简析Swift和C的交互

Cocoa开发者社区

2014年06月21日 00:05

转自猫·仁波切的博客（微博）

其中 @asmname 的两个用法源于我的猜测验证，用到了 Xcode, lldb, nm, llvm ir 等工具或格式。

其中 name mangling 部分源自 WWDC。

相关的分析主要基于我 dump 出的 Swift 标准库声明代码，位于我的 Githubandelf/Defines-Swift。

之前好像简单说过 Swift 和 Objective-C 的交互问题。其实我们也可以用 Swift 调用纯 C 代码或者基于 C 的第三方库。（这里不会也永远不会考虑 C++ 的情况，因为不支持，不过可以用 C 写 wrapper, 这个没有任何问题。）

Swift 官方文档中，以及那本已经被迅速翻译为中文的 ibooks 书中，都提到了 Swift 调用 Objective-C 和 C 是有很好支持的。不过没有细节。

本内容包括 Swift 调用 C 和相应的 C 调用 Swift，项目混编。

这里主要面向 MacOSX 应用。iOS 或许可以适用。

先复习下区别。

第一部分预备知识

语言区别

说到底就是 C 少了很多东西。但是多了个指针。

对于 C 来说，最头疼的莫过于指针，而 Swift 是一门没有指针的语言。是不是要吐血？相对来说指针不但代表者指针操作传参，还有指针运算等等。

第二部分调用 C

这里主要讨论函数的调用。对于结构、枚举、类的兼容性暂时没尝试。

C 标准库

好消息是，对于标准库中的 C 函数，根本不需要考虑太多导入头文件神马的。比如 strlen、putchar、vprintf。当然 vprintf 需要多说几句，后面说。

请直接 import Darwin 模块。

这些标准库函数表示为 Darwin.C.HEADER.name。

实际上由于 Swift 模块结构是平坦的，他们均位于 Darwin 中，所以基本上是直接用的。

然后 CoreFoundation 用到了 Darwin ( @exported 导入，所以相当于这些名字也在 CoreFoundation 中)。

然后 Foundation 用到了 CoreFoundation （也是 @exported 导入。）

所以其实你导入 Foundation 的时候，这些 C 函数都是直接可用的。比如 putchar 一类。

多说一句，Cocoa 当然也包含 Foundation。

C 函数

好吧假设你有个牛逼到顶天的算法是 C 写的，不对，假设是别人写的，牛逼到你只能凑合用却看不懂然后自己也写不出没空迁移的地步。

我们直接创建一个 Swift 项目，然后 New File，添加一个 .c 文件。

这时候 Xcode 会弹出对话框询问是否配置 Bridge Header，确认就可以了。也可以手动添加 Bridge Header，位置在项目的 Build Settings 中的 Swift Compiler – Code Generation 子项里。指向你的 Bridge Header 文件名就可以了。

一般这个文件是 ProjectName-Bridging-Header.h。情况基本和与 Objective-C 混编没区别。

剩下的工作就很简单了。在 .c 文件填上传说中的牛逼算法。在 ProjectName-Bridging-Header.h 中加上该函数原型或者引入相关的头文件。

在 Swift 中调用的名字和 C 名字一样就可以了，比如你定义了一个 int mycsort() 那么在 Swift 中就是 func mycsort() -> CInt。

这时候问题来了。一个漂亮的问题。

我的 C 函数名字和 Swift 标准库冲突怎么办？比如我定义了一个函数就叫 println，我们知道 Swift 里也有个 println。

这样，如果直接调用会提示 Ambiguous use of 'println'。没辙了么？

这里有个我发现的 Undocumented Featuer 或者说是 Undocumented Attribute。你转载好歹提下我好吧。（发现方法是通过 Xcode 查看定义，然后通过 nm 命令发现符号, 对照 llvm ir 确认的。)

