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Golang/C++混合編程

類型轉(zhuǎn)換

CGO 是一個聯(lián)通 GO 語言和 C 語言的雙向橋梁盗舰，它允許 GO 語言調(diào)用 C 語言庫垛孔，反之亦然。CGO 的一個核心功能就是類型轉(zhuǎn)換泽示，它允許 GO 語言和 C 語言之間的數(shù)據(jù)交換。

在 GO 語言中訪問 C 語言的符號時谅猾，一般是通過虛擬的“C”包訪問抗果，比如C.int對應 C 語言的 int 類型。有些 C 語言的類型是由多個關(guān)鍵字組成纳像，但通過虛擬的“C”包訪問 C 語言類型時名稱部分不能有空格字符，比如unsigned int不能直接通過C.unsigned int訪問拯勉。因此CGO為C語言的基礎(chǔ)數(shù)值類型都提供了相應轉(zhuǎn)換規(guī)則竟趾，比如C.uint對應C語言的unsigned int憔购。

基礎(chǔ)類型對照表

以下為CGO類型和C語言類型的對照表：

需要注意的是，雖然在 C 語言中int岔帽、short等類型沒有明確定義內(nèi)存大小玫鸟，但是在 CGO 中它們的內(nèi)存大小是確定的。在 CGO 中犀勒，C 語言的 int 和 long 類型都是對應4個字節(jié)的內(nèi)存大小屎飘，size_t 類型可以當作 Go 語言 uint 無符號整數(shù)類型對待。
CGO 中贾费，雖然 C 語言的 int 固定為4字節(jié)的大小钦购，但是 Go 語言自己的 int 和 uint 卻在32位和64位系統(tǒng)下分別對應4個字節(jié)和8個字節(jié)大小。如果需要在 C 語言中訪問 Go 語言的 int 類型褂萧，可以通過 GoInt 類型訪問押桃。

CGO 頭文件 "_cgo_export.h"

typedef signed char GoInt8;
typedef unsigned char GoUint8;
typedef short GoInt16;
typedef unsigned short GoUint16;
typedef int GoInt32;
typedef unsigned int GoUint32;
typedef long long GoInt64;
typedef unsigned long long GoUint64;
typedef GoInt64 GoInt;
typedef GoUint64 GoUint;
typedef float GoFloat32;
typedef double GoFloat64;
typedef struct { const char *p; GoInt n; } GoString;
typedef void *GoMap;
typedef void *GoChan;
typedef struct { void *t; void *v; } GoInterface;
typedef struct { void *data; GoInt len; GoInt cap; } GoSlice;

不過需要注意的是，其中只有字符串和切片在 CGO 中有一定的使用價值导犹，因為 CGO 為他們的某些 GO 語言版本的操作函數(shù)生成了 C 語言版本唱凯，因此二者可以在 Go 調(diào)用 C 語言函數(shù)時馬上使用;而 CGO 并未針對其他的類型提供相關(guān)的輔助函數(shù)，且 Go 語言特有的內(nèi)存模型導致我們無法保持這些由 Go 語言管理的內(nèi)存指針谎痢，所以它們 C 語言環(huán)境并無使用的價值磕昼。

結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合节猿、枚舉類型

結(jié)構(gòu)體

C 語言的結(jié)構(gòu)體票从、聯(lián)合、枚舉類型不能作為匿名成員被嵌入到 Go 語言的結(jié)構(gòu)體中滨嘱。在 Go 語言中峰鄙，我們可以通過C.struct_xxx來訪問 C 語言中定義的struct xxx結(jié)構(gòu)體類型。結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局按照 C 語言的通用對齊規(guī)則九孩，在32位 Go 語言環(huán)境 C 語言結(jié)構(gòu)體也按照32位對齊規(guī)則先馆，在64位 Go 語言環(huán)境按照64位的對齊規(guī)則发框。對于指定了特殊對齊規(guī)則的結(jié)構(gòu)體躺彬，無法在 CGO 中訪問。

