Go与C语言的操作
Go有强烈的C背景，除了语法具有继承性外，其设计者以及其设计目标都与C语言有着千丝万缕的联系。在Go与C语言互操作(Interoperability)方面，Go更是提供了强大的支持。尤其是在Go中使用C，你甚至可以直接在Go源文件中编写C代码，这是其他语言所无法望其项背的。下面是小编为大家带来的Go与C语言的操作的知识，欢迎阅读。
一、Go调用C代码的原理
下面是一个短小的例子：
复制代码
package main
// #include
// #include
/*
void print(char *str) {
printf("%s ", str);
}
*/
import "C"
import "unsafe"
func main() {
s := "Hello Cgo"
cs := C.CString(s)
C.print(cs)
C.free(unsafe.Pointer(cs))
}
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与"正常"Go代码相比，上述代码有几处"特殊"的地方：
1) 在开头的注释中出现了C头文件的include字样
2) 在注释中定义了C函数print
3) import的一个名为C的"包"
4) 在main函数中居然调用了上述的那个C函数-print
没错，这就是在Go源码中调用C代码的步骤，可以看出我们可直接在Go源码文件中编写C代码。
首先，Go源码文件中的C代码是需要用注释包裹的，就像上面的include 头文件以及print函数定义;
其次，import "C"这个语句是必须的，而且其与上面的C代码之间不能用空行分隔，必须紧密相连。这里的"C"不是包名，而是一种类似名字空间的概念，或可以理解为伪包，C语言所有语法元素均在该伪包下面;
最后，访问C语法元素时都要在其前面加上伪包前缀，比如C.uint和上面代码中的C.print、C.free等。
我们如何来编译这个go源文件呢?其实与"正常"Go源文件没啥区别，依旧可以直接通过go build或go run来编译和执行。但实际编译过程中，go调用了名为cgo的工具，cgo会识别和读取Go源文件中的C元素，并将其提取后交给C编译器编译，最后与Go源码编译后的目标文件链接成一个可执行程序。这样我们就不难理解为何Go源文件中的C代码要用注释包裹了，这些特殊的语法都是可以被Cgo识别并使用的。
二、在Go中使用C语言的类型
1、原生类型
* 数值类型
在Go中可以用如下方式访问C原生的数值类型：
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C.char,
C.schar (signed char),
C.uchar (unsigned char),
C.short,
C.ushort (unsigned short),
C.int, C.uint (unsigned int),
C.long,
C.ulong (unsigned long),
C.longlong (long long),
C.ulonglong (unsigned long long),
C.float,
C.double
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Go的数值类型与C中的.数值类型不是一一对应的。因此在使用对方类型变量时少不了显式转型操作，如Go doc中的这个例子：
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func Random() int {
return int(C.random())//C.long -> Go的int
}
func Seed(i int) {
C.srandom(C.uint(i))//Go的uint -> C的uint
}
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* 指针类型
原生数值类型的指针类型可按Go语法在类型前面加上*，比如var p *C.int。而void*比较特殊，用Go中的unsafe.Pointer表示。任何类型的指针值都可以转换为unsafe.Pointer类型，而unsafe.Pointer类型值也可以转换为任意类型的指针值。unsafe.Pointer还可以与uintptr这个类型做相互转换。由于unsafe.Pointer的指针类型无法做算术操作，转换为uintptr后可进行算术操作。
* 字符串类型
C语言中并不存在正规的字符串类型，在C中用带结尾' '的字符数组来表示字符串;而在Go中，string类型是原生类型，因此在两种语言互操作是势必要做字符串类型的转换。
通过C.CString函数，我们可以将Go的string类型转换为C的"字符串"类型，再传给C函数使用。就如我们在本文开篇例子中使用的那样：
s := "Hello Cgo "
cs := C.CString(s)
C.print(cs)
不过这样转型后所得到的C字符串cs并不能由Go的gc所管理，我们必须手动释放cs所占用的内存，这就是为何例子中最后调用C.free释放掉cs的原因。在C内部分配的内存，Go中的GC是无法感知到的，因此要记着释放。
通过C.GoString可将C的字符串(*C.char)转换为Go的string类型，例如：
复制代码
// #include
// #include
// char *foo = "hellofoo";
import "C"
import "fmt"
func main() {
… …
fmt.Printf("%s ", C.GoString(C.foo))
}
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* 数组类型
C语言中的数组与Go语言中的数组差异较大，后者是值类型，而前者与C中的指针大部分场合都可以随意转换。目前似乎无法直接显式的在两者之间进行转型，官方文档也没有说明。但我们可以通过编写转换函数，将C的数组转换为Go的Slice(由于Go中数组是值类型，其大小是静态的，转换为Slice更为通用一些)，下面是一个整型数组转换的例子：
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// int cArray[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
func CArrayToGoArray(cArray unsafe.Pointer, size int) (goArray []int) {
p := uintptr(cArray)
for i :=0; i < size; i++ {
j := *(*int)(unsafe.Pointer(p))
