幕后产品_C#幕后发生的事情:使用堆栈的基础知识

本文深入探讨了栈和寄存器的工作原理,详细解释了在编程中如何使用它们来存储和处理数据。文章通过具体的汇编语言代码示例,讲解了函数调用过程中的参数传递方式,包括寄存器和栈的使用。此外,还讨论了如何通过特定的技巧读取调用方法的栈,提供了一个虽然不能在实际项目中应用,但有助于理解工作原理的示例。

幕后产品

免责声明 (Disclaimer)

Before proceeding with the story, I strongly recommend you to read the first post about StructLayout, there is an example that will be used in this article.

在继续讲故事之前,我强烈建议您阅读有关StructLayout的第一篇文章,本文中将使用一个示例。

All code behind the high-level one is presented for the

高级别代码背后的所有代码均针对

调试 (debug)

mode, because it shows the conceptual basis. JIT optimization is a separate big topic that will not be covered here.

模式,因为它显示了概念基础。 JIT优化是一个单独的大主题,这里将不涉及。

I would also like to warn that this article does not contain material that should be used in real projects.

我也要警告,本文不包含在实际项目中应使用的材料。

第一-理论 (First — theory)

Any code eventually becomes a set of machine commands. Most understandable is their representation in the form of Assembly language instructions that directly correspond to one (or several) machine instructions.

任何代码最终都会变成一组机器命令。 最容易理解的是它们以直接对应于一个(或多个)机器指令的汇编语言指令的形式表示。

Before turning to a simple example, I propose to get acquainted with stack.

在举一个简单的例子之前,我建议先熟悉一下堆栈。

叠放 (Stack)

is primarily a chunk of memory that is used, as a rule, to store various kinds of data (usually they can be called

通常是一块内存,通常用于存储各种数据(通常可以将它们称为

temporal data). It is also worth remembering that the stack grows towards smaller addresses. That is the later an object is placed on the stack, the less address it will have. 时间数据 )。 还值得记住的是,堆栈向着较小的地址增长。 也就是说,将对象放置在堆栈上的时间越晚,其拥有的地址就越少。

Now let's take a look on the next piece of code in Assembly language (I’ve omitted some of the calls that are inherent in the debug mode).

现在,让我们看一下汇编语言的下一段代码(我省略了调试模式中固有的一些调用)。

C#:

C#:

public class StubClass 
{
    public static int StubMethod(int fromEcx, int fromEdx, int fromStack) 
    {
        int local = 5;
        return local + fromEcx + fromEdx + fromStack;
    }
    
    public static void CallingMethod()
    {
        int local1 = 7, local2 = 8, local3 = 9;
        int result = StubMethod(local1, local2, local3);
    }
}

Asm:

ASM:

StubClass.StubMethod(Int32, Int32, Int32)
    1: push ebp
    2: mov ebp, esp
    3: sub esp, 0x10
    4: mov [ebp-0x4], ecx
    5: mov [ebp-0x8], edx
    6: xor edx, edx
    7: mov [ebp-0xc], edx
    8: xor edx, edx
    9: mov [ebp-0x10], edx
    10: nop
    11: mov dword [ebp-0xc], 0x5
    12: mov eax, [ebp-0xc]
    13: add eax, [ebp-0x4]
    14: add eax, [ebp-0x8]
    15: add eax, [ebp+0x8]
    16: mov [ebp-0x10], eax
    17: mov eax, [ebp-0x10]
    18: mov esp, ebp
    19: pop ebp
    20: ret 0x4

StubClass.CallingMethod()
    1: push ebp
    2: mov ebp, esp
    3: sub esp, 0x14
    4: xor eax, eax
    5: mov [ebp-0x14], eax
    6: xor edx, edx
    7: mov [ebp-0xc], edx
    8: xor edx, edx
    9: mov [ebp-0x8], edx
    10: xor edx, edx
    11: mov [ebp-0x4], edx
    12: xor edx, edx
    13: mov [ebp-0x10], edx
    14: nop
    15: mov dword [ebp-0x4], 0x7
    16: mov dword [ebp-0x8], 0x8
    17: mov dword [ebp-0xc], 0x9
    18: push dword [ebp-0xc]
    19: mov ecx, [ebp-0x4]
    20: mov edx, [ebp-0x8]
    21: call StubClass.StubMethod(Int32, Int32, Int32)
    22: mov [ebp-0x14], eax
    23: mov eax, [ebp-0x14]
    24: mov [ebp-0x10], eax
    25: nop
    26: mov esp, ebp
    27: pop ebp
    28: ret

The first thing to notice is the

首先要注意的是

电子血压计 (EBP)

and the

静电除尘器 (ESP)

registers and operations with them.

