。基本上 linux 下 C 语言写的代码都要链接这个库才能运行。

而 Rust 的 libc crate，不完全等价于 C 的 libc 库的封装。具体区别如下：

Linux （以及其它 unix-like 平台）下，导出的是 libc, libm, librt, libdl, libutil 和 libpthread 这几个库的符号。
OSX 下，导出的是 libsystem_c, libsystem_m, libsystem_pthread, libsystem_malloc 和 libdyld 这几个库的符号。
Windows 下，导出的是 VS CRT（VS C RunTime VS C 运行时库）中的符号。但是这些符号，比前两个平台的符号，数量上要少得多。因此，可以直接这样说，Rust libc crate 在 Windows 平台上的功能有限。在 Windows 平台上，建议使用 winapi 这个 crate 进行开发。

举例：使用 libc 创建子进程

说得那么神乎其神，还是让我们见见 libc 的庐山真面目吧。下面，我们就用一个示例——创建一个子进程——来展示 libc 的用法，以及与 Rust 标准库中线程操作的不同。

Rust 标准库中没有提供创建子进程的设施，不过可以创建一个子线程。作为对比演示，我们就创建一个新线程吧：

      
      
       
       use std::thread;
       
       

       
       

       
       
fn main() {
       
       
    let child = thread::spawn(move || {
       
       
        println!("hello, I am a new rust thread!");
       
       
    });
       
       

       
       

       
       
    let res = child.join();
       
       
    println!("{:?}", res);
       
       

       
       

       
       
    println!("Hello, I am main thread!");
       
       
}
      
      
      
      
       
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以上代码会输出：

      
      
       
       hello, I am a new rust thread!
       
       
Ok(())
       
       
Hello, I am main thread!
      
      
      
      
       
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下面我们来看看用 libc 如何创建一个子进程：

      
      
       
       fn main() {
       
       
    unsafe {
       
       
        let pid = libc::fork();
       
       
        if pid > 0 {
       
       
            println!("Hello, I am parent thread: {}", libc::getpid());
       
       
        }
       
       
        else if pid == 0 {
       
       
            println!("Hello, I am child thread: {}", libc::getpid());
       
       
            println!("My parent thread: {}", libc::getppid());
       
       
        }
       
       
        else {
       
       
            println!("Fork creation failed!");
       
       
        }
       
       
    }
       
       
}
      
      
      
      
       
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这段代码会有类似下面的输出：

      
      
       
       Hello, I am parent thread: 5722
       
       
Hello, I am child thread: 5724
       
       
My parent thread: 5722
      
      
      
      
       
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具体的进程 id 数字，每次运行都可能会变化。

从两个程序的简单对比，可以发现：

libc 的所有函数调用，都必须放进 unsafe 块中。因为它的所有调用都是 unsafe 的；
std 的线程操作封装，好用，形象。libc 的进程操作，与 C 语言系统编程一样，完全是另外一套思路和编程风格；
std 的线程操作虽然简洁，但是也缺少更细颗粒度的控制。而 libc 可以对进程的操作（及后面对子进程的功能扩充，父进程中的信号管理等），做到完全的控制，更加灵活，功能强大；
std 本身无法实现进程 fork 的功能。

以上代码示例地址： https://github.com/daogangtang/learn-rust/tree/master/07libctest

哪些事情是 Rust std 不能做而 libc 能做的？

几乎所有底层编程的事情（当然这句话并不严谨）。

随便举几个例子：dup2 标准库有吗？openpty 标准库有吗？ioctl 标准库有吗？

ioctl 没有，那就是跟底层 say byebye 啦（进而跟严肃的嵌入式开发绝缘）。当然，你可以说，那我拿 Rust 自己写操作系统呗。对嘛，你用 Rust 写操作系统，也用不上 std 啊。

应该说，使用 libc，类 Unix 平台上的所有系统编程，之前只能由 C 完成的工作，现在都能用 Rust 来做了。在这一层面上，C 能做到的事情，Rust 都能做到。

通过 libc 这一层，Rust 闯入了系统编程领域。

可能，有的同学又要辩解了，不就是一个库嘛，这没什么大不了的。Python 也有对操作系统基础库的封装，Python 一样的可以做系统开发。这点不足以证明 Rust 是一门系统编程语言，Rust 在这一点上没有什么不同。

其实只需要用一句话就能回击这种质疑：因为我 Rust 的封装是 zero cost （零成本）的。

Yes，就这么简单。零成本抽象赋予了 Rust 系统编程的能力。

libc 与 std::os::*::raw 的关系？

细心的同学会发现，在标准库的 os 模块下面，有一些东西与 libc 的重复。

页面 https://doc.rust-lang.org/std/os/raw/index.html 包含了 c_char, c_double, c_float, c_int, c_long, c_longlong, c_schar, c_short, c_uchar, c_uint, c_ulong, c_ulonglong, c_ushort。

而 libc 中，对这些内容，也重新定义了一份（比如：https://docs.rs/libc/0.2.69/libc/type.c_char.html）。为什么呢？

std::os::raw 中这些定义，可以用于与一些简单的 C 代码进行交互，比如说不存在系统调用的 C 代码。这个时候，就不需要再引入 libc 库了。

而一旦产生了系统调用或者 Unix 环境编程，那么就得引入 libc 库来操作。

std 下面还有一些 std::os::*::raw 的模块，这些模块现在已经被 Deprecated 了（比如：https://doc.rust-lang.org/std/os/unix/raw/index.html）。文档中明确注释了：

      
      
       
       Deprecated since 1.8.0:
       
       

       
       

       
       
these type aliases are no longer supported by the standard library, the libc crate on crates.io should be used instead for the correct definitions
      
      
      
      
       
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也就是说，这些东西，去 libc 中找吧，用 libc 来实现这些功能。