Rustへの書き込み-どこでも実行できます。 RustとCの相互作用

「Habrahabr」の読者に、アレックス・クリトンによるRustブログの投稿「Rust Once、Run Everywhere」の翻訳を提供します。 私自身もしばらくの間この言語に興味を持っていましたが、バージョン1.0の差し迫ったリリースに関連して、控えめな能力でそれを宣伝したいと思います。 残念ながら、私は自分で何も書くことができませんが、翻訳に携わったので、長年の出来事を思い出すことにしました。 この投稿の翻訳がHabréで見つからなかったため、自分で翻訳することにしました。
Rustの概念に固有の用語（所有権、借用、ライフタイムパラメーター）の一部を翻訳する方法がわかりませんでした。そのため、ロシア語圏の視聴者にとって意味が最もよく理解できる言葉を選択しようとしました。 改善のための提案は受け入れられます。

1晩でRustの世界支配を達成する計画はなかったため、Rust自体のネイティブコードと同じくらい簡単に既存のコードとやり取りする能力が強く求められています。 これが、RustがオーバーヘッドなしでC APIを非常に簡単に使用できるようにし、同時にポインターの所有権と借用管理システムのおかげで、メモリ管理の厳格なセキュリティを保証する理由です。

他の言語との相互作用のために、RustはFFI（外部関数インターフェース-外部関数を呼び出すためのインターフェース）を提供します。 Rustの基本原則に従って、FFIはゼロコストの抽象化を提供するため、RustとCの間で関数を呼び出すコストは、CコードからC関数を呼び出すコストと同じになります。ポインターやその他のリソースを管理するための安全なプロトコルを作成するために借用しています。 通常、このようなプロトコルはC APIのドキュメントの形式でのみ存在します（これは最高の状態です）が、Rustはこれらの要件を明示します（そして、その実装はコンパイラーによって保証されます-およそTransl）。

この投稿では、C関数を呼び出すための安全でないインターフェースを安全な抽象化にカプセル化する方法を見ていきます。
主な会話はCとの対話に関するものですが、Rustを他の言語（RubyやPythonなど）と統合するのも同じくらい簡単です。

RustはCで動作します

簡単な例から始めましょう。RustからCコードを呼び出し、Rustが追加コストを課さないことを示します。 入力の任意の数を2倍にする単純なCプログラムを次に示します。

int double_input(int input) { return input * 2; } 

Rustからこの関数を呼び出すには、次のコードを記述できます。

 extern crate libc; extern { fn double_input(input: libc::c_int) -> libc::c_int; } fn main() { let input = 4; let output = unsafe { double_input(input) }; println!("{} * 2 = {}", input, output); } 

それだけです！ GitHubのコードを使用してこの例を試すことができます-チェックアウトして、プロジェクトディレクトリからcargo runを実行するだけです。 コードから、C関数を呼び出すのに追加のジェスチャーは必要なく、その署名を記述するだけであることがわかります。 すぐに、生成されたマシンコードにも追加コストが含まれないことがわかります。 ただし、このRustプログラムにはいくつかの小さな（しかし潜行性-およそTransl。）詳細があります。そのため、最初に各部分をより詳細に分析します。

まず、 extern crate libcを確認します。 libcクレートには、Cでの作業に役立つFFIの多くのtypedefが含まれていますが、RustとCの間の呼び出し境界にある型が互いに一貫していることを保証します。

どうぞ

 extern { fn double_input(input: libc::c_int) -> libc::c_int; } 

Rustでは、これは外部関数宣言です。 このコードは、Cのヘッダーファイルに類似していると考えることができます。ここで、コンパイラーは、関数の入力パラメーターと出力パラメーターについて調べます。 ご覧のとおり、このシグネチャはCの関数の定義と一致しています。

次に、メインプログラムコードがあります。

 fn main() { let input = 4; let output = unsafe { double_input(input) }; println!("{} * 2 = {}", input, output); } 

RustのFFIの最も重要な側面の1つは、 unsafeブロックです。 コンパイラーはdouble_input()関数の実装について何も知らないため、最初は外部関数を呼び出すときにメモリー管理セキュリティーが侵害される可能性があると想定しています。 unsafeブロックは、プログラマーにメモリ操作の安全性を確保する責任を負う機会を与えます：このようにして、この関数を呼び出してもメモリの整合性に違反しないことを約束し、Rustの基本的な保証が引き続き満たされるようにします。 これらは厳しすぎる制限のようですが、RustはAPIユーザーが安全でないブロックを心配しないように十分な資金を提供します（少し後でこの点が明らかになります）。

