rust调用c语言函数库

概述

某些情况下，程序的一些功能需要用c语言来实现（比如：处于性能优化考虑），或者需要使用已经存在的第三方c语言函数库，此时就需要实现rust调用c函数库（静态库或动态链接库）。

实验目标

  • c语言生成函数库。
  • 从rust调用c语言函数库。
  • 编译工程

代码工程

f0002
├── Cargo.toml
├── README.md
├── ansic/
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── include/
│   │   └── simplemath.h
│   └── src/
│       └── simplemath.c
├── build.rs
└── src/
    └── main.rs

实验内容

c语言生成函数库

  1. 定义函数接口

    编制头文件暴露相关的函数接口：

    // simplemath.h

#ifndef _SIMPLEMATH_H_
#define _SIMPLEMATH_H_

int add(int left, int right);  // 加
int sub(int left, int right);  // 减
int mul(int left, int right);  // 乘
int div(int left, int right);  // 除

#endif

  2. 实现函数

    // simplemath.c

#include "simplemath.h"

int add(int left, int right) {
    return left + right;
}

int sub(int left, int right) {
    return left - right;
}

int mul(int left, int right) {
    return left * right;
}

int div(int left, int right) {
    return left / right;
}

  3. 编译生成函数库

    编译c代码生成动态链接库或静态函数库（这里我们选用静态链接的实现方式）。

    # 生成动态链接库
# gcc -shared -fPIC -o libsimplemath.so -I include src/simplemath.c

# 生成静态函数库
gcc -c -o simplemath.o -I include src/simplemath.c
ar rc libsimplemath.a simplemath.o

rust 调用c函数库

  1. 接口绑定

    // binding.rs

// 链接动态库
//#[link(name = "simplemath", kind = "dylib")]
// 链接静态库
#[link(name = "simplemath", kind = "static")]
extern "C" {
    fn add(left: isize, right: isize) -> isize;
    fn sub(left: isize, right: isize) -> isize;
    fn mul(left: isize, right: isize) -> isize;
    fn div(left: isize, right: isize) -> isize;
}

  2. 调用绑定的接口函数

    
mod binding;

fn main() {
    let left = 10isize;
    let right = 3isize;

    println!("{} + {} = {}", left, right, unsafe { binding.add(left, right) });
    println!("{} - {} = {}", left, right, unsafe { binding.sub(left, right) });
    println!("{} * {} = {}", left, right, unsafe { binding.mul(left, right) });
    println!("{} / {} = {}", left, right, unsafe { binding.div(left, right) });
}

  3. 编译运行

    将第一步生成的函数库拷贝到rust工程的输出目录中（ target/debug 或 target/release ），然后运行以下命令即可观察到rust成功调用c函数库。

    cargo run

    注意：若以动态链接库的形式调用，则需要将动态链接库文件的路径加入环境变量 LD_LIBRARY_PATH；而若以静态库的方式进行链接，则相应的函数实现已经被编译到了执行码中，运行时就不需要额外指定任何参数了。

编译工程

为了实现自动编译，需要利用 cargo 提供的 build.rs 机制：若工程目录下是否存在名为 build.rs 的文件，则 cargo 会先编译并执行 build.rs，并将其输出的结果加入 rustc 的编译参数，然后再编译 rust 工程的代码。

利用这个机制，我们可以在编译 rust 代码之前，先编译 c 代码生成函数库，并传递给 rustc 编译器。具体有以下两种实现方式：

  • 利用 Makefile 和 make
  • 利用 CMakeLists.txt 和 cmake

利用 Makefile 和 make

实现思路是，先准备好 Makefile ，然后在 build.rs 中调用 make 编译c代码生成函数库。

这种实现方式的优点是实现简单，缺点是若想兼容各种平台，Makefile写起来很麻烦。

  1. 创建 Makefile 文件

    此Makefile利用gcc编译c代码生成函数库，并放置到rust的taget目录下。

    PROJECT_DIR := ..
PROFILE ?= debug
TARGET_DIR := $(PROJECT_DIR)/target/$(PROFILE)

ifeq ($(PROFILE), "release")
    CFLAGS := -fPIC -O2
else
    CFLAGS := -fPIC
endif

build: src/simplemath.c include/simplemath.h
    mkdir -p $(TARGET_DIR)
    gcc $(CFLAGS) -I include -o $(TARGET_DIR)/simplemath.o src/simplemath.c
    ar rc $(TARGET_DIR)/libsimplemath.a $(TARGET_DIR)/simplemath.o

