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Rust跨语言

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语言交互

  • 外部函数接口（Foreign Function Interface，FFI）用于规范语言间调用的语法特征。其他有java的JNI（Java Native Interface），一样的意思
  • 应用程序二进制接口（ABI）涵盖内容：
    • 调用约定。参数、函数、返回值
    • 内存布局。大小和对齐方式
    • 处理器指令集。不同平台实现
    • 目标文件和库的二进制形式。
  • Rust中使用FFI需要通过extern和extern块对FFI接口进行标注，编译时会由LLVM默认生成C-ABI

链接与Crate Type

  • 链接产生于程序开发的模块化。C和C++每个文件都是一个编译单元，Rust是以包（crate）为编译单元
  • 链接过程就是编译器经过符号解析、存储空间分配和重定位的过程，最终生成可执行文件或库。
  • 库分为静态库和动态库。静态库是普通目标文件集合的简单拼接，使用简单，但浪费空间；动态库则是把链接过程延迟到运行时，如运行时重定位，这比较省空间
  • Rust支持四种库：Rust的dylib、rlib，和其他语言的cdylib、staticlib
  • Rust库类型的命令行参数或crate_type属性：
    • --crate-type=bin或#[crate_type = "bin"]，表示是可执行文件，程序必须包含main函数
    • --crate-type=lib或#[crate_type = "lib"]，表示生成Rust库，什么库编译器决定，一般是rlib静态库
    • --crate-type=rlib或#[crate_type = "rlib"]，生成静态Rust库
    • --crate-type=dylib或#[crate_type = "dylib"]，生成动态Rust库
    • --crate-type=staitclib或#[crate_type = "staticlib"]，将生成静态系统库，Rust编译器永远不会链接它。用于和C语言链接
    • --crate-type=cdylib或#[crate_type = "cdylib"]，生成动态系统库

交叉编译

  • 本地平台上编译出需要在其他平台运行的程序叫做交叉编译。
  • 可以使用rustc进行交叉编译，只需要传递target参数即可：如$ rustc --target=arm-unknown-linux-gnueabihf hello.rs
  • 也可以使用Cargo交叉编译，方法类似，在cargo
    build命令传递–target参数即可。Rust默认使用cc作为交叉编译的链接器，修改配置文件可以指定链接器：
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    # $ car ~/.cargo/config
    [target.arm-unknown-linux-gnueabihf]
    linker = "arm-linux-gnueabihf-gcc-4.8"  # 指定链接器
    # 使用cargo交叉编译
    # $ cargo build --target=arm-unknown-linux-gnueabihf
  • target triple格式是{arch}-{vendor}-{sys}-{abi}，分别代表编译程序的主机系统、供应商、操作系统、ABI接口，最后abi有时候可以省略

extern语法

  • 有extern关键字和extern块。有三个extern API字符串是跨平台的：extern "Rust"、extern "C"、extern "system"
  • 另外有三个Rust编译器专用的ABI字符串：
    • extern "rust-intrinsic"，代表Rust编译器内部函数的ABI
    • extern "rust-call"，Fn::call的ABI
    • extern "platform-intrinsic"，特定平台内在函数的ABI

与C/C++交互

Rust调用C函数

  • 首先新建C/C++源代码文件夹，编写好代码后，使用extern "C" {}外暴露接口
  • 在caogo.toml配置文件中，[build-dependencies]中使用cc库，然后在[package]中将某个build.rs文件指定为自动化编译配置文件
  • 在build.rs中引进包extern crate cc，使用cc.Build::new()等方法初始化，在Rust源文件中正常使用时，用extern { ... }声明指定的外部接口

C调用Rust库

  • 首先在cargo.toml配置文件中[lib]设置Rust链接库名称，如：name = "callrust"，将在Rust同级目录下写C头文件用于暴露Rust接口，并设置crate-type = ["staticlib", "cdylib"]用于生成什么类型的链接库，库将产生在target/Debug下
  • 编写Rust程序，将对应接口写在callrust.c中，并编写markdown文件：cargo用于编译Rust代码，gcc用于链接库并生成对应二进制文件
  • 在另起的C源代码文件夹中直接#include "callrust"，然后调用接口函数即可

第三方工具

  • rust-bindgen：根据头文件自动生成Rust FFI的C绑定，支持部分C++功能
  • cbindgen：根据Rust代码自动生成头文件
  • ctest：为Rust FFI的C绑定自动生成测试文件
  • 移动平台下也有两个库：
    • cargo-lipo：提供cargo lipo命令，自动生成用于iOS的通用库
    • jni：提供Rust的JNI绑定，用于和Android平台交互

