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1 % The Rust Foreign Function Interface Guide
2
3 # Introduction
4
5 This guide will use the [snappy](https://github.com/google/snappy)
6 compression/decompression library as an introduction to writing bindings for
7 foreign code. Rust is currently unable to call directly into a C++ library, but
8 snappy includes a C interface (documented in
9 [`snappy-c.h`](https://github.com/google/snappy/blob/master/snappy-c.h)).
10
11 The following is a minimal example of calling a foreign function which will
12 compile if snappy is installed:
13
14 ~~~~no_run
15 extern crate libc;
16 use libc::size_t;
17
18 #[link(name = "snappy")]
19 extern {
20     fn snappy_max_compressed_length(source_length: size_t) -> size_t;
21 }
22
23 fn main() {
24     let x = unsafe { snappy_max_compressed_length(100) };
25     println!("max compressed length of a 100 byte buffer: {}", x);
26 }
27 ~~~~
28
29 The `extern` block is a list of function signatures in a foreign library, in
30 this case with the platform's C ABI. The `#[link(...)]` attribute is used to
31 instruct the linker to link against the snappy library so the symbols are
32 resolved.
33
34 Foreign functions are assumed to be unsafe so calls to them need to be wrapped
35 with `unsafe {}` as a promise to the compiler that everything contained within
36 truly is safe. C libraries often expose interfaces that aren't thread-safe, and
37 almost any function that takes a pointer argument isn't valid for all possible
38 inputs since the pointer could be dangling, and raw pointers fall outside of
39 Rust's safe memory model.
40
41 When declaring the argument types to a foreign function, the Rust compiler can
42 not check if the declaration is correct, so specifying it correctly is part of
43 keeping the binding correct at runtime.
44
45 The `extern` block can be extended to cover the entire snappy API:
46
47 ~~~~no_run
48 extern crate libc;
49 use libc::{c_int, size_t};
50
51 #[link(name = "snappy")]
52 extern {
53     fn snappy_compress(input: *const u8,
54                        input_length: size_t,
55                        compressed: *mut u8,
56                        compressed_length: *mut size_t) -> c_int;
57     fn snappy_uncompress(compressed: *const u8,
58                          compressed_length: size_t,
59                          uncompressed: *mut u8,
60                          uncompressed_length: *mut size_t) -> c_int;
61     fn snappy_max_compressed_length(source_length: size_t) -> size_t;
62     fn snappy_uncompressed_length(compressed: *const u8,
63                                   compressed_length: size_t,
64                                   result: *mut size_t) -> c_int;
65     fn snappy_validate_compressed_buffer(compressed: *const u8,
66                                          compressed_length: size_t) -> c_int;
67 }
68 # fn main() {}
69 ~~~~
70
71 # Creating a safe interface
72
73 The raw C API needs to be wrapped to provide memory safety and make use of higher-level concepts
74 like vectors. A library can choose to expose only the safe, high-level interface and hide the unsafe
75 internal details.
76
77 Wrapping the functions which expect buffers involves using the `slice::raw` module to manipulate Rust
78 vectors as pointers to memory. Rust's vectors are guaranteed to be a contiguous block of memory. The
79 length is number of elements currently contained, and the capacity is the total size in elements of
80 the allocated memory. The length is less than or equal to the capacity.
81
82 ~~~~
83 # extern crate libc;
84 # use libc::{c_int, size_t};
85 # unsafe fn snappy_validate_compressed_buffer(_: *const u8, _: size_t) -> c_int { 0 }
86 # fn main() {}
87 pub fn validate_compressed_buffer(src: &[u8]) -> bool {
88     unsafe {
89         snappy_validate_compressed_buffer(src.as_ptr(), src.len() as size_t) == 0
90     }
91 }
92 ~~~~
93
94 The `validate_compressed_buffer` wrapper above makes use of an `unsafe` block, but it makes the
95 guarantee that calling it is safe for all inputs by leaving off `unsafe` from the function
96 signature.
97
98 The `snappy_compress` and `snappy_uncompress` functions are more complex, since a buffer has to be
99 allocated to hold the output too.