goArray = append(goArray, j)
p += unsafe.Sizeof(j)
}
return
}
func main() {
… …
goArray := CArrayToGoArray(unsafe.Pointer(&C.cArray[0]), 7)
fmt.Println(goArray)
}
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执行结果输出：[1 2 3 4 5 6 7]
这里要注意的是：Go编译器并不能将C的cArray自动转换为数组的地址，所以不能像在C中使用数组那样将数组变量直接传递给函数，而是将数组第一个元素的地址传递给函数。
2、自定义类型
除了原生类型外，我们还可以访问C中的自定义类型。
* 枚举(enum)
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// enum color {
// RED,
// BLUE,
// YELLOW
// };
var e, f, g C.enum_color = C.RED, C.BLUE, C.YELLOW
fmt.Println(e, f, g)
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输出：0 1 2
对于具名的C枚举类型，我们可以通过C.enum_xx来访问该类型。如果是匿名枚举，则似乎只能访问其字段了。
* 结构体(struct)
复制代码
// struct employee {
// char *id;
// int age;
// };
id := C.CString("1247")
var employee C.struct_employee = C.struct_employee{id, 21}
fmt.Println(C.GoString(employee.id))
fmt.Println(employee.age)
C.free(unsafe.Pointer(id))
复制代码
输出：
1247
21
和enum类似，我们可以通过C.struct_xx来访问C中定义的结构体类型。
* 联合体(union)
这里我试图用与访问struct相同的方法来访问一个C的union：
复制代码
// #include
// union bar {
// char c;
// int i;
// double d;
// };
import "C"
func main() {
var b *C.union_bar = new(C.union_bar)
b.c = 4
fmt.Println(b)
}
复制代码
不过编译时，go却报错：b.c undefined (type *[8]byte has no field or method c)。从报错的信息来看，Go对待union与其他类型不同，似乎将union当成[N]byte来对待，其中N为union中最大字段的size(圆整后的)，因此我们可以按如下方式处理C.union_bar：
func main() {
var b *C.union_bar = new(C.union_bar)
b[0] = 13
b[1] = 17
fmt.Println(b)
}
输出：&[13 17 0 0 0 0 0 0]
* typedef
在Go中访问使用用typedef定义的别名类型时，其访问方式与原实际类型访问方式相同。如：
复制代码
// typedef int myint;
var a C.myint = 5
fmt.Println(a)
// typedef struct employee myemployee;
var m C.struct_myemployee
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从例子中可以看出，对原生类型的别名，直接访问这个新类型名即可。而对于复合类型的别名，需要根据原复合类型的访问方式对新别名进行访问，比如myemployee实际类型为struct，那么使用myemployee时也要加上struct_前缀。
三、Go中访问C的变量和函数
实际上上面的例子中我们已经演示了在Go中是如何访问C的变量和函数的，一般方法就是加上C前缀即可，对于C标准库中的函数尤其是这样。不过虽然我们可以在Go源码文件中直接定义C变量和C函数，但从代码结构上来讲，大量的在Go源码中编写C代码似乎不是那么“专业”。那如何将C函数和变量定义从Go源码中分离出去单独定义呢?我们很容易想到将C的代码以共享库的形式提供给Go源码。
Cgo提供了#cgo指示符可以指定Go源码在编译后与哪些共享库进行链接。我们来看一下例子：
复制代码
package main
// #cgo LDFLAGS: -L ./ -lfoo
// #include
// #include
// #include "foo.h"
import "C"
import "fmt“
func main() {
fmt.Println(C.count)
C.foo()
}
复制代码
我们看到上面例子中通过#cgo指示符告诉go编译器链接当前目录下的libfoo共享库。C.count变量和C.foo函数的定义都在libfoo共享库中。我们来创建这个共享库：
// foo.h
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int count;
void foo();
//foo.c
#include "foo.h"
int count = 6;
void foo() {
printf("I am foo! ");
}
复制代码
$> gcc -c foo.c
$> ar rv libfoo.a foo.o
我们首先创建一个静态共享库libfoo.a，不过在编译Go源文件时我们遇到了问题：
$> go build foo.go
# command-line-arguments
/tmp/go-build565913544/command-line-arguments.a(foo.cgo2.)(.text): foo: not defined
foo(0): not defined
提示foo函数未定义。通过-x选项打印出具体的编译细节，也未找出问题所在。不过在Go的问题列表中我发现了一个issue(http://code.google.com/p/go/issues/detail?id=3755)，上面提到了目前Go的版本不支持链接静态共享库。
那我们来创建一个动态共享库试试：
$> gcc -c foo.c
$> gcc -shared -Wl,-soname,libfoo.so -o libfoo.so foo.o
再编译foo.go，的确能够成功。执行foo。
$> go build foo.go && go
6
I am foo!
