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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 threads 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 thread 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 thread spawning API to control the size of
188 the stack of the thread 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 panic).
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 #[repr(C)]
266 struct RustObject {
267     a: i32,
268     // other members
269 }
270
271 extern "C" fn callback(target: *mut RustObject, a: i32) {
272     println!("I'm called from C with value {0}", a);
273     unsafe {
274         // Update the value in RustObject with the value received from the callback
275         (*target).a = a;
276     }
277 }
278
279 #[link(name = "extlib")]
280 extern {
281    fn register_callback(target: *mut RustObject,
282                         cb: extern fn(*mut RustObject, i32)) -> i32;
283    fn trigger_callback();
284 }
285
286 fn main() {
287     // Create the object that will be referenced in the callback
288     let mut rust_object = Box::new(RustObject { a: 5 });
289
290     unsafe {
291         register_callback(&mut *rust_object, callback);
292         trigger_callback();
293     }
294 }
295 ~~~~
296
297 C code:
298
299 ~~~~c
300 typedef void (*rust_callback)(void*, int32_t);
301 void* cb_target;
302 rust_callback cb;
303
304 int32_t register_callback(void* callback_target, rust_callback callback) {
305     cb_target = callback_target;
306     cb = callback;
307     return 1;
308 }
309
310 void trigger_callback() {
311   cb(cb_target, 7); // Will call callback(&rustObject, 7) in Rust
312 }
313 ~~~~
314
315 ## Asynchronous callbacks
316
317 In the previously given examples the callbacks are invoked as a direct reaction
318 to a function call to the external C library.
319 The control over the current thread is switched from Rust to C to Rust for the
320 execution of the callback, but in the end the callback is executed on the
321 same thread that called the function which triggered the callback.
322
323 Things get more complicated when the external library spawns its own threads
324 and invokes callbacks from there.
325 In these cases access to Rust data structures inside the callbacks is
326 especially unsafe and proper synchronization mechanisms must be used.
327 Besides classical synchronization mechanisms like mutexes, one possibility in
328 Rust is to use channels (in `std::comm`) to forward data from the C thread
329 that invoked the callback into a Rust thread.
330
331 If an asynchronous callback targets a special object in the Rust address space
332 it is also absolutely necessary that no more callbacks are performed by the
333 C library after the respective Rust object gets destroyed.
334 This can be achieved by unregistering the callback in the object's
335 destructor and designing the library in a way that guarantees that no
336 callback will be performed after deregistration.
337
338 # Linking
339
340 The `link` attribute on `extern` blocks provides the basic building block for
341 instructing rustc how it will link to native libraries. There are two accepted
342 forms of the link attribute today:
343
344 * `#[link(name = "foo")]`
345 * `#[link(name = "foo", kind = "bar")]`
346
347 In both of these cases, `foo` is the name of the native library that we're
348 linking to, and in the second case `bar` is the type of native library that the
349 compiler is linking to. There are currently three known types of native
350 libraries:
351
352 * Dynamic - `#[link(name = "readline")]`
353 * Static - `#[link(name = "my_build_dependency", kind = "static")]`
354 * Frameworks - `#[link(name = "CoreFoundation", kind = "framework")]`
355
356 Note that frameworks are only available on OSX targets.
357
358 The different `kind` values are meant to differentiate how the native library
359 participates in linkage. From a linkage perspective, the rust compiler creates
360 two flavors of artifacts: partial (rlib/staticlib) and final (dylib/binary).
361 Native dynamic libraries and frameworks are propagated to the final artifact
362 boundary, while static libraries are not propagated at all.
363
364 A few examples of how this model can be used are:
365
366 * A native build dependency. Sometimes some C/C++ glue is needed when writing
367   some rust code, but distribution of the C/C++ code in a library format is just
368   a burden. In this case, the code will be archived into `libfoo.a` and then the
369   rust crate would declare a dependency via `#[link(name = "foo", kind =
370   "static")]`.
371
372   Regardless of the flavor of output for the crate, the native static library
373   will be included in the output, meaning that distribution of the native static
374   library is not necessary.
375
376 * A normal dynamic dependency. Common system libraries (like `readline`) are
377   available on a large number of systems, and often a static copy of these
378   libraries cannot be found. When this dependency is included in a rust crate,
379   partial targets (like rlibs) will not link to the library, but when the rlib
380   is included in a final target (like a binary), the native library will be
381   linked in.
382
383 On OSX, frameworks behave with the same semantics as a dynamic library.
384
385 ## The `link_args` attribute
386
387 There is one other way to tell rustc how to customize linking, and that is via
388 the `link_args` attribute. This attribute is applied to `extern` blocks and
389 specifies raw flags which need to get passed to the linker when producing an
390 artifact. An example usage would be:
391
392 ~~~ no_run
393 #![feature(link_args)]
394
395 #[link_args = "-foo -bar -baz"]
396 extern {}
397 # fn main() {}
398 ~~~
399
400 Note that this feature is currently hidden behind the `feature(link_args)` gate
401 because this is not a sanctioned way of performing linking. Right now rustc
402 shells out to the system linker, so it makes sense to provide extra command line
403 arguments, but this will not always be the case. In the future rustc may use
404 LLVM directly to link native libraries in which case `link_args` will have no
405 meaning.
