Rust FFI 编程 - 其它语言调用 Rust 代码 - Python

引言

随着 Rust 生态的发展，一些 Rust 语言实现的优秀工具或基础协议库，受到越来越多的企业或开发者青睐。与此同时，使用 Rust 语言对已有产品和工具进行性能优化或安全性提升，以及开发其它语言的扩展，这样的案例也越来越多。像被大家广泛使用的 curl 工具，其开发者 Daniel Stenberg 已采用 Rust 实现的 HTTP 协议库 hyper 来提供内存安全的 curl。

为了不同语言生态中的开发者可以快速地使用 Rust 语言以及 Rust 生态中优秀的工具或库，Rust FFI 编程计划通过编写一系列文章，专门介绍 C 语言之外的其它语言如何调用 Rust 导出库。目前准备介绍的语言列表有 Python，Ruby，Node.js，Go，Java，PHP。

对于每种语言，如果将 Rust 库的公共接口转换为应用程序二进制接口（ C ABI），则在其它编程语言中可以相对容易地使用它们，当前列表中的语言都具有某种形式的外部函数接口（C FFI），剩下的就是其它语言和 Rust 类型之间的相互转换。

因此，同之前介绍过的 C 调用 Rust 导出库类似，文章基本上均会先介绍该语言中支持的 FFI 库，然后通过设计一些示例，分别介绍在该语言中调用 Rust 导出库时，如何处理 Rust 中的常见数据类型，包括数值，字符串，数组，结构体等。

Python 中的 FFI 库

目前 Python 中常用来与 FFI 交互的有 ctypes 和 cffi。其中，ctypes 已被包含在 Python 标准库中，成为 Python 内建的用于调用动态链接库函数的功能模块。ctypes的主要问题是，我们必须使用其特定的 API 完全重复 C ABI 的声明。cffi 则是则通过解析实际的 C ABI 声明，自动推断所需的数据类型和函数签名，以避免重写声明。ctypes和cffi都使用了libffi，通过它实现 Python 动态调用其他语言的库。在本文中的示例，我们采用 cffi 库。

安装

最快捷的安装方式是通过 pip ：

pip install cffi

或者通过项目链接 https://pypi.python.org/pypi/cffi，下载源码，编译安装，这里不做介绍，参考链接中有相关的介绍文档。

使用

使用 cffi 的方式有 ABI 模式 和 API 模式 ，前者以二进制级别访问库，而后者使用 C 编译器访问库，所以在运行时，API 模式比 ABI 模式更快。我们的示例中使用 ABI 模式，因为它不需要 C 编译器。

在 cffi 中，我们可以使用 ffi.cdef(source) 解析给定的 C ABI。在其中注册所有函数，类型，常量和全局变量，这些类型可以在其它函数中立即使用。然后通过 ffi.dlopen(libpath) 使用 ABI 模式加载外部库并返回一个该库的对象，这样我们就可以使用库对象来调用先前由 ffi.cdef() 声明的函数，读取常量以及读取或写入全局变量。这种方式的大致代码框架如下：

# 导入 FFI 类
from cffi import FFIffi = FFI()# 声明数据类型和函数原型 
ffi.cdef("""""")# 以 ABI 模式加载外部库并返回库对象
lib = ffi.dlopen("")

Python 调用 Rust 代码示例

我们示例代码的目录结构如下：

example_04
├── Cargo.toml
├── ffi
│   ├── Cargo.toml
│   ├── cbindgen.toml
│   ├── example_04_header.h
│   ├── src
│   │   └── lib.rs
├── .gitignore
├── python
│   └── main.py
├── README.md
├── src
│   └── lib.rs

其中，

• ffi 目录存放 Rust 代码库暴露给外部的 C ABI 代码；

• • 通过以下命令生成头文件 example_04_header.h:

    cbindgen --config cbindgen.toml --output example_04_header.h

• python 目录存放在 Python 调用 Rust 代码库的 Python 代码；

• src 目录存放 Rust 库的代码，lib.rs 中包含了我们设计并实现的几个示例函数:

• • count_char，计算给定字符串的长度；

  • sum_of_even，计算给定整数数组中所有偶数之和；

  • handle_tuple，处理元组包含整数和布尔类型两个元素，将整数加1和布尔取反后返回；

示例 - 整数与字符串

整数在 Rust，C，Python 中都有对应的转换，通常很容易通过 FFI 边界。

字符串则比较复杂，Rust 中的字符串，是一组 u8 组成的 UTF-8 编码的字节序列，字符串内部允许 NUL 字节；但在 C 中，字符串只是指向一个 char 的指针，用一个 NUL 字节作为终止。