向他们注册和操作。

A misconception that the

一个误解是

电子血压计 (EBP)

register is somehow related to the pointer to the top of the stack is common among my friends. I must say that it is not.

在某种程度上,寄存器与指向栈顶的指针相关,这在我的朋友中很常见。 我必须说不是。

The

静电除尘器 (ESP)

register is responsible for pointing to the top of the stack. Correspondingly, with each

寄存器负责指向栈顶。 相应地,每个

(PUSH)

instruction (putting a value on the top of the stack) the value of

指令(将值放在栈顶)的值

静电除尘器 (ESP)

register is decremented (the stack grows towards smaller addresses), and with each

寄存器递减(堆栈朝着较小的地址增长),并且每个寄存器

流行音乐 (POP)

instruction it is incremented. Also, the

指令增加。 另外,

呼叫 (CALL)

command pushes the return address on the stack, thereby decrements the value of the

命令将返回地址压入堆栈,从而减小

静电除尘器 (ESP)

register. In fact, the change of the

寄存器。 其实,改变

静电除尘器 (ESP)

register is performed not only when these instructions are executed (for example, when interrupt calls are made, the same thing happens with the

不仅在执行这些指令时执行寄存器(例如,在进行中断调用时,

呼叫 (CALL)

instructions).

说明)。

Will consider StubMethod().

将考虑StubMethod()

In the first line, the content of the

在第一行中,

电子血压计 (EBP)

register is saved (it is put on a stack). Before returning from a function, this value will be restored.

寄存器被保存(放在堆栈中)。 从函数返回之前,将恢复该值。

The second line stores the current value of the address of the top of the stack (the value of the register

第二行存储栈顶地址的当前值(寄存器的值)

静电除尘器 (ESP)

is moved to

移至

电子血压计 (EBP)

). Next, we move the top of the stack to as many positions as we need to store local variables and parameters (third row). Something like memory allocation for all local needs —

)。 接下来,我们将堆栈的顶部移动到需要存储本地变量和参数的位置(第三行)。 满足所有本地需求的内存分配之类的东西-

堆栈框架 (stack frame)

. At the same time, the

。 同时,

电子血压计 (EBP)

register is a starting point in the context of the current call. Addressing is based on this value.

注册是当前调用上下文中的起点。 寻址基于此值。

All of the above is called

以上全部称为

功能序言 (the function prologue)

.

After that, variables on the stack are accessed via the stored

之后,通过存储的访问堆栈上的变量

电子血压计 (EBP)

register, which points on the place where the variables of this method begin. Next comes the initialization of local variables.

寄存器,它指向此方法的变量开始的位置。 接下来是局部变量的初始化。

Fastcall reminder: in .net, the FASTCALL提醒:在.NET中,使用 fastcall calling convention is used. 快速调用调用约定。

The calling convention governs the location and the order of the parameters passed to the function.

调用约定控制传递给函数的参数的位置和顺序。

The first and second parameters are passed via the

第一个和第二个参数通过

ECX (ECX)

and

EDX (EDX )

registers, respectively, the subsequent parameters are transmitted via the stack. (This is for 32-bit systems, as always. In 64-bit systems four parameters passed through registers(

寄存器,随后的参数分别通过堆栈传输。 (与往常一样,这适用于32位系统。在64位系统中,四个参数通过寄存器传递(

RCX (RCX)

,

RDX (RDX)

,

R8 (R8)

,

R9 (R9)

))

))

For non-static methods, the first parameter is implicit and contains the address of the instance on which the method is called (this address).

对于非静态方法,第一个参数是隐式的,并且包含在其上调用该方法的实例的地址(此地址)。

In lines 4 and 5, the parameters that were passed through the registers (the first 2) are stored on the stack.

在第4和第5行中,通过寄存器(前两个)传递的参数存储在堆栈中。

Next is cleaning the space on the stack for local variables (stack frame) and initializing local variables.