406
407 It is highly recommended to *not* use this attribute, and rather use the more
408 formal `#[link(...)]` attribute on `extern` blocks instead.
409
410 # Unsafe blocks
411
412 Some operations, like dereferencing unsafe pointers or calling functions that have been marked
413 unsafe are only allowed inside unsafe blocks. Unsafe blocks isolate unsafety and are a promise to
414 the compiler that the unsafety does not leak out of the block.
415
416 Unsafe functions, on the other hand, advertise it to the world. An unsafe function is written like
417 this:
418
419 ~~~~
420 unsafe fn kaboom(ptr: *const int) -> int { *ptr }
421 ~~~~
422
423 This function can only be called from an `unsafe` block or another `unsafe` function.
424
425 # Accessing foreign globals
426
427 Foreign APIs often export a global variable which could do something like track
428 global state. In order to access these variables, you declare them in `extern`
429 blocks with the `static` keyword:
430
431 ~~~no_run
432 extern crate libc;
433
434 #[link(name = "readline")]
435 extern {
436     static rl_readline_version: libc::c_int;
437 }
438
439 fn main() {
440     println!("You have readline version {} installed.",
441              rl_readline_version as int);
442 }
443 ~~~
444
445 Alternatively, you may need to alter global state provided by a foreign
446 interface. To do this, statics can be declared with `mut` so rust can mutate
447 them.
448
449 ~~~no_run
450 extern crate libc;
451
452 use std::ffi::CString;
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     let prompt = CString::from_slice(b"[my-awesome-shell] $");
462     unsafe { rl_prompt = prompt.as_ptr(); }
463     // get a line, process it
464     unsafe { rl_prompt = ptr::null(); }
465 }
466 ~~~
467
468 # Foreign calling conventions
469
470 Most foreign code exposes a C ABI, and Rust uses the platform's C calling convention by default when
471 calling foreign functions. Some foreign functions, most notably the Windows API, use other calling
472 conventions. Rust provides a way to tell the compiler which convention to use:
473
474 ~~~~
475 extern crate libc;
476
477 #[cfg(all(target_os = "win32", target_arch = "x86"))]
478 #[link(name = "kernel32")]
479 #[allow(non_snake_case)]
480 extern "stdcall" {
481     fn SetEnvironmentVariableA(n: *const u8, v: *const u8) -> libc::c_int;
482 }
483 # fn main() { }
484 ~~~~
485
486 This applies to the entire `extern` block. The list of supported ABI constraints
487 are:
488
489 * `stdcall`
490 * `aapcs`
491 * `cdecl`
492 * `fastcall`
493 * `Rust`
494 * `rust-intrinsic`
495 * `system`
496 * `C`
497 * `win64`
498
499 Most of the abis in this list are self-explanatory, but the `system` abi may
500 seem a little odd. This constraint selects whatever the appropriate ABI is for
501 interoperating with the target's libraries. For example, on win32 with a x86
502 architecture, this means that the abi used would be `stdcall`. On x86_64,
503 however, windows uses the `C` calling convention, so `C` would be used. This
504 means that in our previous example, we could have used `extern "system" { ... }`
505 to define a block for all windows systems, not just x86 ones.
506
507 # Interoperability with foreign code
508
509 Rust guarantees that the layout of a `struct` is compatible with the platform's
510 representation in C only if the `#[repr(C)]` attribute is applied to it.
511 `#[repr(C, packed)]` can be used to lay out struct members without padding.
512 `#[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
515 to the contained object. However, they should not be manually created because
516 they are managed by internal allocators. References can safely be assumed to be
517 non-nullable pointers directly to the type.  However, breaking the borrow
518 checking or mutability rules is not guaranteed to be safe, so prefer using raw
519 pointers (`*`) if that's needed because the compiler can't make as many
520 assumptions about them.
521
522 Vectors and strings share the same basic memory layout, and utilities are
523 available in the `vec` and `str` modules for working with C APIs. However,
524 strings are not terminated with `\0`. If you need a NUL-terminated string for
525 interoperability with C, you should use the `CString` type in the `std::ffi`
526 module.
527
528 The standard library includes type aliases and function definitions for the C
529 standard library in the `libc` module, and Rust links against `libc` and `libm`
530 by default.
531
532 # The "nullable pointer optimization"
533
534 Certain types are defined to not be `null`. This includes references (`&T`,
535 `&mut T`), boxes (`Box<T>`), and function pointers (`extern "abi" fn()`).
536 When interfacing with C, pointers that might be null are often used.
537 As a special case, a generic `enum` that contains exactly two variants, one of
538 which contains no data and the other containing a single field, is eligible
539 for the "nullable pointer optimization". When such an enum is instantiated
540 with one of the non-nullable types, it is represented as a single pointer,
541 and the non-data variant is represented as the null pointer. So
542 `Option<extern "C" fn(c_int) -> c_int>` is how one represents a nullable
543 function pointer using the C ABI.