那就是 @asmname("func_name_in_c")。用于函数声明前。使用方法：

int println() { .... }

@asmname("println") func c_println() -> CInt // 声明，不需要 {} 函数体
c_println() // 调用

也就是 C 中的同名函数，我们可以给赋予一个别名，然后正常调用。这么一看就基本没有问题了。至于类型问题，待会说，详细说。

C Framework

很多时候我们拿到的是第三方库，格式大概是个 Framework。比如 SDL2.framework。举这个例子是因为我想对来说比较熟悉 SDL2。

直接用 Finder 找到这个 .framework 文件，拖动到当前项目的文件列表里，这样它将作为一个可以展开的文件夹样式存在于我们的项目中。

在 ProjectName-Bridging-Header.h 中引入其中需要的 .h。

比如我们引入 SDL2.framework，那么我们就需要写上 #import <SDL2/SDL.h>。

然后在 Swift 文件里正常调用就好了。

所以其实说到底核心就是那个 ProjectName-Bridging-Header.h，因为它是作为参数传递给 Swift 编译器的，所以 Swit 文件里可以从它找到定义的符号。

但是，这个桥接头文件的一切都是隐式的，类型自动对应，所以很多时候需要我们在 Swift 里调用并封装。或者使用 @asmname(...) 避免名字冲突。

第三部分类型转换

前面说到了 C 中有指针，而 Swift 中没有，同时基本类型还有很多不同。所以混编难免需要在两种语言的不同类型之间进行转换。

牢记一个万能函数 reinterpretCast<T, U>(T) -> U，只要 T, U sizeof 运算相等就可以直接转换。这个在之前的标准库函数里有提到。调用 C 代码的利器！

基本类型对应

int => CInt

char => CChar /CSignedChar

char* =>CString

unsigned long => CUnsignedLong

wchar_t =>CWideChar

double =>CDouble

T* =>CMutablePointer

void* =>CMutableVoidPointer

const T* =>CConstPointer

const void* =>CConstVoidPointer

…

继续这个列表，你肯定会想这么多数值类型，怎么搞。其实大都是被 typealias 定义到 UInt8，Double 这些的。放心。C 中数值类型全部被明确地用别名定义到带 size 的 Swift 数值类型上。完全是一样用的。

其实真正的 Pointer 类型只是 UnsafePointer<T>，大小与 C 保证一致，而对于这里不同类型的 Pointer，其实都是 UnsafePointer 到它们的隐式类型转换。还有个指针相关类型是 COpaquePointer，不过没试验怎么用。

UPDATE: 我们在调用的时候，更多地用到 COpaquePointer，我将再坑一篇介绍它。

同时 NilType，也就是 nil 有到这些指针的隐式类型转换。所以可以当做任何一种指针的 NULL 用。

还有个需要提到的类型是 CString, 他的内存 layout 等于 UnsafePointer<UInt8>，下面说。

CString

用于表示 char *，\0 结尾的 c 字符串，实际上似乎还看到了判断是否 ASCII 的选项，但是没试出来用法。

实现了 StringLiteralConvertible 和 LogicValue。可以从字符串常量直接赋值获得 CString。LogicValue 也就是是 if a_c_str {}，实际是用于判断是否为 NULL，可用，但是不稳定，老 crash。

运算符支持 ==，判断两字符串是否相当，猜测实际是 strcmp 实现，对比 NULL 会 crash。Orz。

CString 和 String 的转换通过一个 extension 实现，也是很方便。

extension String {
static func fromCString(cs: CString) -> String
static func fromCString(up: UnsafePointer<CChar>) -> String
}
// 还有两个方便的工具方法。 Rust 背景的同学一定仰天长啸。太相似了。
extension String {
func withCString<Result>(f: (CString) -> Result) -> Result
func withCString<Result>(f: (UnsafePointer<CChar>) -> Result) -> Result
}

在我们的 Bridging Header 头文件中 char * 的类型会对应为 UnsafePointer<CChar>，而实际上 CString 更适合。所以在 Swift 代码中，往往我们要再次申明下这个函数。或者用一个函数封装下，转换成我们需要的类型。

例如，假设在 Bridging Header 中我们声明了 char * foo();，那么，在 Swift 代码中我们可以用上面提到的方法：

@asmname("foo") func c_foo() -> CString
// 注意这里没有 {}，只是声明
let ret = c_foo()