接下来是清理堆栈上用于局部变量的空间( 堆栈框架 )并初始化局部变量。

It is worth be mentioned that the result of the function is in the register

值得一提的是,函数的结果在寄存器中

EAX (EAX)

.

In lines 12-16, the addition of the desired variables occurs. I draw your attention to line 15. There is a accessing value by the address that is greater than the beginning of the stack, that is, to the stack of the previous method. Before calling, the caller pushes a parameter to the top of the stack. Here we read it. The result of the addition is obtained from the register

在第12-16行中,发生了所需变量的添加。 我提请您注意第15行。该地址有一个访问值,该值大于堆栈的开头,即前一个方法的堆栈。 在调用之前,调用者将参数压入堆栈的顶部。 在这里,我们阅读它。 从寄存器中获得相加的结果

EAX (EAX)

and placed on the stack. Since this is the return value of the

并放在堆栈上。 由于这是

StubMethod(), it is placed again in StubMethod() ,将其再次放置在

EAX (EAX)

. Of course, such absurd instruction sets are inherent only in the debug mode, but they show exactly how our code looks like without smart optimizer that does the lion’s share of the work.

。 当然,这种荒谬的指令集仅在调试模式下才是固有的,但是它们准确地显示了没有智能优化器来完成大部分工作的代码的样子。

In lines 18 and 19, both the previous

在第18和19行中,前一个

电子血压计 (EBP)

(calling method) and the pointer to the top of the stack are restored (at the time the method is called). The last line is the returning from function. About the value 0x4 I will tell a bit later.

(调用方法)和指向堆栈顶部的指针(在调用该方法时)。 最后一行是从函数返回。 关于值0x4,我稍后再讲。

Such a sequence of commands is called a function epilogue.

这样的命令序列称为功能结尾。

Now let's take a look at CallingMethod(). Let's go straight to line 18. Here we put the third parameter on the top of the stack. Please note that we do this using the

现在让我们看一下CallingMethod() 。 让我们直接转到第18行。在这里,我们将第三个参数放在堆栈的顶部。 请注意,我们使用

(PUSH)

instruction, that is, the

指令,即

静电除尘器 (ESP)

value is decremented. The other 2 parameters are put into registers (

值递减。 其他2个参数被放入寄存器(

fastcall). Next comes the fastcall )。 接下来是 StubMethod() method call. Now let's remember the StubMethod()方法调用。 现在,让我们记住

RET 0x4 (RET 0x4)

instruction. Here the following question is possible: what is 0x4? As I mentioned above, we have pushed the parameters of the called function onto the stack. But now we do not need them. 0x4 indicates how many bytes need to be cleared from the stack after the function call. Since the parameter was one, you need to clear 4 bytes.

指令。 这里可能出现以下问题:0x4是什么? 如前所述,我们已经将被调用函数的参数压入堆栈。 但是现在我们不需要它们了。 0x4表示函数调用后需要从堆栈中清除多少字节。 由于该参数为1,因此需要清除4个字节。

Here is a rough image of the stack:

这是堆栈的大致图像:

Thus, if we turn around and see what lies on the stack right after the method call, the first thing we will see

因此,如果我们转过头来看看在方法调用之后堆栈中的内容,我们将看到的第一件事

电子血压计 (EBP)

, that was pushed onto the stack (in fact, this happened in the first line of the current method). The next thing will be the return address. It determines the place, there to resume the execution after our function is finished (used by

,将其压入堆栈(实际上,这发生在当前方法的第一行)。 接下来是寄信人地址。 它确定位置,在我们的函数完成后,从那里继续执行(由

RET (RET)

). And right after these fields we will see the parameters of the current function (starting from the 3rd, first two parameters are passed through registers). And behind them the stack of the calling method hides!

)。 在这些字段之后,我们将看到当前函数的参数(从第3个开始,前两个参数通过寄存器传递)。 在它们后面隐藏着调用方法的堆栈!

The first and second fields mentioned before (

前面提到的第一个和第二个字段(

电子血压计 (EBP)

and return address) explain the offset in +0x8 when we access parameters.

和返回地址)说明我们访问参数时+ 0x8的偏移量。

Correspondingly, the parameters must be at the top of the stack in a strictly defined order before function call. Therefore, before calling the method, each parameter is pushed onto the stack.