// 示例：
package main

/*
struct A {
    int i;
    float f;
    int type; // type 是 Go 語言的關(guān)鍵字
    float _type; // 將屏蔽CGO對 type 成員的訪問
};
*/
import "C"
import "fmt"
func main() {
    var a C.struct_A
    fmt.Println(a.i)
    fmt.Println(a.f)
    fmt.Println(a._type)
    // 未聲明 float _type 時梅惯， _type 對應 int type
    // 聲明 float _type 時宪拥， _type 對應 float _type
}

注：C 語言結(jié)構(gòu)體中位字段對應的成員無法在 Go 語言中訪問，如果需要操作位字段成員铣减，需要通過在 C 語言中定義輔助函數(shù)來完成她君。對應零長數(shù)組的成員，無法在 Go 語言中直接訪問數(shù)組的元素葫哗。在C語言中缔刹，我們無法直接訪問Go語言定義的結(jié)構(gòu)體類型球涛。

聯(lián)合

對于聯(lián)合類型，我們可以通過C.union_xxx來訪問 C 語言中定義的union xxx類型校镐。但是Go語言中并不支持C語言聯(lián)合類型亿扁，它們會被轉(zhuǎn)為對應大小的字節(jié)數(shù)組。

// 示例：
package main

/*
#include <stdint.h>
union B1 {
    int i;
    float f;
};
union B2 {
    int8_t i8;
    int64_t i64;
};
*/
import "C"
import "fmt"
func main() {
    var b1 C.union_B1;
    fmt.Printf("%T\n", b1) // [4]uint8
    var b2 C.union_B2;
    fmt.Printf("%T\n", b2) // [8]uint8

    // 如果需要操作C語言的聯(lián)合類型變量鸟廓，一般有三種方法：
    // 第一種是在C語言中定義輔助函數(shù)从祝；
    // 第二種是通過Go語言的”encoding/binary”手工解碼成員(需要注意大端小端問題)；
    // 第三種是使用unsafe包強制轉(zhuǎn)型為對應類型(這是性能最好的方式)引谜。下面展示通過unsafe包訪問聯(lián)合類型成員的方式：
    fmt.Println("b1.i:", *(*C.int)(unsafe.Pointer(&b1)))
    fmt.Println("b1.f:", *(*C.float)(unsafe.Pointer(&b1)))
}

枚舉

對于枚舉類型牍陌，我們可以通過C.enum_xxx來訪問 C 語言中定義的enum xxx結(jié)構(gòu)體類型。

// 示例：
package main

/*
enum C {
    ONE,
    TWO,
};
*/
import "C"
import "fmt"
func main() {
    var c C.enum_C = C.TWO
    fmt.Println(c)
    fmt.Println(C.ONE)
    fmt.Println(C.TWO)
}

數(shù)組员咽、字符串和切片

C/GO 數(shù)組字符串定義

在 C 語言中毒涧，數(shù)組名其實對應于一個指針，指向特定類型特定長度的一段內(nèi)存骏融，但是這個指針不能被修改链嘀；當把數(shù)組名傳遞給一個函數(shù)時，實際上傳遞的是數(shù)組第一個元素的地址档玻。為了討論方便怀泊，我們將一段特定長度的內(nèi)存統(tǒng)稱為數(shù)組。C 語言的字符串是一個 char 類型的數(shù)組误趴，字符串的長度需要根據(jù)表示結(jié)尾的 NULL 字符的位置確定霹琼。C 語言中沒有切片類型。

在 GO 語言中凉当，數(shù)組是一種值類型枣申，而且數(shù)組的長度是數(shù)組類型的一個部分。GO 語言字符串對應一段長度確定的只讀 byte 類型的內(nèi)存看杭。GO 語言的切片則是一個簡化版的動態(tài)數(shù)組忠藤。

