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写 Rust 后，总是听说 ABI、C ABI 和 ABI 稳定，到底是个啥？

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ABI 是什么？

ABI 是 Application Binary Interface 的缩写，翻译为应用二进制接口。它是一个二进制程序的公开接口，决定了其他程序如何调用它。

维基百科对此有更简明的解释：

在计算机软件中，应用二进制接口（ABI）是两个二进制程序之间的接口；通常，这些模块中的一个是库或操作系统功能，另一个是用户正在运行的程序。

ABI 描述了两个主要方面：

  1. 数据在内存中的布局方式
  2. 函数的调用方式

例如，在 Windows x64 C ABI 约定中，前4个参数通过寄存器传递给函数。这些参数使用的具体寄存器取决于参数的位置和类型。而对于超过4个的参数，这些参数按照从右到左的顺序被推送到堆栈上。

ABI 稳定是什么？

ABI 稳定性意味着编译器在不同版本之间始终生成相同的 ABI。这确保了二进制文件的兼容性，使在一个版本中编译的库和程序可以在另一版本中正常工作。

然而，Rust 编译器目前并不承诺 ABI 稳定。原因可能是：

  1. 语言的快速发展：Rust 仍在快速发展，不断引入新的特性和优化策略。这些改进可能导致 ABI 的变化。如果在语言早期阶段稳定 ABI，未来的优化和扩展将受到限制，无法进行与 ABI 不兼容的改进。
  2. 性能和内存布局优化：为了实现最佳性能和内存安全，编译器需要灵活地对内存布局和调用约定进行优化。不同版本的编译器可能采用不同的优化策略，从而影响 ABI。

尽管如此，相比于 Rust 语言的核心库和语言特性，ABI 的变化相对缓慢。我试图寻找一个 Rust ABI 破坏性更新的具体例子，但尚未找到。如果你有相关的例子，请在文章下方评论告诉我。

ABI 稳定的好处是什么？

ABI 稳定能够为 Rust 带来了许多好处：

  1. 动态链接支持：稳定的 ABI 允许 Rust 二进制程序之间实现动态链接，这使得 Rust 程序可以支持动态加载插件，这在 C/C++ 中是常见的功能。
  2. 缩短编译时间：动态链接将缩短编译时间，因为多个项目可以链接到同一个动态库，而不需要分别编译所有代码。
  3. 减少磁盘空间使用：多个项目可以共享同一个动态库，从而减少磁盘空间的使用。

C ABI 是什么？

我们经常听到 C ABI，它被大多数静态编译语言（包括 Rust）所支持，使得不同语言编写的二进制程序可以进行动态链接。

C ABI 被认为是稳定的，但实际上，C 语言本身并没有定义 ABI。事实是，C 语言尽量避免定义 ABI。

ABI 是将编程语言的执行模型映射到特定机器、操作系统和编译器组合的一套约定。在语言规范中定义 ABI 是没有意义的，因为这样可能会阻碍某些特定架构上的 C 语言实现。

然而，不同的操作系统供应商为其平台定义了特定的 C ABI 规范。C 语言历史悠久，并且广泛应用于各种平台和架构上，绝大多数编译器都遵循这些平台的规范来生成二进制代码。

不同的操作系统和架构有不同的 ABI 规范文档。以下是一些常见的 C ABI 规范文档：

  1. System V ABI（适用于 x86 和 x86-64 架构）
  2. Microsoft x64 Calling Conventions
  3. ARM Procedure Call Standard (AAPCS)

尝试：C 调用由 Rust 编写的 C ABI 函数

我们使用 Rust 编写一个遵循 C ABI 的函数，并在 C 语言中调用它。

在 C 项目中使用 Rust 代码主要涉及两个部分：

  1. 创建一个对 C 友好的 API。
  2. 将你的 Rust 动态链接库嵌入到外部构建系统中。

创建项目

创建一个新的 cargo 项目。

通过配置来告诉 cargo 输出一个动态链接库。

[lib]
name = "my_lib"
crate-type = ["cdylib"]      # 创建动态库

编写一个 C ABI 函数

#[no_mangle]
pub extern "C" fn say() {
    println!("hello");
}

  • #[no_mangle] 该注解告诉 Rust 编译器不要对函数名进行改编（mangle）。Rust 编译器通常会对符号名称进行改编，以避免命名冲突。但对于需要从其他语言中调用的函数，这样可以确保函数名称在编译后保持不变。

  • extern "C" 个关键字声明函数遵循 C 编程语言的调用约定（calling convention），使得函数可以从 C 语言中调用。

从 C 调用 Rust 函数

那么，问题的一半已经解决了。现在该如何使用它呢？

cargo 将根据你的平台和设置在 target/release 目录中生成一个名为 libmy_lib.dylib（在 Windows 上为 my_lib.dll，在 Linux 上为 libmy_lib.so）的动态库。这个库可以被构建系统链接。

创建一个新的 C 文件 main.c，内容如下：

#include <stdio.h>

// 声明 Rust 函数
void say();

int main() {
    say();
    return 0;
}

编译并链接 C 程序

使用 GCC 编译并链接 C 程序：

gcc -o main main.c -L ./target/release -l my_lib

然后运行生成的可执行文件，输出应为：

hello

C ABI 的限制

C ABI 是相对简单的，这就导致它无法表示 Rust 的许多复杂类型。当你编写以下函数时：

#[no_mangle]
pub extern "C" fn say(name: String) {
    println!("hello {}", name)
}

Rust 编译器会明确提示你：

`extern` fn uses type `String`, which is not FFI-safe

这是因为 String 类型不是 FFI（Foreign Function Interface）安全的。这意味着它不能直接用于与其他编程语言（如 C）进行接口，因为它依赖于 Rust 的内存管理和所有权模型，而这些特性在 C 语言中是没有的。

你只能通过以下方式传递字符串：

use std::ffi::{c_char, CStr};

#[no_mangle]
pub extern "C" fn say(s: *const c_char) {
    // 确保 C 指针不为空
    if s.is_null() {
        println!("Received null pointer");
        return;
    }

    // 将 C 字符串转换为 Rust 的 &str
    let c_str = unsafe { CStr::from_ptr(s) };
    let name = c_str.to_str().expect("Invalid UTF-8");
    println!("hello {}", name)
}

这种方法通过使用 *const c_char 指针来接收来自 C 的字符串，并利用 Rust 的 CStr 类型将其转换为 Rust 的字符串切片 &str。这不仅保证了与 C 语言接口的兼容性，同时还能安全地处理字符串转换和内存管理问题。

参考

转载自:https://juejin.cn/post/7388686202599505932
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