  2. 创建 build.rs 文件

    在编译rust代码前，会先调用build.rs进行前处理：编译生成c函数库，并将相关参数传递给rustc。

    // build.rs

fn main() {
    // ## 通过命令行调用make编译c代码并生成函数库
    use std::process::Command;
    use std::path::{Path, PathBuf};

    // 获取相关路径
    let manifest_dir = std::env::var("CARGO_MANIFEST_DIR").unwrap();
    let rust_dir = PathBuf::from(manifest_dir);
    let ansic_dir = rust_dir.parent().unwrap().join("ansic");
    let profile = std::env::var("PROFILE").unwrap();

    // 编译生成ansic动态链接库
    let _make_result = Command::new("make")
        .arg("build")
        .env("PROFILE", &profile)
        .current_dir(ansic_dir.as_os_str().to_str().unwrap())
        .status()
        .expect("Failed to execute make command");

    // ## 输出cargo链接参数
    println!("cargo:rerun-if-changed=build.rs");
    println!("cargo:rustc-link-search=native=target/{}", &profile);
    println!("cargo:rustc-link-lib=dylib=simplemath");
}

  3. 编译运行

    cargo run

利用 CMakeLists.txt 和 cmake

上一种方法是基于 Linux 来实现的，但是如果将工程放在Windows环境下编译，会导致失败。如果不想花费很大的精力制作并维护一份兼容各种平台的Makefile，那么可以考虑利用cmake工具来实现兼容各种平台。实现思路是，先准备好 CMakeLists.txt文件，然后利用 cmake 自动生成兼容当前平台的 Makefile，最后再利用 make 编译c代码生成函数库。

采用这种实现方式的优点是不需要操心平台兼容的问题，缺点是需要安装 cmake 工具，并且要学习 CMakeLists.txt 的语法。

  1. 创建 CMakeLists.txt 文件

    文件如下：

    # 设置允许的cmake最低版本
cmake_minimum_required(VERSION 3.12)

# 设置目标名称
set(TARGET f0002_ansic)

# 设置项目名称及使用的开发语言
project(${TARGET} LANGUAGES C)

# 设置C语言标准
set(CMAKE_C_STANDARD 23)

# 生成静态库，及相应的c代码
add_library(${TARGET} STATIC "src/simplemath.c")

# 设置头文件搜索目录
target_include_directories(${TARGET} PRIVATE "include")

# 设置目标生成目录
install(TARGETS ${TARGET} DESTINATION .)

  2. 创建 build.rs 文件

    在编译rust代码前，会先调用build.rs进行前处理：编译生成c函数库，并将相关参数传递给rustc。

    // build.rs

fn main() {
    // ## 事先做成CMakeLists.txt，利用cmake编译c代码并生成函数库
    use cmake::Config;
    let dst = Config::new("ansic").build();

    // ## 生成cargo链接参数
    // 若build.rs有任何修改，则重新编译
    println!("cargo:rerun-if-changed=build.rs");
    // 搜索生成的函数库
    println!("cargo:rustc-link-search=native={}", dst.display());
    // 链接生成的函数库
    println!("cargo:rustc-link-lib=static=simplemath");
}

    因为这里使用了第三方库 cmake-rs，所以需要在 Cargo.toml 文件中添加相关依赖：

    [package]
name = "f0002"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]

[build-dependencies]
cmake = "0.1"

    注意：如果不想使用第三方库，也可以采用命令行调用的方式，相关的命令如下（这里就没有写出在 build.rs 中的实现了）：

    mkdir -p tmp
( cd tmp && cmake ../ansic && make )
cp tmp/libsimplemath.a ../target/debug
rm -rf tmp

  3. 安装相关软件

    如果是在 Linux 环境下，通过以下命令安装：

    sudo yum install cmake
cmake --version

    如果是在 Windows MinGW-w64 环境下，通过以下命令安装：

    pacman -S mingw-w64-x86_64-cmake
cmake --version

    注意：

    1. 实验环境采用的是 Windows + MingGW-W64 + gcc。如果想使用msvc编译器，则需要做相关调整。
    2. 如果安装的版本是 pacman -S cmake，则编译时会出现各种奇怪的问题并导致失败。

  4. 编译运行

    cargo run

    以下是 Linux 平台下的运行结果：
    image

    以下是 Windows 平台的运行结果：
    image

遗留问题

  • c代码本身有任何变更时，cargo不会重新编译生成c语言函数库（除非运行 cargo clean 清除所有缓存）
  • 在 Windows 环境下编译时，会报warning，虽然并不影响编译运行。

posted on 2024-03-14 16:59  雨梭  阅读(635)  评论(0)  编辑  收藏  举报