当然也可以直接调用原始函数然后类型转换：

let raw = foo() // UnsafePointer<Int8> <=> UnsafePointer<CChar>
let ret = String.fromCString(ret)

如果这里要转成 CString 就略复杂了，因为 CString 构造函数接受的参数是 UnsafePointer<UInt8>，而 CChar 是 Int8 的别名，所以还牵扯到 Genrics 类型转换，不够方便。

如果非要作为 CString 处理，可以用 reinterpretCast()，直接转换。但是请一定要知道自己在转换什么，确保类型的 sizeof 相同，确保转换本身有意义。

例如获得环境变量字符串：

let key = "PATH"
// 这里相当于把 UnsafePointer<CChar> 转为了 UnsafePointer<UInt8> 然后到 CString
let path_str: CString = reinterpretCast(key.withCString(getenv))

Unmanaged

这个先挖坑，随后填上。

VaList

这个也是坑，随后填上。

第三部分 C 调用 Swift

如果项目里加入了 C 文件，那么它可以调用我们的 Swift 函数么？答案是可以的，而且令人吃惊地透明。这也许是因为 Apple 所宣传的，Small Runtime 概念吧。极小的语言运行时。

和 Objective-C 混编类似，配置好 Bridging Header 的项目，在 .c .h .m 文件中都可以使用一个叫做 ProjectName-Swift.h 的头文件，其中包含 Swift 代码导出的函数等。

参考之前的 Objective-C 和 C 交互我们可以知道，说到底交互就是链接过程，只要链接的时候能找到符号就可以。

不过不能高兴太早，Swift 是带类、枚举、协议、多态、泛型等的高级语言，符号处理明显要比 C 中的复杂的多，现代语言一般靠 name mangle 来解决这个问题。也就是说一个 Swift 函数，在编译到 .o 的时候，名字就不是原来那么简单了。比如 __TFV5hello4Rectg9subscriptFOS_9DirectionSi 这样的名字。

Xcode 自带了个工具，可以查看这些 mangled name 到底是什么东西：

xcrun swift-demangle __TFV5hello4Rectg9subscriptFOS_9DirectionSi
_TFV5hello4Rectg9subscriptFOS_9DirectionSi ---> hello.Rect.subscript.getter (hello.Direction) -> Swift.Int

当我们从 C 调用的时候，应该规避这样的名字。还记得前面的 @asmname 么？没错，它可以用于指定 Swift 函数的符号名，我猜测应该有指定 mangled name 的作用，但是不是特别确定。

这里随便指定个例子先。

@asmname("say_hello") func say_hello() -> Double {
println("This is say_hello() in swift")
return 3.14
}

然后在 .c 文件中：

#include <ProjectName-Swift.h>
extern double say_hello();
int some_func() {
say_hello(); // or capture its value and process it
return 0
}

对于函数而言 extern 必须手动加上，对于 class 、 protocol ，会在生成的头文件里。

按照这个思路，其实很容易实现 Swift 调用 C 中调用了 Swift 函数的函数。这意味着，可以通过简单的方法封装支持向 C 传递 Swift block 作为回调函数。难度中上，对于有过类似扩展编写经验的人来说很简单。

第四部分编译过程

其实调用基本就这么多， Objective-C 那篇文章中说的编译过程同样有效。我 C-c C-v 下：

编译所有 X.swift 文件到 X.o (with -emit-objc-header, -import-objc-header) (其中包含 .swiftmodule 子过程)：由于选项里有 -emit-objc-header，所以之后的 C 文件可以直接 import 对应的 ProjectName-Swift.h

编译 X.c 到 X.o

链接所有 .o 生成可执行文件

仔细理解上面的简简单单四行编译过程说明，你就明白为什么 .swfit 和 .c 可以互相调用了。其中两个 Header 文件起到了媒介的作用，一个将 .c/.m 文件中的定义暴露给 Swift，另一个将 .swift 中的定义暴露给 .c/.m 。

再看类型对应

标准类型这里就不提了，上面的文章讲的很明白了。

7 种指针类型

从代码看，我认为 Swift 对应 C 的指针时候，存在一个最原始的类型 RawPointer，但是它是内部表示，不可以直接使用。所以略过。但它是基础，可以认为它相当于 Word 类型（机器字长）。