100
101 The `snappy_max_compressed_length` function can be used to allocate a vector with the maximum
102 required capacity to hold the compressed output. The vector can then be passed to the
103 `snappy_compress` function as an output parameter. An output parameter is also passed to retrieve
104 the true length after compression for setting the length.
105
106 ~~~~
107 # extern crate libc;
108 # use libc::{size_t, c_int};
109 # unsafe fn snappy_compress(a: *const u8, b: size_t, c: *mut u8,
110 #                           d: *mut size_t) -> c_int { 0 }
111 # unsafe fn snappy_max_compressed_length(a: size_t) -> size_t { a }
112 # fn main() {}
113 pub fn compress(src: &[u8]) -> Vec<u8> {
114     unsafe {
115         let srclen = src.len() as size_t;
116         let psrc = src.as_ptr();
117
118         let mut dstlen = snappy_max_compressed_length(srclen);
119         let mut dst = Vec::with_capacity(dstlen as uint);
120         let pdst = dst.as_mut_ptr();
121
122         snappy_compress(psrc, srclen, pdst, &mut dstlen);
123         dst.set_len(dstlen as uint);
124         dst
125     }
126 }
127 ~~~~
128
129 Decompression is similar, because snappy stores the uncompressed size as part of the compression
130 format and `snappy_uncompressed_length` will retrieve the exact buffer size required.
131
132 ~~~~
133 # extern crate libc;
134 # use libc::{size_t, c_int};
135 # unsafe fn snappy_uncompress(compressed: *const u8,
136 #                             compressed_length: size_t,
137 #                             uncompressed: *mut u8,
138 #                             uncompressed_length: *mut size_t) -> c_int { 0 }
139 # unsafe fn snappy_uncompressed_length(compressed: *const u8,
140 #                                      compressed_length: size_t,
141 #                                      result: *mut size_t) -> c_int { 0 }
142 # fn main() {}
143 pub fn uncompress(src: &[u8]) -> Option<Vec<u8>> {
144     unsafe {
145         let srclen = src.len() as size_t;
146         let psrc = src.as_ptr();
147
148         let mut dstlen: size_t = 0;
149         snappy_uncompressed_length(psrc, srclen, &mut dstlen);
150
151         let mut dst = Vec::with_capacity(dstlen as uint);
152         let pdst = dst.as_mut_ptr();
153
154         if snappy_uncompress(psrc, srclen, pdst, &mut dstlen) == 0 {
155             dst.set_len(dstlen as uint);
156             Some(dst)
157         } else {
158             None // SNAPPY_INVALID_INPUT
159         }
160     }
161 }
162 ~~~~
163
164 For reference, the examples used here are also available as an [library on
165 GitHub](https://github.com/thestinger/rust-snappy).
166
167 # Stack management
168
169 Rust tasks by default run on a "large stack". This is actually implemented as a
170 reserving a large segment of the address space and then lazily mapping in pages
171 as they are needed. When calling an external C function, the code is invoked on
172 the same stack as the rust stack. This means that there is no extra
173 stack-switching mechanism in place because it is assumed that the large stack
174 for the rust task is plenty for the C function to have.
175
176 A planned future improvement (not yet implemented at the time of this writing)
177 is to have a guard page at the end of every rust stack. No rust function will
178 hit this guard page (due to Rust's usage of LLVM's `__morestack`). The intention
179 for this unmapped page is to prevent infinite recursion in C from overflowing
180 onto other rust stacks. If the guard page is hit, then the process will be
181 terminated with a message saying that the guard page was hit.
182
183 For normal external function usage, this all means that there shouldn't be any
184 need for any extra effort on a user's perspective. The C stack naturally
185 interleaves with the rust stack, and it's "large enough" for both to
186 interoperate. If, however, it is determined that a larger stack is necessary,
187 there are appropriate functions in the task spawning API to control the size of
188 the stack of the task which is spawned.
189
190 # Destructors
191
192 Foreign libraries often hand off ownership of resources to the calling code.
193 When this occurs, we must use Rust's destructors to provide safety and guarantee
194 the release of these resources (especially in the case of failure).
