「转」开发人员 SWIG 快速入门

2018-11-23 本文已影响76人音视频直播技术专家

C 和 C++ 被公认为（理当如此）创建高性能代码的首选平台。对开发人员的一个常见要求是向脚本语言接口公开 C/C++ 代码，这正是 Simplified Wrapper and Interface Generator (SWIG) 的用武之地。SWIG 允许您向广泛的脚本语言公开 C/C++ 代码，包括 Ruby、Perl、Tcl 和 Python。本文使用 Ruby 作为公开 C/C++ 功能的首选脚本接口。要理解本文，您必须具备 C/C++ 与 Ruby 方面的相应知识。

SWIG 是一款不错的工具，可适合多种场景，其中包括：

向 C/C++ 代码提供一个脚本接口，使用户更容易使用
向您的 Ruby 代码添加扩展或将现有的模块替换为高性能的替代模块
提供使用脚本环境对代码执行单元和集成测试的能力
使用 TK 开发一个图形用户接口并将它与 C/C++ 后端集成

此外，与 GNU Debugger 每次都需触发相比，SWIG 要容易调试得多。

Ruby 环境变量

SWIG 生成包装器 C/C++ 代码时需要 ruby.h 来保证进行正确的编译。在您的 Ruby 安装中检查 ruby.h：一种建议的做法是将环境变量 RUBY_INCLUDE 指向包含 ruby.h 的文件夹，将 RUBY_LIB 指向包含 Ruby 库的路径。

使用 SWIG 编写 Hello World

作为输入，SWIG 需要一个包含 ANSI C/C++ 声明和 SWIG 指令的文件。我将此输入文件称为 SWIG 接口文件。一定要记住，SWIG 仅需要足够生成包装器代码的信息。该接口文件通常具有 *.i 或 *.swg 扩展名。以下是第一个扩展文件 test.i：


`%module test`

`%constant char* Text = "Hello World with SWIG"`

使用 SWIG 运行此代码：

swig –ruby test.i

第二个代码段中的命令行在当前文件夹中生成一个名为 test_wrap.c 的文件。现在，您需要在此 C 文件中创建一个共享库。以下是该命令行：

`bash$ gcc –fPIC –c test_wrap.c –I$RUBY_INCLUDE`

`bash$ gcc –shared test_wrap.o –o test_wrap.so –lruby –L$RUBY_LIB`

就这么简单。您已准备就绪，那就触发交互式 Ruby shell (IRB)，输入 require 'test_wrap' 来检查 Ruby Test 模块和它的内容。以下是扩展的 Ruby 端：


irb(main):001:0> require 'test_wrap'

=> true

irb(main):002:0> Test.constants

=> ["Text"]

irb(main):003:0> Test:: Text

=> "Hello World with SWIG"

SWIG 可用于生成各种语言扩展，只需运行 swig –help 检查所有的可用选项。对于 Ruby，可以输入 swig –ruby <interface file>；对于 Perl，可以使用 swig –perl <interface file>。

也可以使用 SWIG 生成 C++ 代码：只需在命令行使用 –c++ 即可。在前面的示例中，运行 swig –c++ –ruby test.i 会在当前文件夹中生成一个名为 test_wrap.cxx 的文件。

SWIG 基础知识

SWIG 接口文件语法是 C 的一个超集。SWIG 通过一个定制 C 预处理器处理它的输入文件。此外，接口文件中的 SWIG 操作通过一个百分比符号 (%) 后跟的特殊的指令（%module、%constant 等）来控制。SWIG 接口还允许您定义以 %{ 开头和以 %} 结束的信息块。%{ 和 %} 之间的所有内容会原封不动地复制到生成的包装器文件中。

模块名称的更多信息

可通过指定 %module "rubytest::test34::example，定义一个深度嵌套模块 rubytest::test34::example。另一个选项是将 %module example 放在接口代码中，在命令行添加 rubytest::test34 作为它的前缀，如下所示：

SWIG 接口文件必须以 %module 声明开头，例如 %module *module-name*，其中 module-name 是目标语言扩展模块的名称。如果目标语言是 Ruby，这类似于创建一个 Ruby 模块。可以提供命令行选项 –module*module-name-modified* 来改写模块名称：在本例中，目标语言模块名称为（或许您已猜到）module-name-modified。现在，让我们看看常量。

模块初始化功能

SWIG 拥有一个特殊指令 %init，用于定义模块初始化功能。%{ … %}代码块中 %init 之后定义的代码会在模块加载时调用。以下是代码：


%module test

%constant char* Text = “Hello World with SWIG”

%init %{

printf(“Initialization etc. gets done here\n”);