COpaquePointer

不透明指针。之前我以为它很少会用到，不过现在看来想错了，虽然类型不安全，但是很多场合只能用它。它是直接对应 RawPointer 的。字长相等。

“In computerprogramming, an opaque pointer is a special case of an opaque data type, adatatype declared to be a pointer to a record or data structure of someunspecified type.”—— 来自 Wikipedia

几乎没有任何操作方法，不带类型，主要用于 Bridging Header 中表示 C 中的复杂结构指针

比如一个例子， libcurl 中的 CURL * 的处理，其实就是对应为 COpaquePointer。

UnsafePointer

泛型指针。直接对应 RawPointer。字长相等。

处理指针的主力类型。常量中的 C_ARGV 的类型也是它 UnsafePointer<CString>。

支持大量操作方法：

通过 .memory 属性 { get set } 操作指针指向的内容

支持 subscript ，直接对应于 C 的数组，例如 C_ARGV[1]

通过 alloc(num: Int) 分配数组空间

initialize(val: T)直接初始化

offset 操作 .succ() .pred()

可以从任意一种指针直接调用构造函数获得

隐式类型转换为非 COpaquePointer 之外的任意一种指针

AutoreleasingUnsafePointer

之前特地写文介绍过这个指针类型。NSError 的处理就主要用它。 Swift NSError Internals（解析 Swift 对 NSError 操作）

内部实现用了语言内置特性，从名字也可以看出来，这个应该是非常棒的一个指针，可以帮助管理内存，逼格也高。内存直接对应 RawPointer 可以传递给 C 函数。

通过 .memory 属性 { get set } 操作指针指向的内容

直接从 &T 类型获得，使用方法比较诡异，建议参考文章

CMutablePointerCConstPointer

分别对应于 C 中的 T *、const T *。不可直接传递给 C 函数，因为表示结构里还有一个 owner 域，应该是用来自动管理生命周期的。sizeof 操作返回 16。但是可以有隐式类型转换。

操作方法主要是 func withUnsafePointer<U>(f:UnsafePointer<T> -> U) -> U，用 Trailing Closure 语法非常方便。

CMutableVoidPointerCConstVoidPointer

分别对应于 C 中的 void *、const void *。其他内容同上一种。

小结指针

以上 7 种指针类型可以分未两类，我给他们起名为第一类指针和第二类指针。（你看我在黑马克思耶，算了这个梗太深，参考马克思主义政治经济学）

-可以直接用于 C 函数声明的第一类指针

COpaquePointerUnsafePointer<T> AutoreleasingUnsafePointer<T>

是对 RawPointer 的封装，直接对应于 C 的指针，它们的 sizeof 都是单位字长

-不可用于声明第二类指针

CMutablePointer<T>CConstPointer<T> CMutableVoidPointer CConstVoidPointer

直接从 Swift 对象的引用获得（一个隐藏特性，引用隐式转换）（主要构造方法）

包含了一个 owner 字段，可以管理生命周期，理论上在 Swift 中使用

通过 .withUnsafePointer 方法调用

所有指针都实现了 LogicValue 协议，可以直接 if a_pointer 判断是否为 NULL。

nil 类型实现了到所有指针类型的隐式类型转换，等价于 C 中的 `NULL，可以直接判断。

什么时候用什么？这个问题我也在考虑中，以下是我的建议。

对应复杂结构体，不操作结构体字段的： COpaquePointer 例如 CURL *

日常操作： UnsafePointer<T>

同时需要在 Swift 和 C 中操作结构体字段，由 Swift 管理内存：AutoreleasingUnsafePointer<T>

Swift 中创建对象，传递给 C：第二类指针

工具类型

CVarArg CVaListPointerVaListBuilder

用于处理 C 语言中的可变参数 valist 函数。

protocol CVarArg {
func encode() -> Word[]
}

表示该类型可以作为可变参数，相当多的类型都实现了这个。

struct CVaListPointer {
var value: UnsafePointer<Void>
init(fromUnsafePointer from: UnsafePointer<Void>)
@conversion func __conversion() -> CMutableVoidPointer
}