195
196 # Callbacks from C code to Rust functions
197
198 Some external libraries require the usage of callbacks to report back their
199 current state or intermediate data to the caller.
200 It is possible to pass functions defined in Rust to an external library.
201 The requirement for this is that the callback function is marked as `extern`
202 with the correct calling convention to make it callable from C code.
203
204 The callback function can then be sent through a registration call
205 to the C library and afterwards be invoked from there.
206
207 A basic example is:
208
209 Rust code:
210
211 ~~~~no_run
212 extern fn callback(a: i32) {
213     println!("I'm called from C with value {0}", a);
214 }
215
216 #[link(name = "extlib")]
217 extern {
218    fn register_callback(cb: extern fn(i32)) -> i32;
219    fn trigger_callback();
220 }
221
222 fn main() {
223     unsafe {
224         register_callback(callback);
225         trigger_callback(); // Triggers the callback
226     }
227 }
228 ~~~~
229
230 C code:
231
232 ~~~~c
233 typedef void (*rust_callback)(int32_t);
234 rust_callback cb;
235
236 int32_t register_callback(rust_callback callback) {
237     cb = callback;
238     return 1;
239 }
240
241 void trigger_callback() {
242   cb(7); // Will call callback(7) in Rust
243 }
244 ~~~~
245
246 In this example Rust's `main()` will call `trigger_callback()` in C,
247 which would, in turn, call back to `callback()` in Rust.
248
249
250 ## Targeting callbacks to Rust objects
251
252 The former example showed how a global function can be called from C code.
253 However it is often desired that the callback is targeted to a special
254 Rust object. This could be the object that represents the wrapper for the
255 respective C object.
256
257 This can be achieved by passing an unsafe pointer to the object down to the
258 C library. The C library can then include the pointer to the Rust object in
259 the notification. This will allow the callback to unsafely access the
260 referenced Rust object.
261
262 Rust code:
263
264 ~~~~no_run
265
266 #[repr(C)]
267 struct RustObject {
268     a: i32,
269     // other members
270 }
271
272 extern "C" fn callback(target: *mut RustObject, a: i32) {
273     println!("I'm called from C with value {0}", a);
274     unsafe {
275         // Update the value in RustObject with the value received from the callback
276         (*target).a = a;
277     }
278 }
279
280 #[link(name = "extlib")]
281 extern {
282    fn register_callback(target: *mut RustObject,
283                         cb: extern fn(*mut RustObject, i32)) -> i32;
284    fn trigger_callback();
285 }
286
287 fn main() {
288     // Create the object that will be referenced in the callback
289     let mut rust_object = box RustObject { a: 5 };
290
291     unsafe {
292         register_callback(&mut *rust_object, callback);
293         trigger_callback();
294     }
295 }
296 ~~~~
297
298 C code:
299
300 ~~~~c
301 typedef void (*rust_callback)(int32_t);
302 void* cb_target;
303 rust_callback cb;
304
305 int32_t register_callback(void* callback_target, rust_callback callback) {
306     cb_target = callback_target;
307     cb = callback;
308     return 1;
309 }
310
311 void trigger_callback() {
312   cb(cb_target, 7); // Will call callback(&rustObject, 7) in Rust
313 }
314 ~~~~
315
316 ## Asynchronous callbacks
317
318 In the previously given examples the callbacks are invoked as a direct reaction
319 to a function call to the external C library.
320 The control over the current thread is switched from Rust to C to Rust for the
321 execution of the callback, but in the end the callback is executed on the
322 same thread (and Rust task) that lead called the function which triggered
323 the callback.
324
325 Things get more complicated when the external library spawns its own threads
326 and invokes callbacks from there.
327 In these cases access to Rust data structures inside the callbacks is
328 especially unsafe and proper synchronization mechanisms must be used.
329 Besides classical synchronization mechanisms like mutexes, one possibility in
330 Rust is to use channels (in `std::comm`) to forward data from the C thread
331 that invoked the callback into a Rust task.