相互轉(zhuǎn)換

CGO 的C 虛擬包提供了以下一組函數(shù)，用于Go語言和C語言之間數(shù)組和字符串的雙向轉(zhuǎn)換：

// Go string to C string
// The C string is allocated in the C heap using malloc.
// It is the caller's responsibility to arrange for it to be
// freed, such as by calling C.free (be sure to include stdlib.h
// if C.free is needed).
func C.CString(string) *C.char
// Go []byte slice to C array
// The C array is allocated in the C heap using malloc.
// It is the caller's responsibility to arrange for it to be
// freed, such as by calling C.free (be sure to include stdlib.h
// if C.free is needed).
func C.CBytes([]byte) unsafe.Pointer
// C string to Go string
func C.GoString(*C.char) string
// C data with explicit length to Go string
func C.GoStringN(*C.char, C.int) string
// C data with explicit length to Go []byte
func C.GoBytes(unsafe.Pointer, C.int) []byte

其中C.CString針對輸入的 GO 字符串楼雹，克隆一個 C 語言格式的字符串模孩；返回的字符串由 C 語言的 malloc 函數(shù)分配，不使用時需要通過 C 語言的 free 函數(shù)釋放贮缅。C.CBytes函數(shù)的功能和C.CString類似榨咐，用于從輸入的 GO 語言字節(jié)切片克隆一個 C 語言版本的字節(jié)數(shù)組，同樣返回的數(shù)組需要在合適的時候釋放谴供。C.GoString用于將從 NULL 結(jié)尾的 C 語言字符串克隆一個 GO 語言字符串块茁。C.GoStringN是另一個字符數(shù)組克隆函數(shù)。C.GoBytes用于從 C 語言數(shù)組，克隆一個 GO 語言字節(jié)切片数焊。

該組輔助函數(shù)都是以克隆的方式運行永淌，轉(zhuǎn)換前和轉(zhuǎn)換后的內(nèi)存依然在各自的語言環(huán)境中，它們并沒有跨越Go語言和C語言佩耳⊙鲑鳎克隆方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是接口和內(nèi)存管理都很簡單，缺點是克隆需要分配新的內(nèi)存和復制操作都會導致額外的開銷蚕愤。

指針

在 C 語言中答恶，不同類型的指針是可以顯式或隱式轉(zhuǎn)換的，如果是隱式只是會在編譯時給出一些警告信息萍诱。但是 GO 語言對于不同類型的轉(zhuǎn)換非常嚴格悬嗓，任何 C 語言中可能出現(xiàn)的警告信息在 GO 語言中都可能是錯誤！指針是 C 語言的靈魂裕坊，指針間的自由轉(zhuǎn)換也是 CGO 代碼中經(jīng)常要解決的第一個重要的問題包竹。

CGO 存在的一個目的就是打破 GO 語言的禁止，恢復 C 語言應有的指針的自由轉(zhuǎn)換和指針運算籍凝。以下代碼演示了如何將X類型的指針轉(zhuǎn)化為Y類型的指針：

var p *X
var q *Y

q = (*Y)(unsafe.Pointer(p)) // *X => *Y
p = (*X)(unsafe.Pointer(q)) // *Y => *X

任何類型的指針都可以通過強制轉(zhuǎn)換為unsafe.Pointer指針類型去掉原有的類型信息周瞎，然后再重新賦予新的指針類型而達到指針間的轉(zhuǎn)換的目的。類似 C 語言的 void* 指針饵蒂。