我们需要做一些特殊的转换，在 Rust FFI 中使用 std::ffi::CStr，它表示一个 NUL 字节作为终止的字节数组，可以通过 UTF-8 验证转换成 Rust 中的 &str。

#[no_mangle]
pub extern "C" fn count_char(s: *const c_char) -> c_uint {let c_str = unsafe {assert!(!s.is_null());CStr::from_ptr(s)};let r_str = c_str.to_str().unwrap();r_str.chars().count() as u32
}

同时，C 的 char 类型对应于 Python 中的单字符字符串，在 Python 中字符串必须编码为 UTF-8，才能通过 FFI 边界。

# coding: utf-8print 'count_char("hello") from Rust: ', lib.count_char("hello")
print 'count_char("你好") from Rust: ', lib.count_char(u"你好".encode('utf-8'))

执行结果为：

count_char("hello") from Rust:  5
count_char("你好") from Rust:  2

示例 - 数组与切片

在 Rust 和 C 中，数组均表示相同类型元素的集合，但在 C 中，其不会对数组执行边界检查，而 Rust 会在运行时检查数组边界。同时在 Rust 中有切片的概念，它包含一个指针和一组元素的数据。

在 Rust FFI 中使用 from_raw_parts 将指针和长度，转换为一个 Rust 中的切片。

#[no_mangle]
pub extern "C" fn sum_of_even(ptr: *const c_int, len: size_t) -> c_int {let slice = unsafe {assert!(!ptr.is_null());slice::from_raw_parts(ptr, len as usize)};let sum = slice.iter().filter(|&&num| num % 2 == 0).fold(0, |sum, &num| sum + num);sum as c_int
}

在 Python 中，并没有明显的 C 数组对等物，它们在 CFFI 中对应于的 cdata 类型。可以通过 ffi.new(cdecl,init=None) ，根据指定的 C 类型分配实例，并返回指向它的指针。

array = ffi.new("int[]", [1, 4, 9, 16, 25])
print 'sum_of_even from Rust: ', lib.sum_of_even(array, len(array))

执行结果为：

sum_of_even from Rust:  20

示例 - 元组与结构体

在 C 中没有元组的概念，我们可以做一个特殊的转换，通过在 Rust FFI 中定义与元组相对应的结构体。

#[repr(C)]
pub struct c_tuple {integer: c_uint,boolean: bool,
}#[no_mangle]
pub extern "C" fn handle_tuple(tup: c_tuple) -> c_tuple {let (integer, boolean) = tup.into();(integer + 1, !boolean).into()
}

与数组类似，在 Python 中，并没有明显的 C 结构体的对等物，它们在 CFFI 中也对应于的 cdata 类型。

py_cdata = ffi.new('c_tuple *')
py_cdata.integer = 100
py_cdata.boolean = True
print('cdata = {0}, {1}'.format(py_cdata.integer, py_cdata.boolean))
new_py_cdata = lib.handle_tuple(py_cdata[0])
print('change cdata = {0}, {1}'.format(new_py_cdata.integer, new_py_cdata.boolean))

执行结果为：

cdata = 100, True
change cdata = 101, False

对于结构体，由于无法查看其实例对象内部，所以通常将其视为不透明的指针（opaque pointer）来处理。可以参考之前系列文章中的介绍（https://mp.weixin.qq.com/s/WkOwKPPmmQOjc4IYwvKOfA）。

小结

通过简单的示例，我们可以整理出其它语言调用 Rust 代码的一般模式或步骤。

1. 针对 Rust 代码中需要公开的 API，为其编写对应的 C API，对应示例中的 ffi 文件夹；

2. 通过cbindgen 工具生成 C API 的头文件或手动添加 C API 函数定义；

3. 在其它语言中，使用其支持调用 C API 的 FFI 模块或库，完成对 Rust 代码的调用。

完整示例代码的 Github 链接：https://github.com/lesterli/rust-practice/tree/master/ffi/example_04

参考链接

• 内存安全的curl：https://www.abetterinternet.org/post/memory-safe-curl/

• cbindgen的文档：https://github.com/eqrion/cbindgen/blob/master/docs.md

• ctypes的中文文档：https://docs.python.org/zh-cn/3/library/ctypes.html

• cffi 中文文档：https://cffi-zh-cn.readthedocs.io/zh/latest/overview.html