还有一点值得注意，那就是Go支持多返回值，而C中并没不支持。因此当将C函数用在多返回值的调用中时，C的errno将作为err返回值返回，下面是个例子：
复制代码
package main
// #include
// #include
// #include
// int foo(int i) {
// errno = 0;
// if (i > 5) {
// errno = 8;
// return i – 5;
// } else {
// return i;
// }
//}
import "C"
import "fmt"
func main() {
i, err := C.foo(C.int(8))
if err != nil {
fmt.Println(err)
} else {
fmt.Println(i)
}
}
复制代码
$> go run foo.go
exec format error
errno为8，其含义在errno.h中可以找到：
#define ENOEXEC 8 /* Exec format error */
的确是“exec format error”。
四、C中使用Go函数
与在Go中使用C源码相比，在C中使用Go函数的场合较少。在Go中，可以使用"export + 函数名"来导出Go函数为C所使用，看一个简单例子：
复制代码
package main
/*
#include
extern void GoExportedFunc();
void bar() {
printf("I am bar! ");
GoExportedFunc();
}
*/
import "C"
import "fmt"
//export GoExportedFunc
func GoExportedFunc() {
fmt.Println("I am a GoExportedFunc!")
}
func main() {
C.bar()
}
复制代码
不过当我们编译该Go文件时，我们得到了如下错误信息：
# command-line-arguments
/tmp/go-build163255970/command-line-arguments/_obj/bar.cgo2.o: In function `bar':
./bar.go:7: multiple definition of `bar'
/tmp/go-build163255970/command-line-arguments/_obj/_cgo_export.o:/home/tonybai/test/go/bar.go:7: first defined here
collect2: ld returned 1 exit status
代码似乎没有任何问题，但就是无法通过编译，总是提示“多重定义”。翻看Cgo的文档，找到了些端倪。原来
There is a limitation: if your program uses any //export directives, then the C code in the comment may only include declarations (extern int f();), not definitions (int f() { return 1; }).
似乎是// extern int f()与//export f不能放在一个Go源文件中。我们把bar.go拆分成bar1.go和bar2.go两个文件：
// bar1.go
复制代码
package main
/*
#include
extern void GoExportedFunc();
void bar() {
printf("I am bar! ");
GoExportedFunc();
}
*/
import "C"
func main() {
C.bar()
}
复制代码
// bar2.go
复制代码
package main
import "C"
import "fmt"
//export GoExportedFunc
func GoExportedFunc() {
fmt.Println("I am a GoExportedFunc!")
}
复制代码
编译执行：
$> go build -o bar bar1.go bar2.go
$> bar
I am bar!
I am a GoExportedFunc!
个人觉得目前Go对于导出函数供C使用的功能还十分有限，两种语言的调用约定不同，类型无法一一对应以及Go中类似Gc这样的高级功能让导出Go函数这一功能难于完美实现，导出的函数依旧无法完全脱离Go的环境，因此实用性似乎有折扣。
五、其他
虽然Go提供了强大的与C互操作的功能，但目前依旧不完善，比如不支持在Go中直接调用可变个数参数的函数(issue975)，如printf(因此，文档中多用fputs)。
这里的建议是：尽量缩小Go与C间互操作范围。
什么意思呢?如果你在Go中使用C代码时，那么尽量在C代码中调用C函数。Go只使用你封装好的一个C函数最好。不要像下面代码这样：
C.fputs(…)
C.atoi(..)
C.malloc(..)
而是将这些C函数调用封装到一个C函数中，Go只知道这个C函数即可。
C.foo(..)
相反，在C中使用Go导出的函数也是一样。
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