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外部功能接口FFI
雖然高級（腳本）編程語言的功能豐富，表達能力強，但對底層的一些特殊操作的支持并不完善，就需要以其他編程語言來實現。調用其他編程語言的接口，被稱為Foreign Function Interface，直譯為外部功能接口。該接口通常是調用C語言實現的外部功能模塊，因為C語言接近于全能，幾乎任何功能都能夠實現；正如同使用匯編語言也可以實現很多功能一樣，但開發效率低下。很多腳本語言提供了FFI功能，例如Python、PHP和JIT版本的Lua解析器等。同樣的，Rust也提供了FFI接口，作為標準庫中一個功能模塊；但本文不會討論該模塊的使用方法。本文記錄了筆者編寫一個簡單的C語言動態庫，并通過Rust調用動態庫導出的函數；另外，筆者直接使用Rust官方提供的libc庫，直接替代筆者編寫的C語言動態庫，以避免重復造輪子。
UDP套接字的讀超時
Rust標準庫中的UDP網絡功能，提供了設置套接字讀超時的函數，set_read_timeout，了解C語言網絡編譯的開發人員都知道，相應的底層調用為setsockopt(SO_RCVTIMEO)。假設Rust標準庫中UDP模塊未提供該函數，就需要編寫C語言代碼，將其編譯成一個動態庫，嘗試將Rust鏈接到該庫，并調用其中定義的函數了。筆者編寫的代碼如下：
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
/* export function to set socket receive timeout */
extern int normal_setsock_timeout(int sockfd,
unsigned long timeout);
int normal_setsock_timeout(int sockfd,
unsigned long timeout)
{
int ret, err_n;
struct timeval tv;
tv.tv_sec = (time_t) (timeout / 1000);
tv.tv_usec = (timeout % 1000) * 1000;
ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO,
&tv, sizeof(tv));
if (ret == -1) {
err_n = errno;
fprintf(stderr, "Error, setsockopt(%d, RECVTIMEO, %lu) has failed: %s\n",
sockfd, timeout, strerror(err_n));
fflush(stderr);
errno = err_n;
return -1;
}
return 0;
}
通過以下命令生成動態庫libsetsock.so：
gcc -Wall -O2 -fPIC -D_GNU_SOURCE -shared -o libsetsock.so -Wl,-soname=libsetsock.so mysetsock.c
筆者使用Rust編寫的簡單UDP服務端代碼如下：
use std::net::UdpSocket;
use chrono::{DateTime, Local};
fn get_local_time() -> String {
let nowt: DateTime<Local> = Local::now();
nowt.to_string()
}
fn main() -> std::io::Result<()> {
let usock = UdpSocket::bind("127.0.0.1:2021");
if usock.is_err() {
let errval = usock.unwrap_err();
println!("Error, failed to create UDP socket: {:?}", errval);
return Err(errval);
}
// get the UdpSocket structure
let usock = usock.unwrap();
// create 2048 bytes of buffer
let mut buffer = vec![0u8; 2048];
println!("{} -> Waiting for UDP data...", get_local_time());
// main loop
loop {
let res = usock.recv_from(&mut buffer);
if res.is_err() {
println!("{} -> Error, failed to receive from UDP socket: {:?}",
get_local_time(), res.unwrap_err());
break;
}
let (rlen, peer_addr) = res.unwrap();
println!("{} -> received {} bytes from {:?}:{}",
get_local_time(), rlen, peer_addr.ip(), peer_addr.port());
}
// just return ok
Ok(())
}
短短50多行代碼實現了一個簡單的UDP服務端，作為系統編程語言的Rust開發效率可見一斑。不過該UDP服務器的讀操作是阻塞的，它會一直等待網絡數據的到來：
udp_socket$ cargo run
Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.02s
Running `target/debug/udp_socket`
2021-07-11 19:38:29.791363796 +08:00 -> Waiting for UDP data...