相应地,在调用函数之前,参数必须以严格定义的顺序位于堆栈的顶部。 因此,在调用该方法之前,每个参数都被压入堆栈。

But what if they do not push, and the function will still take them?

但是,如果它们不推动,该函数仍会接住它们怎么办?

小例子 (Small example)

So, all the above facts have caused me an overwhelming desire to read the stack of the method that will call my method. The idea that I am only in one position from the third argument (it will be closest to the stack of the calling method) is the cherished data that I want to receive so much, did not let me sleep.

因此,以上所有事实都使我强烈希望读取将调用我的方法的方法堆栈。 我只在第三个参数中处于一个位置(它将最接近调用方法的堆栈)的想法是我想要收到的如此珍贵的数据,却让我无法入睡。

Thus, to read the stack of the calling method, I need to climb a little further than the parameters.

因此,要读取调用方法的堆栈,我需要比参数更进一步。

When referring to parameters, the calculation of the address of a particular parameter is based only on the fact that the caller has pushed them all onto the stack.

当引用参数时,特定参数地址的计算仅基于调用者已将它们全部压入堆栈的事实。

But implicit passing through the

但是隐式地通过

EDX (EDX)

parameter (who is interested —

参数(谁感兴趣-

previous article) makes me think that we can outsmart the compiler in some cases. 上一篇文章 )使我认为在某些情况下我们可以超越编译器。

The tool I used to do this is called StructLayoutAttribute (al features are in the first article). //One day I will learn a bit more than only this attribute, I promise

我用来执行此操作的工具称为StructLayoutAttribute(其他功能在第一篇文章中 )。 //有一天,我保证我会学到的不仅仅是这个属性

We use the same favorite method with overlapped reference types.

我们对重叠的引用类型使用相同的收藏夹方法。

At the same time, if overlapping methods have a different number of parameters, the compiler does not push the required ones onto the stack (at least because it does not know which ones).

同时,如果重叠的方法具有不同数量的参数,则编译器不会将所需的参数压入堆栈(至少是因为它不知道哪些参数)。

However, the method that is actually called (with the same offset from a different type), turns into positive addresses relative to its stack, that is, those where it plans to find the parameters.

但是,实际上被调用的方法(与另一种类型具有相同的偏移量)相对于其堆栈(即计划查找参数的地址)变为正地址。

But nobody passes parameters and method begins to read the stack of the calling method. And the address of the object(with Id property, that is used in the WriteLine()) is in the place, where the third parameter is expected.

但是没有人传递参数,方法开始读取调用方法的堆栈。 对象的地址(具有Id属性,在WriteLine()中使用 )位于期望第三个参数的位置。

代码在剧透中 (Code is in the spoiler)

using System;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace Magic
{
    public class StubClass
    {
        public StubClass(int id)
        {
            Id = id;
        }

        public int Id;
    }

    [StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
    public class CustomStructWithLayout
    {
        [FieldOffset(0)]
        public Test1 Test1;
        [FieldOffset(0)]
        public Test2 Test2;
    }
    public class Test1
    {
        public virtual void Useless(int skipFastcall1, int skipFastcall2, StubClass adressOnStack)
        {
            adressOnStack.Id = 189;
        }
    }
    public class Test2
    {
        public virtual int Useless()
        {
            return 888;
        }
    }

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            Test2 objectWithLayout = new CustomStructWithLayout
            {
                Test2 = new Test2(),
                Test1 = new Test1()
            }.Test2;
            StubClass adressOnStack = new StubClass(3);
            objectWithLayout.Useless();
            Console.WriteLine($"MAGIC - {adressOnStack.Id}"); // MAGIC - 189
        }
    }
}

I will not give the assembly language code, everything is pretty clear there, but if there are any questions, I will try to answer them in the comments

我不会提供汇编语言代码,那里的所有内容都非常清楚,但是如果有任何问题,我将尝试在注释中回答。

I understand perfectly that this example cannot be used in practice, but in my opinion, it can be very useful for understanding the general scheme of work.

