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