%}

现在重新启动 IRB。以下是在加载模块后得到的代码：

irb(main):001:0> require 'test'

Initialization etc. gets done here

=> true

SWIG 常量

C/C++ 常量可在接口文件中以多种方式定义。要验证是否向 Ruby 模块公开了相同的常量，只需在加载共享库时在 IRB 提示符下键入 <module-name>.constants。可以以下任何方式定义常量：

在一个接口文件中使用 #define
使用 enum
使用 %constant 指令

请注意，Ruby 常量必需以一个大写字母开头。所以，如果接口文件有诸如 #define pi 3.1415 的声明，SWIG 会自动将它更正为 #define Pi 3.1415 并在此流程中生成一条警告消息：


bash$ swig –c++ –ruby test.i

test.i(3) : Warning 801: Wrong constant name (corrected to 'Pi')

下面的示例包含大量常量。作为 swig –ruby test.i 运行它：


%module test

#define S_Hello "Hello World"

%constant double PI = 3.1415

enum days {Sunday = 1, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday};

清单 1 显示了 SWIG 的输出。

清单 1. 向 Ruby 公开 C 枚举：哪里出错了？


test_wrap.c: In function 'Init_test':

test_wrap.c:2147: error: 'Sunday' undeclared (first use in this function)

test_wrap.c:2147: error: (Each undeclared identifier is reported only once

test_wrap.c:2147: error: for each function it appears in.)

test_wrap.c:2148: error: 'Monday' undeclared (first use in this function)

test_wrap.c:2149: error: 'Tuesday' undeclared (first use in this function)

test_wrap.c:2150: error: 'Wednesday' undeclared (first use in this function)

test_wrap.c:2151: error: 'Thursday' undeclared (first use in this function)

test_wrap.c:2152: error: 'Friday' undeclared (first use in this function)

test_wrap.c:2153: error: 'Saturday' undeclared (first use in this function)

哎哟：发生什么事了？如果打开 test_wrap.c（清单 2），就可以看到问题。

清单 2. 使用 SWIG 生成的枚举代码


rb_define_const(mTest, "Sunday", SWIG_From_int((int)(Sunday)));

rb_define_const(mTest, "Monday", SWIG_From_int((int)(Monday)));

rb_define_const(mTest, "Tuesday", SWIG_From_int((int)(Tuesday)));

rb_define_const(mTest, "Wednesday", SWIG_From_int((int)(Wednesday)));

rb_define_const(mTest, "Thursday", SWIG_From_int((int)(Thursday)));

rb_define_const(mTest, "Friday", SWIG_From_int((int)(Friday)));

rb_define_const(mTest, "Saturday", SWIG_From_int((int)(Saturday)));

SWIG 从 Sunday、Monday 等变量中创建 Ruby 常量，但生成的文件中缺少 day 原始的 enum 声明。解决此问题的最简单方式是将 enum 代码放在 %{ … %} 信息块内，使生成的文件知道枚举常量，如清单 3 所示。

清单 3. 以正确的方式向 Ruby 公开 C 枚举

%module test

#define S_Hello "Hello World"

%constant double PI = 3.1415

enum days {Sunday = 1, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday};

%{

enum days {Sunday = 1, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday};

%}

请注意，只有 enum 声明不会使枚举常量可用于脚本环境：您同时需要 %{ … %} 中的 C 代码和接口文件中的 enum 声明。

%inline 特殊指令简介

清单 3 有点奇怪 — 存在没有必要的 enum 代码副本。要删除副本，需要使用 %inline SWIG 指令。%inline 指令将 %{ … %} 信息块中的所有代码插入接口文件中，以同时满足 SWIG 预处理器和 C 编译器的需求。清单 4 显示了修订的代码，enum 现在使用了 %inline。

清单 4. 使用 %inline 指令减少代码副本


%module test

#define S_Hello "Hello World"

%constant double PI = 3.1415

%inline %{

enum days {Sunday = 1, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday};

%}

%include 是一种均衡的清除方法

在复杂的企业环境中，可能有一些 C/C++ 头文件定义了您希望向脚本框架公开的全局变量和常量。在接口文件中使用 %include <header.h> 和 %{ #include <header.h> %}，可解决在头文件中重复所有元素的声明的问题。清单 5 显示了该代码。

清单 5. 使用 %include 指令


%module test

%include "header.h"

%{

#include "header.h"

%}

%include 指令还适用于 C/C++ 源文件。当与源文件一起使用时，SWIG 自动会将所有函数声明为 extern。

常量足够多了：让我们公开一些函数

开始学习 SWIG 的最简单方式是在接口文件中声明某个 C 函数，在某个源文件中定义它，在创建共享库时链接相应的目标文件。第一个示例展示了计算一个数的阶乘的函数：