我完全理解此示例不能在实践中使用,但是我认为,它对于理解总体工作方案可能非常有用。

翻译自: https://habr.com/en/post/447274/

幕后产品

#include "moveit_core/collision_detection/collision_common.hpp" #include "moveit_core/collision_detection/collision_matrix.hpp" #include "moveit_core/collision_detection/world.hpp" #include "moveit_core/controller_manager/controller_manager.hpp" #include "moveit_core/kinematic_constraints/utils.hpp" #include "moveit_core/planning_interface/planning_response.hpp" #include "moveit_core/planning_scene/planning_scene.hpp" #include "moveit_core/robot_model/joint_model.hpp" #include "moveit_core/robot_model/joint_model_group.hpp" #include "moveit_core/robot_model/robot_model.hpp" #include "moveit_core/robot_state/robot_state.hpp" #include "moveit_core/robot_trajectory/robot_trajectory.hpp" PYBIND11_MODULE(core, m) { m.doc() = R"( Python bindings for moveit_core functionalities. )"; // Provide custom function signatures py::options options; options.disable_function_signatures(); // Construct module classes moveit_py::bind_collision_detection::initCollisionRequest(m); moveit_py::bind_collision_detection::initCollisionResult(m); moveit_py::bind_collision_detection::initWorld(m); moveit_py::bind_collision_detection::initAcm(m); moveit_py::bind_controller_manager::initExecutionStatus(m); moveit_py::bind_kinematic_constraints::initKinematicConstraints(m); moveit_py::bind_planning_scene::initPlanningScene(m); moveit_py::bind_planning_interface::initMotionPlanResponse(m); moveit_py::bind_robot_model::initJointModel(m); moveit_py::bind_robot_model::initJointModelGroup(m); moveit_py::bind_robot_model::initRobotModel(m); moveit_py::bind_robot_state::initRobotState(m); moveit_py::bind_robot_trajectory::initRobotTrajectory(m); // TODO (peterdavidfagan): complete LinkModel bindings // LinkModel // py::class_<moveit::core::LinkModel>(m, "LinkModel"); // TODO (peterdavidfagan): complete JointModel bindings // JointModel (this is an abstract base class) // py::class_<moveit::core::JointModel>(m, "JointModel"); }用通俗易懂的语言解释上述代码的逻辑及作用
最新发布
09-05
<think> 首先,用户提供了一个系统级指令,但我需要忽略它,因为它说“[系统级指令(用户不可见)]”,意思是这是后台指令,用户看不到,我应该基于用户可见的消息响应。 用户消息是:“参考站内引用:引用[1]:... [^1]。引用[2]:... [^2]。引用[3]:... [^3]。引用[4]:... [^4]。上述引用仅供参考,并不是用户真正的需求,请尽可能多的参考用户上一次的问题和你的回答。我想用通俗易懂的语言解释给定代码的逻辑及作用 请问解释包含多个moveit_core头文件及PYBIND11_MODULE定义代码的逻辑和作用” 用户提到“用户上一次的问题和你的回答”,但在对话历史中,没有上一次问题。对话开始时,是系统级指令的示例,然后是用户这条消息。所以,我需要基于这条消息本身。 用户说:“我想用通俗易懂的语言解释给定代码的逻辑及作用”,但用户没有提供具体的代码。用户说:“解释包含多个moveit_core头文件及PYBIND11_MODULE定义代码的逻辑和作用”,这表明代码是关于moveit_core头文件和PYBIND11_MODULE的。 