RustからC関数呼び出しを行う方法を確認したので、Rustがこの呼び出しに実際に追加コストを課すかどうかを見てみましょう。 ほとんどすべてのプログラミング言語は、なんらかの方法でCコードを呼び出すことができますが、多くの場合、これには、プログラムの実行中に少なくとも追加の型変換、および場合によってはより複雑な操作が伴います。 Rustの実際の動作を確認するには、Rustコンパイラーがdouble_input()するdouble_input()コードを参照して、 double_input()関数を呼び出します。

 mov $0x4,%edi callq 3bc30 <double_input> 

そしてそれだけです！ ここからわかるように、RustからC関数を呼び出すには、呼び出しがCからであるかのように、引数と1つの呼び出し命令を配置するだけで済みます。

安全な抽象化

Rustの機能のほとんどは、データ所有権の概念に関連しており、FFIも例外ではありません。 RustでCライブラリのバインディングを作成すると、オーバーヘッドがゼロになるだけでなく、C自体よりも多くのメモリの安全性を保証できます！ バインディングでは、Rustの所有権と借用原則を使用して、APIを使用してルールを厳密に制御できます。これは通常、Cヘッダーファイルでのみコメントとして記述されます。

たとえば、tarアーカイブを操作するためのライブラリを想像してください。 このライブラリは、次のような各アーカイブファイルの内容を読み取る機能を提供します。

 // Gets the data for a file in the tarball at the given index, returning NULL if // it does not exist. The `size` pointer is filled in with the size of the file // if successful. const char *tarball_file_data(tarball_t *tarball, unsigned index, size_t *size); 

この関数は、それがどのように使用されるかについて暗黙の仮定を行います。返されたchar*ポインターは、入力パラメーターtarball_t *tarball乗り切ることができません。 RustのこのAPIへのバインディングは次のようになります。

 pub struct Tarball { raw: *mut tarball_t } impl Tarball { pub fn file(&self, index: u32) -> Option<&[u8]> { unsafe { let mut size = 0; let data = tarball_file_data(self.raw, index as libc::c_uint, &mut size); if data.is_null() { None } else { Some(slice::from_raw_parts(data as *const u8, size as usize)) } } } } 

ここで、 *mut tarball_t Tarball構造体によって所有されていますTarball構造体は、メモリとリソースをクリアする役割を果たします。そのため、tarアーカイブに割り当てられたメモリライフタイムについて十分な知識があります。 さらに、 file()メソッドは、 Tarball構造Tarball寿命（argument &self ）に寿命が暗黙的に関連する借用スライスを返します。 したがって、Rustは、返されたスライスがアーカイブ構造がメモリ内にある間のみ使用できることを示し、ダングリングポインター（C自体で簡単に認められる）のバグがないことを静的に保証します。 （Rustの借用に慣れていない場合は、所有権に関するYehuda Katzの投稿を読むことをお勧めします。）

ここで、Rustのバインディングの主な機能はセキュリティです。つまり、RustのこのAPIのユーザーは、 unsafeブロックを使用してそれらを呼び出すことはできません。 ここでは実装自体は安全ではありませんが（FFIを使用しているため）、そのインターフェイスは借用ポインターのおかげで、それを使用するRustコードのメモリを操作するセキュリティを保証します。 つまり、Rustコンパイラーは、RustコードからこのAPIを使用する場合、単にセグメンテーション違反を呼び出すことができないことを静的に保証します。 そして、忘れないでください：これはすべて、追加のオーバーヘッドコストを負担しません！ RustのすべてのCタイプは、追加のメモリ要件なしで表示されます。

Rustコミュニティは、 OpenSSL 、 libgit2 、 libdispatch 、 libcurl 、 sdl2 、 Unix API 、およびlibsodiumなど、既存のCライブラリ用の適切な一連の安全なバインディングをすでに作成しています 。 このcrates.ioのリストは非常に急速に拡大しているため、お気に入りのCライブラリがすでにRustバインディングを持っているか、まもなく作成される可能性があります。