數(shù)值與指針

在 C 語言中声诸，數(shù)值和指針之間可以相互轉(zhuǎn)換，但是轉(zhuǎn)換的結(jié)果可能出乎意料退盯。在 CGO 中彼乌，數(shù)值和指針之間的轉(zhuǎn)換也是被禁止的，但是通過unsafe包渊迁，可以繞過這個限制慰照。GO 語言針對unsafe.Pointr指針類型特別定義了一個uintptr類型。我們可以uintptr為中介琉朽，實現(xiàn)數(shù)值類型到unsafe.Pointr指針類型到轉(zhuǎn)換毒租。以下代碼演示了如何將數(shù)值轉(zhuǎn)換為指針：

var p *X
var i uintptr

i = uintptr(unsafe.Pointer(p)) // *X => uintptr
p = (*X)(unsafe.Pointer(i)) // uintptr => *X

任何數(shù)值類型都可以通過uintptr類型轉(zhuǎn)換為指針類型，但是轉(zhuǎn)換的結(jié)果可能并不是我們期望的箱叁。數(shù)值到指針的轉(zhuǎn)換墅垮，實際上是將數(shù)值解釋為內(nèi)存地址，然后通過這個地址去訪問內(nèi)存蝌蹂。如果數(shù)值對應的內(nèi)存地址是非法的噩斟，那么轉(zhuǎn)換后的指針將無法正常工作曹锨。因此孤个，數(shù)值到指針的轉(zhuǎn)換需要格外小心，必須保證數(shù)值對應的內(nèi)存地址是合法的沛简。

函數(shù)

函數(shù)是 C 語言編程的核心齐鲤，通過 CGO 技術(shù)我們不僅僅可以在 GO 語言中調(diào)用 C 語言函數(shù)斥废，也可以將Go語言函數(shù)導出為C語言函數(shù)。

GO調(diào)用C函數(shù)

package main

/*
static int div(int a, int b) {
    return a/b;
}
*/
import "C"
import "fmt"

func main() {
    v := C.div(6, 3)
    fmt.Println(v)
}

在 C 語言中给郊，函數(shù)并不支持返回多個返回值牡肉。若我們期望 C 語言函數(shù)像 GO 語言函數(shù)一樣同時返回結(jié)果和錯誤信息，則可以借助errno.h標準庫所提供的errno宏來實現(xiàn)淆九。errno變量是一個全局變量统锤，當 C 語言函數(shù)執(zhí)行失敗時，會設(shè)置errno變量的值為一個錯誤碼炭庙，然后返回一個錯誤結(jié)果饲窿。GO 語言函數(shù)可以通過檢查errno變量的值來判斷 C 語言函數(shù)是否執(zhí)行成功。

package main

/*
#include <errno.h>
static int div(int a, int b) {
    if(b == 0) {
        errno = EINVAL;
        return 0;
    }
    return a/b;
}
*/
import "C"
import "fmt"

func main() {
    v0, err0 := C.div(2, 1)
    fmt.Println(v0, err0)
    v1, err1 := C.div(1, 0)
    fmt.Println(v1, err1)
}

C 語言 void 函數(shù)

C 語言函數(shù)還有一種沒有返回值類型的函數(shù)焕蹄，用void表示返回值類型逾雄。一般情況下，我們無法獲取void類型函數(shù)的返回值腻脏，因為沒有返回值可以獲取鸦泳。前面的例子中提到，CGO 對errno做了特殊處理永品，可以通過第二個返回值來獲取 C 語言的錯誤狀態(tài)做鹰。對于void類型函數(shù)，這個特性依然有效鼎姐。

C調(diào)用GO函數(shù)

CGO 還有一個強大的特性：將 GO 函數(shù)導出為 C 語言函數(shù)誊垢。

package main
import "C"

//export add
func add(a, b C.int) C.int {
    return a+b
}

注：當導出 C 語言接口時，需要保證函數(shù)的參數(shù)和返回值類型都是 C 語言友好的類型症见，同時返回值不得直接或間接包含Go語言內(nèi)存空間的指針喂走。如果在兩個不同的 GO 語言包內(nèi)，都存在一個同名的要導出為 C 語言函數(shù)的add函數(shù)谋作，那么在最終的鏈接階段將會出現(xiàn)符號重名的問題芋肠。