跨语言调 C 库：DragonFFI_foreign function interface c++-优快云博客

跨语言调用是很方便实用的操作，但其实现并非想象的那么简单，包含有复杂的 ABI 设计、语言间的兼容交互等，本文将介绍一个跨语言调 C 库：DragonFFI。

1、定义

在官方 github 仓库中就有相关的说明，DragonFFI 是 C 语言的 FFI(Foreign Function Interface，外部函数接口)库，使用 C++ 编写，基于 clang/llvm 来实现。

跨语言调用 C ，一般有通过手写胶水代码的(JNI,Python,Ruby)、生成胶水代码的(SWIG)、扩展 C 的(C++,Objective-C)。

而 FFI 即其他语言可以通过它所提供的 API 和绑定来调用 C 语言的函数。

A foreign function interface (FFI) is a mechanism by which aprogram written in one programming language can call routines ormake use of services written in another.

# 比如这里用 python 进行 C 语言函数的调用
import pydffi
CU = pydffi.FFI().cdef("int puts(const char* s);");
CU.funcs.puts("hello world!")

# JIT
# First, declare an FFI context
F = pydffi.FFI()
# Then, compile a module and get a compilation unit
CU = F.compile("int add(int a, int b) { return a+b; }")
# And call the function
print(int(CU.funcs.add(4, 5)))

2、与其他 FFI 库的对比

libffi 是有名的提供 C 语言 FFI 库。但它不支持最近的一些调用约定(calling convention)，比如 Linux x64 系统的 Microsoft x64 ABI(Application Binary Interface)，而且其每个 ABI 还需要手写汇编，其 ABI 也变得复杂，尤其是在传递结构体类型时。

cffi 是 libffi 当中所提供的 python 绑定，它还使用了 pycparser 来声明接口和类型。但它所使用的 C 语言的解析器不支持 include 和一些函数的 attribute，因此需要自行维护调用 C 库的头文件。

DragonFFI 基于 clang/llvm 实现，得以使用 clang 解析头文件而不用自行适配、可以动态编译(支持 JIT)、支持很多调用约定和函数的 attribute。

DragonFFI 目前支持 Linux、OSX 和 Windows，支持 Intel 32 位和 64 位 CPU。

3、如何解析 C 语言的类型

为了解析 C 语言的类型，我们需要以下的一些基本信息：

函数类型，以及调用约定
结构体：偏移量、名字
union/enum：域名(值)

一方面，我们看到 LLVM IR 过于底层(low level)，十分复杂；另一方面，Clang AST 又过于抽象(high level)，没有一些类型信息(比如结构体布局对齐等)。

比较合适的方式是，使用 LLVM metadata (元数据，描述数据的数据)，由 Clang 生成 DWARF(debugging with attributed record formats) 或者 PDB(Program Database) 结构体时产生。它们包含有基本的类型描述信息、函数调用约定。

注：PDB 是一种文件格式，和 DWARF 是一个概念，由微软开发出来，包含有调试信息。

这些 LLVM metadata 的具体例子，就是嵌在 IR 里面的那些标注：

target triple = "x86_64-pc-linux-gnu"
%struct.A = type { i16, i32 }
@.str = private unnamed_addr constant [7 x i8] c"%d %d\0A\00", align 1

define void @print_A(i64) local_unnamed_addr !dbg !7 {
  %2 = trunc i64 %0 to i32
  %3 = lshr i64 %0, 32
  %4 = trunc i64 %3 to i32
  tail call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %4, i64 0, metadata !18, metadata !19), !dbg !20
  tail call void @llvm.dbg.declare(metadata %struct.A* undef, metadata !18, metadata !21), !dbg !20
  %5 = shl i32 %2, 16, !dbg !22
  %6 = ashr exact i32 %5, 16, !dbg !22
  %7 = tail call i32 (i8*, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([...] @.str, i64 0, i64 0), i32 %6, i32 %4), !dbg !23
  ret void, !dbg !24
}

[...]
; DISubprogram defines (in our case) a C function, with its full type
!7 = distinct !DISubprogram(name: "print_A", scope: !1, file: !1, line: 6, type: !8, [...], variables: !17)
; This defines the type of our subprogram
!8 = !DISubroutineType(types: !9)
; We have the "original" types used for print_A, with the first one being the
; return type (null => void), and the other ones the arguments (in !10)
!9 = !{null, !10}
!10 = !DIDerivedType(tag: DW_TAG_typedef, name: "A", file: !1, line: 4, baseType: !11)
; This defines our structure, with its various fields
!11 = distinct !DICompositeType(tag: DW_TAG_structure_type, file: !1, line: 1, size: 64, elements: !12)
!12 = !{!13, !15}
; We have here the size and name of the member "a". Offset is 0 (default value)
!13 = !DIDerivedType(tag: DW_TAG_member, name: "a", scope: !11, file: !1, line: 2, baseType: !14, size: 16)
!14 = !DIBasicType(name: "short", size: 16, encoding: DW_ATE_signed)
; We have here the size, offset and name of the member "b"
!15 = !DIDerivedType(tag: DW_TAG_member, name: "b", scope: !11, file: !1, line: 3, baseType: !16, size: 32, offset: 32)
!16 = !DIBasicType(name: "int", size: 32, encoding: DW_ATE_signed)
[...]