对应于 C，直接给 C 函数传递，声明、定义时使用。

class VaListBuilder {
init()
func append(arg: CVarArg)
func va_list() -> CVaListPointer
}

工具类，方便地创建 CVaListPointer。

还有一些工具函数：

func getVaList(args: CVarArg[]) -> CVaListPointer
func withVaList<R>(args: CVarArg[], f: (CVaListPointer) -> R) -> R
func withVaList<R>(builder: VaListBuilder, f: (CVaListPointer) -> R) -> R

非常方便。

UnsafeArray

struct UnsafeArray<T> : Collection, Generator
var startIndex: Int { get }
var endIndex: Int { get }
subscript (i: Int) -> T { get }
init(start: UnsafePointer<T>, length: Int)
func next() -> T?
func generate() -> UnsafeArray<T>
}

处理 C 数组的工具类型，可以直接 for-in 处理。当然，只读的，略可惜。

Unmanaged

struct Unmanaged<T> {
var _value: T
init(_private: T)
func fromOpaque(value: COpaquePointer) -> Unmanaged<T>
func toOpaque() -> COpaquePointer
static func passRetained(value: T) -> Unmanaged<T>
static func passUnretained(value: T) -> Unmanaged<T>
func takeUnretainedValue() -> T
func takeRetainedValue() -> T
func retain() -> Unmanaged<T>
func release()
func autorelease() -> Unmanaged<T>
}

顾名思义，手动管理 RC 的。避免 Swift 插入的 ARC 代码影响程序逻辑。

C 头文件的导入行为

宏定义

数字常量 CInt, CDouble (带类型后缀则为对应类型，如 1.0f ）字符常量 CString 其他宏展开后，无定义

枚举 enum

创建 enum 类型，并继承自 CUnsignedInt 或 CInt （enum 是否有负初始值）

可以通过 .value 访问。

结构体 struct

创建 struct 类型，只有默认 init ，需要加上所有结构体字段名创建。

可变参数函数

转为 CVaListPointer。手动重声明更好。这里举 Darwin 模块的例子说。

func vprintf(_: CString, _: CVaListPointer) -> CInt

从 C 调用 Swift

只能调用函数。

之前说过，用 @asmname("name") 指定 mangled name 即可。

然后 C 语言中人工声明下函数。很可惜自动导出头文件不适用于 C 语言，只适用于 Objective-C 。

目测暂时无法导出结构体，因为 Swift 闭源不提供相关头文件。靠猜有风险。

全局变量不支持用 @asmname("name") 控制导出符号名。目测可以尝试用 mangled name 访问，但是很不方便。

示例

我尝试调用了下 libcurl 。

项目地址在 andelf/curl-swift 包含编译脚本（就一句命令）。

Bridging Header 只写入 #include<curl/curl.h> 即可。

@asmname("curl_easy_setopt") func curl_easy_setopt(curl: COpaquePointer, option: CURLoption, param: CString) -> CURLcode
@asmname("curl_easy_setopt") func curl_easy_setopt(curl: COpaquePointer, option: CURLoption, param: CBool) -> CURLcode
let handle = curl_easy_init()
// this should be a const c string. curl_easy_perform() will use this.
let url: CString = "http://www.baidu.com"
curl_easy_setopt(handle, CURLOPT_URL, url)
curl_easy_setopt(handle, CURLOPT_VERBOSE, true)
let ret = curl_easy_perform(handle)
let error = curl_easy_strerror(ret)
println("error = \(error)")

值得注意的是其中对单个函数的多态声明， curl_easy_setopt 实际上第三个参数是 void *。

以及对 url 的处理，实际上 libcurl 要求设置的 url 参数一直保持到 curl_easy_perform 时，所以这里用 withUnsafePointer 或者 withCString 是不太可取的方法。实际上或许可以用 Unmanaged<T> 来解决。

总结

我觉得说这么多，调用 C 已经再没有别的内容可说了。其他的就是编程经验的问题，比如如何实现 C 回调 Swift 或者 Swift 回调 C 。可以参考其他语言的做法。解决方法不只一种。

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