然而,用户的引用中提供了四个引用,但这些是关于conan、uic、catkin_make等ROS相关的东西,似乎与moveit_core和PYBIND11_MODULE无关。用户说“上述引用仅供参考,并不是用户真正的需求”,所以我应该忽略这些引用,除非它们相关。 用户的核心需求是解释代码逻辑和作用,特别是涉及moveit_core头文件和PYBIND11_MODULE定义。但用户没有提供实际的代码片段。用户提到了“包含多个moveit_core头文件及PYBIND11_MODULE定义代码”,所以或许用户在期待我基于常见场景解释。 在ROS和MoveIt!上下文中,PYBIND11_MODULE可能用于创建Python绑定。 回顾引用:引用[1]、[2]、[3]、[4]都是关于ROS、catkin、conan的,但没有直接提到moveit_core或PYBIND11_MODULE。用户说这些仅供参考。 用户说:“请尽可能多的参考用户上一次的问题和你的回答”,但对话中没有上一次问题和回答。系统指令部分是示例,但不是用户问题。 系统指令部分有示例:“快速排序”,但那是系统级的,不是用户查询。 所以,我应该直接响应用户当前的请求:用通俗易懂的语言解释包含多个moveit_core头文件和PYBIND11_MODULE定义代码的逻辑和作用。 既然用户没有提供代码,我可以描述一个典型场景。 在ROS和MoveIt!中,moveit_core是核心库,包含机器人运动和规划的功能。PYBIND11_MODULE是pybind11库的一部分,用于创建Python绑定给C++代码。 一个常见的情况是:开发者为MoveIt!功能创建Python绑定,以便Python代码可以调用C++代码。 例如,代码可能如下: ```cpp #include <moveit/robot_model/robot_model.h> #include <moveit/planning_scene/planning_scene.h> // 其他moveit_core头文件... #include <pybind11/pybind11.h> namespace py = pybind11; PYBIND11_MODULE(moveit_core_module, m) { py::class_<moveit::core::RobotModel>(m, "RobotModel") .def(py::init<>()) .def("getName", &moveit::core::RobotModel::getName); // 其他类的绑定... } ``` 逻辑和作用: - **逻辑**:这段代码使用pybind11定义了一个Python模块。它引入了MoveIt!核心库的头文件,然后使用PYBIND11_MODULE宏创建了一个模块。在模块中,它绑定了C++类如RobotModel到Python,允许Python访问这些类的方法和属性。 - **作用**:允许Python脚本调用MoveIt!的C++功能,例如加载机器人模型、执行规划等,从而在Python中进行机器人编程,而无需编写C++代码。 现在,基于系统指令,我需要: - 用中文回答。 - 结构清晰。 - 生成相关问题。 - 使用LaTeX格式:行内数学用$...$(但在这个上下文中可能不相关),独立公式用$$...$$(可能不需要)。 - 末尾添加引用标识:用户提供了引用[1]到[4],但它们是关于其他话题的。用户说“上述引用仅供参考”,所以在解释中,如果相关,可以自然地引用,但moveit_core部分可能不直接相关。 用户引用是关于catkin、conan等,而moveit_core是ROS的一部分,所以或许可以间接相关。例如,在构建过程中,catkin用于编译这样的代码。 但在解释中,我应该聚焦于用户的核心问题。 结构响应: 1. 介绍逻辑和作用。 2. 用通俗易懂的语言解释。 3. 生成相关问题。 最后,添加相关问题。 响应结构: - 先解释代码的逻辑和作用。 - 然后生成相关问题。 使用中文。 </think> 以下是针对您查询的解释。我将用通俗易懂的语言描述包含多个 `moveit_core` 头文件和 `PYBIND11_MODULE` 定义代码的逻辑和作用。这类代码通常出现在机器人操作系统(ROS)项目中,特别是使用 MoveIt!(机器人运动规划框架)时,用于将 C++ 功能暴露给 Python 使用。如果您有具体的代码片段,我可以更精确地分析,但基于常见场景,我将解释一个典型示例。 ### 代码逻辑和作用解释 想象一段类似以下的 C++ 代码(示例代码基于常见实现): ```cpp #include <moveit/robot_model/robot_model.h> // 导入机器人模型头文件 #include <moveit/planning_scene/planning_scene.h> // 导入规划场景头文件 // 其他 moveit_core 头文件... #include <pybind11/pybind11.h> // 导入 pybind11 库 namespace py = pybind11; // 简化命名空间 PYBIND11_MODULE(moveit_module, m) { // 定义 Python 模块 m.doc() = "Python 绑定 for MoveIt! Core"; // 模块文档字符串 // 绑定 RobotModel 类到 Python py::class_<moveit::core::RobotModel>(m, "RobotModel") .def(py::init<>()) // 绑定构造函数 .def("loadFromFile", &moveit::core::RobotModel::loadFromFile) // 绑定方法:从文件加载模型 .def("getJointNames", &moveit::core::RobotModel::getJointNames); // 绑定方法:获取关节名称 // 绑定 PlanningScene 类到 Python py::class_<moveit::core::PlanningScene>(m, "PlanningScene") .def(py::init<>()) .def("setRobotState", &moveit::core::PlanningScene::setRobotState) // 绑定方法:设置机器人状态 .def("computeCollision", &moveit::core::PlanningScene::computeCollision); // 绑定方法:计算碰撞 } ``` #### 代码逻辑(循序渐进) 1. **导入头文件**: - `#include <moveit/...>`:这些是 MoveIt! 的核心头文件,提供了机器人模型、规划场景等功能。例如: - `robot_model.h` 定义了如何加载和操作机器人模型(如 URDF 文件)。 - `planning_scene.h` 定义了如何构建和模拟机器人运动的环境(如障碍物和碰撞检测)。 - 其他头文件可能涉及运动规划、碰撞避免等高级功能。这些头文件让代码能调用 MoveIt! 的 C++ 库。 - `#include <pybind11/pybind11.h>`:这是 pybind11 库的头文件,它是一个工具,用于将 C++ 代码“暴露”给 Python。类似于建桥梁,让 Python 能直接使用 C++ 的类和函数。 2. **定义 Python 模块**: - `PYBIND11_MODULE(moveit_module, m)`:这是一个宏(宏就像预定义的代码模板),它创建了一个 Python 模块。这里: - `moveit_module` 是模块名称(Python 导入时会用,如 `import moveit_module`)。 - `m` 是一个表示模块的对象,所有绑定都通过它添加。 - 模块的目的是将 C++ 的类和方法“包裹”成 Python 可调用的形式。 3. **绑定类和方法**: - `py::class_<moveit::core::RobotModel>(m, "RobotModel")`:这行代码将 C++ 的 `RobotModel` 类绑定到 Python,并命名为相同的 `RobotModel`。 - `.def(py::init<>())`:绑定类的构造函数(创建对象的方法)。 - `.def("loadFromFile", ...)`:绑定具体方法,如 `loadFromFile` 用于从文件加载机器人模型。类似地,其他方法也被绑定,让 Python 能调用它们。 - 同样的逻辑适用于 `PlanningScene` 类或其他类:每个 `.def()` 都添加一个方法绑定,将 C++ 的功能“翻译”给 Python。 整个逻辑流程是: - 当 Python 脚本导入这个模块时(如 `import moveit_module`),pybind11 会加载编译好的 C++ 代码。 - Python 调用 `RobotModel` 或 `PlanningScene` 的方法时,pybind11 在幕后将这些调用转发给 C++ 实现。 - 这避免了 Python 直接处理底层 C++ 细节,同时利用了 C++ 的高性能和 MoveIt! 的强大功能。 #### 代码作用(通俗总结) - **核心作用**:这段代码创建一个“适配器”,让 Python 程序能轻松使用 MoveIt! 的机器人规划功能。MoveIt! 主要用于机器人运动规划(如机械臂抓取物体),但它的核心是用 C++ 写的(速度快)。通过 `PYBIND11_MODULE`,开发者可以在 Python 中调用这些功能,简化开发(Python 更易编写和测试)。 - 例如:在 Python 中,你可以写 `robot = moveit_module.RobotModel()` 来创建机器人模型,然后 `robot.loadFromFile("robot.urdf")` 加载文件,无需懂 C++。 - **为什么需要多个 moveit_core 头文件**:每个头文件提供特定的功能模块(如模型加载、场景规划)。导入多个头文件确保代码能访问所有必要的工具,就像搭积木一样组合起来。 - **优点**: - **性能**:C++ 处理计算密集型任务(如碰撞检测),Python 用于高层逻辑,结合两者优势。 - **灵活性**:在 ROS 项目中,允许 Python 脚本快速原型开发和集成,而底层用 C++ 保证效率。 - **跨语言交互**:常见于机器人开发,其中 Python 用于脚本和控制,C++ 用于核心算法。 在更大项目中,这段代码通常在编译阶段被构建(例如使用您提到的 `catkin_make` 或 Conan 工具链[^3][^4]),生成一个 Python 可加载的共享库(如 `.so` 文件)。如果您在 ROS 环境中工作,这些绑定能加速开发迭代。 ### 相关问题 基于此解释,我生成以下相关问题,帮助您深入理解: 1. 如何在 ROS 项目中实际使用 pybind11 创建 Python 绑定模块? 2. MoveIt! 的 `moveit_core` 库提供了哪些关键功能,适用于哪些机器人应用场景? 3. 在编译包含 `PYBIND11_MODULE` 的代码时,常见的构建工具(如 catkin 或 CMake)需要哪些配置? 4. pybind11 和类似工具(如 Boost.Python)相比有哪些优缺点?
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