332
333 If an asynchronous callback targets a special object in the Rust address space
334 it is also absolutely necessary that no more callbacks are performed by the
335 C library after the respective Rust object gets destroyed.
336 This can be achieved by unregistering the callback in the object's
337 destructor and designing the library in a way that guarantees that no
338 callback will be performed after deregistration.
339
340 # Linking
341
342 The `link` attribute on `extern` blocks provides the basic building block for
343 instructing rustc how it will link to native libraries. There are two accepted
344 forms of the link attribute today:
345
346 * `#[link(name = "foo")]`
347 * `#[link(name = "foo", kind = "bar")]`
348
349 In both of these cases, `foo` is the name of the native library that we're
350 linking to, and in the second case `bar` is the type of native library that the
351 compiler is linking to. There are currently three known types of native
352 libraries:
353
354 * Dynamic - `#[link(name = "readline")]`
355 * Static - `#[link(name = "my_build_dependency", kind = "static")]`
356 * Frameworks - `#[link(name = "CoreFoundation", kind = "framework")]`
357
358 Note that frameworks are only available on OSX targets.
359
360 The different `kind` values are meant to differentiate how the native library
361 participates in linkage. From a linkage perspective, the rust compiler creates
362 two flavors of artifacts: partial (rlib/staticlib) and final (dylib/binary).
363 Native dynamic libraries and frameworks are propagated to the final artifact
364 boundary, while static libraries are not propagated at all.
365
366 A few examples of how this model can be used are:
367
368 * A native build dependency. Sometimes some C/C++ glue is needed when writing
369   some rust code, but distribution of the C/C++ code in a library format is just
370   a burden. In this case, the code will be archived into `libfoo.a` and then the
371   rust crate would declare a dependency via `#[link(name = "foo", kind =
372   "static")]`.
373
374   Regardless of the flavor of output for the crate, the native static library
375   will be included in the output, meaning that distribution of the native static
376   library is not necessary.
377
378 * A normal dynamic dependency. Common system libraries (like `readline`) are
379   available on a large number of systems, and often a static copy of these
380   libraries cannot be found. When this dependency is included in a rust crate,
381   partial targets (like rlibs) will not link to the library, but when the rlib
382   is included in a final target (like a binary), the native library will be
383   linked in.
384
385 On OSX, frameworks behave with the same semantics as a dynamic library.
386
387 ## The `link_args` attribute
388
389 There is one other way to tell rustc how to customize linking, and that is via
390 the `link_args` attribute. This attribute is applied to `extern` blocks and
391 specifies raw flags which need to get passed to the linker when producing an
392 artifact. An example usage would be:
393
394 ~~~ no_run
395 #![feature(link_args)]
396
397 #[link_args = "-foo -bar -baz"]
398 extern {}
399 # fn main() {}
400 ~~~
401
402 Note that this feature is currently hidden behind the `feature(link_args)` gate
403 because this is not a sanctioned way of performing linking. Right now rustc
404 shells out to the system linker, so it makes sense to provide extra command line
405 arguments, but this will not always be the case. In the future rustc may use
406 LLVM directly to link native libraries in which case `link_args` will have no
407 meaning.
408
409 It is highly recommended to *not* use this attribute, and rather use the more
410 formal `#[link(...)]` attribute on `extern` blocks instead.
411
412 # Unsafe blocks
413
414 Some operations, like dereferencing unsafe pointers or calling functions that have been marked
415 unsafe are only allowed inside unsafe blocks. Unsafe blocks isolate unsafety and are a promise to
416 the compiler that the unsafety does not leak out of the block.
417
418 Unsafe functions, on the other hand, advertise it to the world. An unsafe function is written like
419 this:
420
421 ~~~~
422 unsafe fn kaboom(ptr: *const int) -> int { *ptr }
423 ~~~~
424
425 This function can only be called from an `unsafe` block or another `unsafe` function.
426
427 # Accessing foreign globals
428
429 Foreign APIs often export a global variable which could do something like track
430 global state. In order to access these variables, you declare them in `extern`
431 blocks with the `static` keyword:
432
433 ~~~no_run
434 extern crate libc;
435
436 #[link(name = "readline")]
437 extern {
438     static rl_readline_version: libc::c_int;
439 }
440
441 fn main() {
442     println!("You have readline version {} installed.",
443              rl_readline_version as int);
444 }
445 ~~~
446
447 Alternatively, you may need to alter global state provided by a foreign
448 interface. To do this, statics can be declared with `mut` so rust can mutate
449 them.
