Rust与C在Linux的互操作性

Rust 与 C 在 Linux 的互操作性实践指南

一、基础概念与总体思路

• 在 Linux 上，Rust 通过 FFI（外部函数接口） 使用 C ABI 与 C 代码互通。Rust 侧用 extern “C” 声明外部函数，C 侧用 extern 声明 Rust 导出的函数；跨语言边界传递的数据需满足 C 的内存模型与类型布局要求。Rust 侧涉及 FFI 的调用点必须置于 unsafe 块中，并通过安全封装将 unsafe 隔离在最小范围。常用类型与工具包括：libc crate（C 标准库与类型）、std::ffi::{ CString, CStr} （字符串编组）、bindgen（从 C 头文件生成 Rust 绑定）、cbindgen（从 Rust 生成 C 头文件）。

二、Rust 调用 C 的落地步骤

• 准备 C 代码与编译产物：将 C 源码编译为 位置无关代码（PIC） 的共享库，例如：gcc -shared -fPIC -o libadd.so add.c。
• 在 Rust 中声明外部函数：使用 extern “C” 与 libc 类型（如 c_int）声明函数原型，例如：extern “C” { fn add(a: c_int, b: c_int) -> c_int; } 。
• 链接 C 库：在 build.rs 中使用 cargo 指令指定链接库与搜索路径，例如：println!(“cargo:rustc-link-lib=dylib=add”); println!(“cargo:rustc-link-search=native=./”); 。
• 调用与内存安全：在 unsafe 块中调用 C 函数；涉及字符串时，用 CString::new(…).as_ptr() 传递，接收 C 字符串时用 CStr::from_ptr 转换；将 unsafe 封装为安全函数供业务使用。

三、C 调用 Rust 的落地步骤

• 选择库类型：Rust 侧生成 动态库（cdylib） 或 静态库（staticlib）。动态库示例（Cargo.toml）：[lib] name = “ffitest” crate-type = [“dylib”]；静态库示例：crate-type = [“staticlib”] 或在 lib.rs 顶部使用 #![crate_type = “staticlib”]。
• 导出 C 兼容接口：在 Rust 函数上标注 #[no_mangle] 与 extern “C”，例如：#[no_mangle] pub extern “C” fn multiply(a: i32, b: i32) -> i32 { a * b } 。
• 生成 C 头文件（可选）：使用 cbindgen 自动生成头文件，便于 C 工程包含与类型对齐。
• C 侧编译与链接：C 程序编译时链接 Rust 库，例如：gcc main.c -L**./target/release** -lffitest -o main；运行前设置 LD_LIBRARY_PATH 指向 Rust 库目录，例如：export LD_LIBRARY_PATH=./target/release；可用 nm 检查共享库符号是否正确导出。

四、类型与内存模型要点

• 基本类型：优先使用 libc 提供的类型（如 c_int、c_void）以确保跨平台一致性；避免在 FFI 边界使用 Rust 的引用类型，改用指针并做 空指针检查；仅将 Copy 类型直接跨边界传递更为安全。
• 结构体布局：共享结构体需标注 #[repr©] 以保证与 C 的内存布局一致；涉及可变性时，使用 *mut 并在 Rust 侧做好边界与生命周期管理。
• 字符串：C 字符串为 以 ‘\0’ 结尾的字节序列，Rust 使用 CString/CStr 进行转换；注意 C 字符串不能包含内部 ‘\0’，而 Rust 字符串允许；传递字符串所有权时明确由哪一侧释放。
• 切片与动态数据：Rust 的 切片（[T]） 等动态大小类型不能直接跨 FFI 传递，通常通过指针 + 长度或采用 C 兼容的结构体包装。
• 错误处理：C 函数常以返回码表示错误，Rust 侧应封装为 Result< T, E> ；同时处理 panic，例如通过 std::panic::catch_unwind 或自定义 #[panic_handler]，避免异常越过 FFI 边界。

五、工程化与常见坑

• 构建与绑定自动化：使用 cc crate 在 build.rs 中编译 C 源码并链接；对接大型 C 库时用 bindgen 自动生成绑定；向 C 暴露 API 时用 cbindgen 生成头文件，减少手写错误。
• 链接与运行路径：动态库链接需正确设置 cargo:rustc-link-lib 与 cargo:rustc-link-search；运行期设置 LD_LIBRARY_PATH 或使用 rpath 确保可执行文件能找到 .so；可用 nm/objdump/readelf 检查符号与依赖。
• 安全边界与封装：将 unsafe 限制在 FFI 声明与最小封装层，业务层只暴露安全 API；为跨边界传递的资源实现 Drop，避免泄漏；跨线程使用时关注 Send/Sync 约束与数据竞争。

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