使用Rust提升动态语言性能

  • 使用Rust为动态库编写扩展，能保证性能，还能提升内存安全
  • 动态语言有自己的虚拟机，调用Rust代码不能像C/C++_直接链接Rust的链接库获取函数调用信息。因此动态语言提供FFI 基本都是基于libffi库来实现动态调用C函数的能力，兼容C-ABI的链接库都可以直接被动态调用。libffi库是动态语言虚拟机和二进制的一道桥梁

Rust与WebAssembly

WebAssembly是兴起的新的字节码格式，缩写是“WASM”，它是一个面向Web通用二进制和文本格式项目，它是为了作为C/C++/Rust语言的一种编译目标，在客户端提供一种接近本地运行速度的多语言编写代码的方式。某种意义上说，WebAssembly是一种中间语言（
IR），就像汇编（Assembly）语言那样是所有语言转换成机器码的通用底层语言，WebAssembly就是面向Web的汇编

  • WebAssembly比JavaScript快的原因：
    • WebAssembly体积更小，下载和解析更快。
    • WebAssembly不受JavaScript约束，可以利用更多CPU特性。如64位整数、内存读写偏移量、非内存对齐读写和多种CPU指令等。
    • 生成WebAssembly编译器工具链的优化和改进。如在Rust中，可以用wasm-gc工具优化生成的wasm文件大小。
    • WebAssembly不需要垃圾回收。内存操作是手动控制，但也没必要担心内存泄漏，它的内存空间是JavaScript分配的对象，最终Javascript的GC管理
    • WebAssembly在Web只是一个应用环境，WebAssembly还可以应用其他领域：桌面图形化程序、区块链智能合约和编写操作系统微内核

WebAssembly要点

  • 模块。一个.wasm文件局势一个基本编译单位
  • 线性内存。用于和JavaScript通信，是个可变大小的ArrayBuffer，由JavaScript分配
  • 表格。用于存放函数引用，支持动态调用函数
  • 实例。同一个模块的多个实例共享相同的内存和表格
  • 栈式机器。WebAssembly指令的运行基于栈式机器定义，每种指令都是在站上进行出栈和入站操作

使用Rust开发WebAssembly

  • 可以手写wat文本格式开发wasm模块，但效率不高，WebAssmebly设计之初是为了作为编译目标存在的，因此可以作为很多变成语言的编译目标：
    • C/C++，可以通过EmScripten工具来编译到wasm。EmScripten是个LLVM后端工具，可以将LLVM中间码编译到asm.js。所以C/C++的编译流程可以通过任何一个LLVM前端工具生成LLVM IR，然后通过EmScripten生成asm.js，最后通过WebAssembly编译工具链Binaryen将asm.js生成wasm二进制格式。一些不支持wasm的浏览器也可以使用asm.js来代替
    • Rust，支持wasm的两种编译目标：
      • wasm32-unknown-unknown，使用LLVM WebAssembly Backend和lld链接器
      • wasm32-unknown-emscripten，继续使用EmScripten，和C/C++类似
    • 搭建wasm开发环境：
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      $ rustup toolchain install nightly
      $ rustup target add wasm32-unknwon-unknown --toolchain nightly
    • 生成wasm例子：
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      $ cargo install wasm-gc
      $ cargo build --target wasm32-unknown-unknown
      $ cp target/wasm32-unknown-unknown-unknown/debug/hello_wasm.wasm output
      $ wasm-gc output/hello_wasm.wasm output/small_hello.wasm

      WebAssembly开发生态

  • Rust开发效率还是很低，WebAssembly标准值定义了四种类型：i32、i64、f32和f64。因此，Rust官方打造了一系列工具：
    • wasm-bindgen：它的核心是促进JavaScript和Rust之间使用wasm进行通信，允许开发者直接使用Rust的结构体、JavaScript的类、字符串等类型
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      $ cargo +nightly install wasm-bindgen-cli
    • wasm-pack：一站式构建、发布Rust编译的wasm到npm平台。不需要安装npm、node.js等JavaScript环境，wasm-pack会编译并优化生成JavaScript绑定，然后发布到npm中
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      $ cargo install wasm-pack
      # 在项目的根目录下执行命令，自动生成JavaScript相关文件，方便打包wasm到npm平台
      $ wasm-pack build
    • cargo-generate：直接生成wasm-bindgen和wasm-pack项目模板，方便开发
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      $ cargo install cargo-generate
      # 命令生成模板会在Cargo.toml文件配置好wasm-bindgen，需要先安装wasm-bindgen-cli工具
      $ cargo-generate --git https://github.com/your-responsbility
  • 除此之外，社区的一些有代表性的框架：
    • stdweb：Rust和WebAssembly实现的Web客户端标准库，可能会被web-sys替代
    • cargo-web：方便编写Web客户端的Cargo子命令库
    • yew：构建客户端Web应用的Rust框架，基于stdweb库
    • percy：实现虚拟Dom，根据服务端HTML字符串渲染到浏览器的Dom
    • ruukh：实验性Rust Web前端框架

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