450
451 ~~~no_run
452 extern crate libc;
453 use std::ptr;
454
455 #[link(name = "readline")]
456 extern {
457     static mut rl_prompt: *const libc::c_char;
458 }
459
460 fn main() {
461     "[my-awesome-shell] $".with_c_str(|buf| {
462         unsafe { rl_prompt = buf; }
463         // get a line, process it
464         unsafe { rl_prompt = ptr::null(); }
465     });
466 }
467 ~~~
468
469 # Foreign calling conventions
470
471 Most foreign code exposes a C ABI, and Rust uses the platform's C calling convention by default when
472 calling foreign functions. Some foreign functions, most notably the Windows API, use other calling
473 conventions. Rust provides a way to tell the compiler which convention to use:
474
475 ~~~~
476 extern crate libc;
477
478 #[cfg(target_os = "win32", target_arch = "x86")]
479 #[link(name = "kernel32")]
480 #[allow(non_snake_case)]
481 extern "stdcall" {
482     fn SetEnvironmentVariableA(n: *const u8, v: *const u8) -> libc::c_int;
483 }
484 # fn main() { }
485 ~~~~
486
487 This applies to the entire `extern` block. The list of supported ABI constraints
488 are:
489
490 * `stdcall`
491 * `aapcs`
492 * `cdecl`
493 * `fastcall`
494 * `Rust`
495 * `rust-intrinsic`
496 * `system`
497 * `C`
498 * `win64`
499
500 Most of the abis in this list are self-explanatory, but the `system` abi may
501 seem a little odd. This constraint selects whatever the appropriate ABI is for
502 interoperating with the target's libraries. For example, on win32 with a x86
503 architecture, this means that the abi used would be `stdcall`. On x86_64,
504 however, windows uses the `C` calling convention, so `C` would be used. This
505 means that in our previous example, we could have used `extern "system" { ... }`
506 to define a block for all windows systems, not just x86 ones.
507
508 # Interoperability with foreign code
509
510 Rust guarantees that the layout of a `struct` is compatible with the platform's representation in C
511 only if the `#[repr(C)]` attribute is applied to it.  `#[repr(C, packed)]` can be used to lay out
512 struct members without padding.  `#[repr(C)]` can also be applied to an enum.
513
514 Rust's owned boxes (`Box<T>`) use non-nullable pointers as handles which point to the contained
515 object. However, they should not be manually created because they are managed by internal
516 allocators. References can safely be assumed to be non-nullable pointers directly to the type.
517 However, breaking the borrow checking or mutability rules is not guaranteed to be safe, so prefer
518 using raw pointers (`*`) if that's needed because the compiler can't make as many assumptions about
519 them.
520
521 Vectors and strings share the same basic memory layout, and utilities are available in the `vec` and
522 `str` modules for working with C APIs. However, strings are not terminated with `\0`. If you need a
523 NUL-terminated string for interoperability with C, you should use the `c_str::to_c_str` function.
524
525 The standard library includes type aliases and function definitions for the C standard library in
526 the `libc` module, and Rust links against `libc` and `libm` by default.
527
528 # The "nullable pointer optimization"
529
530 Certain types are defined to not be `null`. This includes references (`&T`,
531 `&mut T`), boxes (`Box<T>`), and function pointers (`extern "abi" fn()`).
532 When interfacing with C, pointers that might be null are often used.
533 As a special case, a generic `enum` that contains exactly two variants, one of
534 which contains no data and the other containing a single field, is eligible
535 for the "nullable pointer optimization". When such an enum is instantiated
536 with one of the non-nullable types, it is represented as a single pointer,
537 and the non-data variant is represented as the null pointer. So
538 `Option<extern "C" fn(c_int) -> c_int>` is how one represents a nullable
539 function pointer using the C ABI.