CはRustで動作します

メモリの安全な使用の保証にもかかわらず、Rustはガベージコレクターまたはランタイムを使用しません; Rustコードは特別な準備なしでCから呼び出すことができます。 つまり、RustからのC呼び出しだけでなく、CからのRust呼び出しにもオーバーヘッドはありません！

前のものの反対を取ります。 前と同様に、すべてのコードはGitHubで利用できます 。 まず、Rustコード：

 #[no_mangle] pub extern fn double_input(input: i32) -> i32 { input * 2 } 

前と同じように、複雑なものはありませんが、いくつかの複雑な機能を検討する価値があります。 最初に、属性#[no_mangle]関数をマークしました。 これは、 double_input関数の名前を歪める必要がないというコンパイラーへのシグナルです。 RustはC ++で使用されるものと同様の名前装飾を使用して、異なるライブラリ間で名前の一意性を保証します。この属性により、Cから呼び出されたときにコンパイラが関数に与えた名前を推測できなくなります（装飾名は次のようになります： double_input::h485dee7f568bebafeaa ）。

次に、関数定義がありますが、ここで最も興味深いのはexternキーワードです。 これはABI関数を指定するための特別な形式で、Cからの関数呼び出しと互換性があります。

最後に、 Cargo.tomlを見ると、このライブラリは通常のRustライブラリ（rlib）としてではなく、Rustで「staticlib」と呼ばれる静的ライブラリとして構築されていることがわかります。 これにより、RustコードをCプログラムに静的にリンクできます。

Rustのライブラリを理解したので、それを使用するCプログラムを作成します。

 #include <stdint.h> #include <stdio.h> extern int32_t double_input(int32_t input); int main() { int input = 4; int output = double_input(input); printf("%d * 2 = %d\n", input, output); return 0; } 

ここでは、Rustと同様に、CでRustで記述された外部関数double_input()を宣言する必要があることがdouble_input()ます。

この詳細は別として、他のすべてはすでに機能しています！ GitHubのディレクトリから makeを実行makeと、この例はコンパイルされて1つの静的実行可能ファイルにアセンブルされ、起動時に4 * 2 = 8がコンソールに出力されます。

ガベージコレクタとランタイム環境が存在しないため、CをRustに非常に簡単に統合できます。 外部Cコードは、Rustの環境を設定するためのジェスチャーを行うべきではないため、RustコードとCの間の移行は非常に安価です。

Cの後

ご覧のように、RustのFFIはオーバーヘッドをほとんど与えません。所有権システムにより、RustのCライブラリにメモリセーフなバインディングを書き込むことができます。 ただし、Cを使用していない場合でも、まだラッキーです！ 同じ原則により、 Python 、 Ruby 、 JavaScript、および他の多くの言語からRustコードを呼び出すことができます。

これらの言語でのプログラミングでは、重要なコンポーネントを高速化することが必要になる場合がありますが、その前にCに移行する必要があり、それにより、これらの言語のメモリ管理、高レベルの抽象化、および人間工学の安全性が放棄されました。

ただし、RustがCとシームレスに統合されるという事実は、Rustがそのような使用に適していることを意味します。 プロダクションでRustを使用した最初の企業の1つであるSkylightは 、Rustに切り替えるだけでデータ収集によるパフォーマンスをほぼ瞬時に改善し、メモリ使用量を削減することができました。すべてのRustコードはRuby gemとして公開されました。

パフォーマンスを最適化するためにプロPythonおよびRubyからC言語に切り替えることは、かなり時間がかかるプロセスであることが多く、デバッグが非常に困難になるようにプログラムが失敗することを保証することは困難です。 Rustは、オーバーヘッドがゼロのFFIを提供するだけでなく、元の言語と同じセキュリティ保証を維持することも可能にします。 長期的には、これにより、これらの言語のプログラマーはハードウェアに近づき、必要な場所で生産性を向上させるためにシステムプログラミングを少し追加できるようになります。

FFIはRustの貯金箱にある多くのツールの1つにすぎませんが、Rustに切り替えるための主要なコンポーネントであり、現在存在するコードとの統合が非常に簡単です。 私は個人的に、Rustの美徳が可能な限り多くのプロジェクトにどのように取り入れられるかを見てとてもうれしく思います！