%module test

unsigned long factorial(unsigned long);

以下是我编译为 factorial.o 并在创建 test.so 时链接的 C 代码：


unsigned long factorial(unsigned long n) {

return n == 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);

`}`

清单 6 显示了 Ruby 接口。

清单 6. 从 Ruby 测试代码


irb(main):001:0> require 'test'

=> true

irb(main):002:0> Test.factorial(11)

=> 39916800

irb(main):003:0> Test.factorial(34)

=> 0

Factorial 34 失败了，因为 unsigned 类型的 long 没有足够的大小来存放结果。

Ruby 到 C/C++ 的变量映射

让我们从简单的全局变量开始。请注意，C/C++ 全局变量对 Ruby 而言不是真正全局的：只能以模块属性的形式访问它们。将以下全局变量添加到一个 C 文件中，像链接函数一样链接源文件。SWIG 自动为您生成这些变量的 setter 和 getter 方法。以下是 C 代码：


int global_int1;

long global_long1;

float global_float1;

double global_double1;

清单 7 显示了相同的接口。

清单 7. 向 Ruby 公开 C 接口


%module test

%inline %{

extern int global_int1;

extern long global_long1;

extern float global_float1;

extern double global_double1;

%}

现在，加载相应的 Ruby 模块以验证添加的 setter 和 getter 方法：


irb(main):003:0> Test.methods

[…"global_float1", "global_float1=", "global_int1", "global_int1=", "global_long1",

"global_long1=", "global_double1", "global_double1=", …]

现在访问变量就非常简单了：

irb(main):004:0> Test.global_long1 = 4327911

=> 4327911

irb(main):005:0> puts Test.global_long1

=> 4327911

特别有趣的是 Ruby 转换 int、long、float 和 double 后的结果。请参见清单 8。

清单 8. 在 Ruby 和 C/C++ 之间的类型映射


irb(main):009:0> Test::global_long1.class

=> Fixnum

irb(main):010:0> Test::global_int1.class

=> Fixnum

irb(main):011:0> Test::global_double1.class

=> Float

irb(main):012:0> Test::global_float1.class

=> Float

将结构和类从 C++ 映射到 Ruby

向 Ruby 公开结构和类与 C/C++ 中的传统数据类型完全相同。在接口文件中声明结构和相关的方法。清单 9 声明一个简单的 Point 结构和一个函数来计算它们之间的距离。在 Ruby 端，您将一个新 Point 创建为 Test::Point.new，以 Test.distance_between 的形式调用计算距离。distance_between 函数在一个独立的 C++ 源文件中定义，该文件链接到模块共享库。以下是 SWIG 接口代码：

清单 9. 向 Ruby 公开结构和相关接口


%module test

%inline %{

typedef struct Point {

int x;

int y;

};

extern float distance_between(Point& p1, Point& p2);

%}

清单 10 展示了 Ruby 的用法。

清单 10. 从 Ruby 验证 C/C++ 功能


irb(main):002:0> a = Test::Point.new

=> #<Test::Point:0x2d04260>

irb(main):003:0> a.x = 10

=> 10

irb(main):004:0> a.y = 20

=> 20

irb(main):005:0> b = Test::Point.new

=> #<``Test::Point:0x2cce668``>

irb(main):006:0> b.x = 20

=> 20

irb(main):007:0> b.y = 10

=> 10

irb(main):008:0> Test.distance_between(a, b)

=> 14.1421356201172

这个使用模型应该很清楚地说明了，为什么 SWIG 是在设置基本代码的单元或集成测试框架时的一个优秀、方便的工具。

%defaultctor 和其他属性

如果查看一个点的 x 和 y 坐标的默认值，可以看到它们显示为 0。这不是巧合。SWIG 为您的结构生成了默认的构造函数。可以通过在接口文件中指定 %nodefaultctor Point; 来关闭此行为。清单 11 显示了如何做。

清单 11. 没有针对 C++ 结构的默认构造函数

%module test

%nodefaultctor Point;

%inline %{

typedef struct Point {

int x;

int y;

};

%}

现在还需要为 Point 结构提供一个显式的构造函数。否则，您将看到以下代码：


irb(main):005:0> a = Test::Point.new

TypeError: allocator undefined for Test::Point

from (irb):5:in `new'

from (irb):5

可通过在接口文件中指定 %nodefaultctor;，让每个结构显式定义自己的构造函数。SWIG 也为析构函数中的类似功能定义了 %nodefaultdtor 指令。