2021-07-11 19:38:39.721713256 +08:00 -> received 16 bytes from 127.0.0.1:39180
2021-07-11 19:38:48.553386975 +08:00 -> received 16 bytes from 127.0.0.1:58811Rust調用C語言動態庫中的函數
與C語言類似，Rust使用extern關鍵字可實現對外部函數的聲明，不過在調用的代碼需要以unsafe關鍵字包成代碼塊。以下是筆者對上面的Rust代碼的修改：
diff --git a/src/main.rs b/src/main.rs
index 304c7dc..5921106 100644
--- a/src/main.rs
+++ b/src/main.rs
@@ -1,5 +1,12 @@
use std::net::UdpSocket;
use chrono::{DateTime, Local};
+use std::os::raw::c_int;
+use std::os::unix::io::AsRawFd;
+
+#[link(name = "setsock")]
+extern {
+ pub fn normal_setsock_timeout(sock_fd: c_int, timo: usize) -> c_int;
+}
fn get_local_time() -> String {
let nowt: DateTime<Local> = Local::now();
@@ -20,6 +27,11 @@ fn main() -> std::io::Result<()> {
let mut buffer = vec![0u8; 2048];
println!("{} -> Waiting for UDP data...", get_local_time());
+ // set UDP socket receive timeout
+ unsafe {
+ normal_setsock_timeout(usock.as_raw_fd() as c_int, 5000);
+ }
+
// main loop
loop {
let res = usock.recv_from(&mut buffer);修改后的主代碼增加了#[link]屬性，指示Rust編譯器在鏈接時加入-lsetsock鏈接選項。再次編譯，會發現鏈接命令失敗：
udp_socket$ cargo build Compiling udp_socket v0.1.0 (/home/yejq/program/rust-lang/udp_socket) error: linking with `cc` failed: exit status: 1
這說明雖然編譯是正常的，但在鏈接時找不到libsetsock.so動態庫。解決方法是在工程根目錄下增加一個編譯控制的Rust代碼，文件名為build.rs，給出動態庫所在的目錄：
fn main() {
println!(r"cargo:rustc-link-search=native=/home/yejq/program/rust-lang/socket_udp");
}再次執行cargo build編譯工程，鏈接就能成功了；使用patchelf和nm等命令行工具察看，生成的可執行文件依賴了C語言編寫的動態庫libsetsock.so，并引用了其導出的函數符號normal_setsock_timeout：
udp_socket$ cargo build
Compiling udp_socket v0.1.0 (/home/yejq/program/rust-lang/udp_socket)
Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 1.72s
udp_socket$ patchelf --print-needed ./target/debug/udp_socket
libsetsock.so
libgcc_s.so.1
libpthread.so.0
libdl.so.2
libc.so.6
ld-linux-x86-64.so.2
udp_socket$ nm --undefined-only ./target/debug/udp_socket | grep -e normal_setsock
U normal_setsock_timeout此時運行簡單UDP服務端程序，可以確定我們增加的套接字讀超時功能能夠正常工作：
udp_socket$ LD_LIBRARY_PATH=/home/yejq/program/rust-lang/socket_udp ./target/debug/udp_socket
2021-07-11 19:55:26.279653039 +08:00 -> Waiting for UDP data...
2021-07-11 19:55:29.788948366 +08:00 -> received 16 bytes from 127.0.0.1:43303
2021-07-11 19:55:31.977738660 +08:00 -> received 16 bytes from 127.0.0.1:46854
2021-07-11 19:55:37.179290653 +08:00 -> Error, failed to receive from UDP socket: Os { code: 11, kind: WouldBlock, message: "Resource temporarily unavailable" }避免重復造輪子，使用Rust官方C語言庫
以上我們用C語言編寫了簡單的動態庫，導出了一個可設置套接字讀超時的函數。這個功能過于簡單，費大周折編寫一個動態庫顯得得不償失。另一個解決方案是直接使用Rust官方提供的C語言庫，該庫提供了很多變量和函數(與glibc提供的宏定義和庫函數、系統調用有很多重疊)，可以直接添加setsockopt等系統調用的代碼。修改UDP服務器代碼：
diff --git a/src/main.rs b/src/main.rs
index 5921106..3f4bc84 100644
--- a/src/main.rs
+++ b/src/main.rs
@@ -2,11 +2,7 @@ use std::net::UdpSocket;
use chrono::{DateTime, Local};
use std::os::raw::c_int;
use std::os::unix::io::AsRawFd;
-
-#[link(name = "setsock")]
-extern {
- pub fn normal_setsock_timeout(sock_fd: c_int, timo: usize) -> c_int;
-}
+use libc;
fn get_local_time() -> String {
let nowt: DateTime<Local> = Local::now();
@@ -27,9 +23,17 @@ fn main() -> std::io::Result<()> {
let mut buffer = vec![0u8; 2048];
println!("{} -> Waiting for UDP data...", get_local_time());
- // set UDP socket receive timeout
unsafe {
- normal_setsock_timeout(usock.as_raw_fd() as c_int, 5000);
+ let time_val = libc::timeval {
+ tv_sec: 5,
+ tv_usec: 0,
+ };
+
+ // set socket receive timeout via extern create, libc
+ libc::setsockopt(usock.as_raw_fd() as c_int,
+ libc::SOL_SOCKET, libc::SO_RCVTIMEO,
+ &time_val as *const libc::timeval as *const libc::c_void,
+ std::mem::size_of_val(&time_val) as libc::socklen_t);
}除了以上的修改，還需要在Cargo.toml文件中加入C語言庫的依賴，這里筆者使用的libc版本為0.2.98：
diff --git a/Cargo.toml b/Cargo.toml index f802b0d..eb0b78e 100644 --- a/Cargo.toml +++ b/Cargo.toml @@ -6,4 +6,5 @@ edition = "2018" # See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html [dependencies] +libc = "0.2.98" chrono = "0.4.19"
以上修改的代碼，與之前相同的是，調用C語言庫提供的函數也需要用到unsafe代碼塊；而工程根目錄下的編譯相關的控制代碼build.rs就不再需要了；編譯生成的UDP服務器也會在5秒無數據時退出。最后，能夠調用C語言編寫的動態庫，意味著使用Rust語言來進行嵌入式系統軟件的開發，是一種具備可行性的技術方案。
原文鏈接：https://blog.csdn.net/yeholmes/article/details/118660405
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