C++ 继承和 Ruby 接口

为简单起见，假设接口函数中有两个 C++ 类 —Base 和 Derived。SWIG 充分意识到 Derived 派生自 Base。从 Ruby 角度讲，您只需使用 Derived.new，就可以放心地期待创建的对象知道它派生自 Base。清单 12 展示了 Ruby 测试代码；在 C++ 或 SWIG 接口端没有特定的操作需要执行。

清单 12. SWIG 接口处理 C++ 继承


irb(main):003:0> a = Test::Derived.new

=> #<Test::Derived:0x2d06270>

irb(main):004:0> a.instance_of? Test::Derived

=> true

irb(main):005:0> a.instance_of? Test::Base

=> false

irb(main):006:0> Test::Derived < Test::Base

=> true

irb(main):007:0> Test::Derived > Test::Base

=> false

irb(main):008:0> a.is_a? Test::Derived

=> true`

irb(main):009:0> a.is_a? Test::Base`

=> true

该处理过程没有使用 C++ 多个继承那么流畅。如果 Derived 继承自 Base1 和 Base2，那么默认的 SWIG 行为只需忽略 Base2。以下是您将从 SWIG 获得的消息：


Warning 802: Warning for Derived d: base Base2 ignored.

Multiple inheritance is not supported in Ruby.

坦诚地讲，SWIG 不能出错，因为 Ruby 不支持多个继承。SWIG 要正常工作，您需要在命令行中传递 –minherit 选项：


bash$ swig -ruby -minherit -c++ test.i

一定要了解 SWIG 如何处理多重继承。C++ 中的派生类对应于 Ruby 中的一个类，这个类既不是派生自 Base1，也不是派生自 Base2。相反，Base1 和 Base2 代码重构为模块并包含在 Derived 中。这就是 Ruby 术语中所称的 mixin。清单 13 展示了所发生事件的伪代码。

清单 13. 使用 Ruby 模拟多个继承

class Base1

module Impl

# Define Base1 methods here

end

include Impl

end

class Base2

module Impl

# Define Base2 methods here

end

include Impl

end

class Derived

module Impl

include Base1::Impl

include Base2::Impl

# Define Derived methods here

end

include Impl

end

让我们验证一下来自 Ruby 接口的声明。included_modules 模块为您完成了此任务，如清单 14 中所示。

清单 14. Ruby 类中包含的多个模块


irb> Test::Derived.included_modules

=> [Test::Derived::Impl, Test::Base::Impl, Test::Base2::Impl, Kernel]

irb> Test::Derived < Test::Base

=> nil

irb> Test::Derived <` `Test::Base2

=> nil

请注意，类层次结构测试失败了（理应如此），但对于应用程序开发人员来说，Base 和 Base2 的功能仍可通过 Derived 类使用。

指针和 Ruby 接口

Ruby 没有与指针类似的东西，那么接受或返回指针的 C/C++ 方法怎么办？这为我们带来了 SWIG 这样的系统的一个最重要的挑战，这一系统的主要任务是在源和目标语言之间转换（或俗称编组）数据类型。仔细考虑下面的 C 函数：


void addition(const int* n1, const int* n2, int* result) {

*result = *n1 + *n2;

`}`

为解决这个问题，SWIG 引入了类型映射 的概念。您能够灵活地将您想要的 Ruby 类型映射到 int*、float* 等类型。幸运的是，SWIG 已为您完成了大部分样板工作。以下是您可能需要添加的最简单的接口：


%module Test

%include typemaps.i

void addition (int* INPUT, int* INPUT, int* OUTPUT);

%{ extern void addition(int*, int*, int*); %}

现在，从 Ruby 试用代码 Test::addition(1, 2)。您应该能够看到结果。要更详细地了解此处发生的事情，可以查看 lib/ruby 文件夹。SWIG 使用 int* INPUT 语法将底层指针转换为对象。将一个类型从 Ruby 映射到 C/C++ 的 SWIG 语法为：


%typemap(in) int* {

… type conversion code from Ruby to C/C++

`}`

同样地，从 C/C++ 到 Ruby 的类型转换代码为：


%typemap(out) int* {

… type convesion code from C/C++ to Ruby

}

类型映射不只是为指针带来了方便：可将它们用于 Ruby 与 C/C++ 之间的任何数据类型转换。

结束语

在本文中，您学习了如何向 Ruby 接口公开 C/C++ 常量、包含结构和类的变量、函数，以及枚举。在此过程中，我们介绍了一些 SWIG 指令，比如 %module、%init、%constant、%inline、%include 和 %nodefaultctor。SWIG 提供的功能远不止这些；一定要查阅 SWIG 文档随带的优秀 PDF 文档，以了解更多细节。

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