Swift and C Interop Cont. (简析 Swift 和 C 的交互，Part 二)

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本文的发现基于个人研究，目测是官方外的首创。请尊重原创。

本文是讲述 Swift 与 C 交互操作系列文章的第二部分。解决之前的所有遗留问题。

第一部分请参考 Swift and C Interop 简析Swift和C的交互

本文将介绍实际应用过程中会遇到的各类情况。

再看类型对应

标准类型这里就不提了，上面的文章讲的很明白了。

7 种指针类型

从代码看，我认为 Swift 对应 C 的指针时候，存在一个最原始的类型 RawPointer，但是它是内部表示，不可以直接使用。所以略过。但它是基础，可以认为它相当于 Word 类型（机器字长）。

以下内容再 Xcode6-beta3 中不适用 请参考 Swift 在 Xcode6-beta3 中的变化。

COpaquePointer

不透明指针。之前我以为它很少会用到，不过现在看来想错了，虽然类型不安全，但是很多场合只能用它。它是直接对应 RawPointer 的。字长相等。

In computer programming, an opaque pointer is a special case of an opaque data type, a datatype declared to be a pointer to a record or data structure of some unspecified type. - 来自 Wikipedia

几乎没有任何操作方法，不带类型，主要用于 Bridging Header 中表示 C 中的复杂结构指针

比如一个例子， libcurl 中的 CURL * 的处理，其实就是对应为 COpaquePointer。

UnsafePointer

泛型指针。直接对应 RawPointer。字长相等。

处理指针的主力类型。常量中的 C_ARGV 的类型也是它 UnsafePointer<CString>。

支持大量操作方法：

• 通过 .memory 属性 { get set } 操作指针指向的内容
• 支持 subscript ，直接对应于 C 的数组，例如 C_ARGV[1]
• 通过 alloc(num: Int) 分配数组空间
• initialize(val: T) 直接初始化
• offset 操作 .succ() .pred()
• 可以从任意一种指针直接调用构造函数获得
• 隐式类型转换为非 COpaquePointer 之外的任意一种指针

AutoreleasingUnsafePointer

之前特地写文介绍过这个指针类型。NSError 的处理就主要用它。传送门： Swift NSError Internals（解析 Swift 对 NSError 操作）

内部实现用了语言内置特性，从名字也可以看出来，这个应该是非常棒的一个指针，可以帮助管理内存，逼格也高。内存直接对应 RawPointer 可以传递给 C 函数。

• 通过 .memory 属性 { get set } 操作指针指向的内容
• 直接从 &T 类型获得，使用方法比较诡异，建议参考文章

CMutablePointer CConstPointer

分别对应于 C 中的 T *、const T *。不可直接传递给 C 函数，因为表示结构里还有一个 owner 域，应该是用来自动管理生命周期的。sizeof 操作返回 16。但是可以有隐式类型转换。

操作方法主要是 func withUnsafePointer<U>(f: UnsafePointer<T> -> U) -> U，用 Trailing Closure 语法非常方便。

CMutableVoidPointer CConstVoidPointer

分别对应于 C 中的 void *、const void *。其他内容同上一种。

小结指针

以上 7 种指针类型可以分未两类，我给他们起名为 第一类指针 和 第二类指针 。（你看我在黑马克思耶，算了这个梗太深，参考马克思主义政治经济学）

• 可以直接用于 C 函数声明的 第一类指针
  • COpaquePointer UnsafePointer<T> AutoreleasingUnsafePointer<T>
  • 是对 RawPointer 的封装，直接对应于 C 的指针，它们的 sizeof 都是单位字长
• 不可用于声明 第二类指针
  • CMutablePointer<T> CConstPointer<T> CMutableVoidPointer CConstVoidPointer
  • 直接从 Swift 对象的引用获得（一个隐藏特性，引用隐式转换）（主要构造方法）
  • 包含了一个 owner 字段，可以管理生命周期，理论上在 Swift 中使用
  • 通过 .withUnsafePointer 方法调用

所有指针都实现了 LogicValue 协议，可以直接 if a_pointer 判断是否为 NULL。

nil 类型实现了到所有指针类型的隐式类型转换，等价于 C 中的 ``NULL`，可以直接判断。

什么时候用什么？这个问题我也在考虑中，以下是我的建议。

• 对应复杂结构体，不操作结构体字段的： COpaquePointer 例如 CURL *
• 日常操作： UnsafePointer<T>
• 同时需要在 Swift 和 C 中操作结构体字段，由 Swift 管理内存：AutoreleasingUnsafePointer<T>
• Swift 中创建对象，传递给 C： 第二类指针

工具类型

CVarArg CVaListPointer VaListBuilder

用于处理 C 语言中的可变参数 valist 函数。

protocol CVarArg {
  func encode() -> Word[]
}

表示该类型可以作为可变参数，相当多的类型都实现了这个。

struct CVaListPointer {
    var value: UnsafePointer<Void>
    init(fromUnsafePointer from: UnsafePointer<Void>)
    @conversion func __conversion() -> CMutableVoidPointer
}

对应于 C，直接给 C 函数传递，声明、定义时使用。

class VaListBuilder {
    init()
    func append(arg: CVarArg)
    func va_list() -> CVaListPointer
}

工具类，方便地创建 CVaListPointer。

还有一些工具函数：

func getVaList(args: CVarArg[]) -> CVaListPointer
func withVaList<R>(args: CVarArg[], f: (CVaListPointer) -> R) -> R
func withVaList<R>(builder: VaListBuilder, f: (CVaListPointer) -> R) -> R

非常方便。

UnsafeArray

struct UnsafeArray<T> : Collection, Generator {
  var startIndex: Int { get }
  var endIndex: Int { get }
  subscript (i: Int) -> T { get }
  init(start: UnsafePointer<T>, length: Int)
  func next() -> T?
  func generate() -> UnsafeArray<T>
}

处理 C 数组的工具类型，可以直接 for-in 处理。当然，只读的，略可惜。

Unmanaged

struct Unmanaged<T> {
  var _value: T
  init(_private: T)
  func fromOpaque(value: COpaquePointer) -> Unmanaged<T>
  func toOpaque() -> COpaquePointer
  static func passRetained(value: T) -> Unmanaged<T>
  static func passUnretained(value: T) -> Unmanaged<T>
  func takeUnretainedValue() -> T
  func takeRetainedValue() -> T
  func retain() -> Unmanaged<T>
  func release()
  func autorelease() -> Unmanaged<T>
}

顾名思义，手动管理 RC 的。避免 Swift 插入的 ARC 代码影响程序逻辑。

C 头文件的导入行为

宏定义

数字常量 CInt, CDouble (带类型后缀则为对应类型，如 1.0f ） 字符常量 CString 其他宏 展开后，无定义

枚举 enum

创建 enum 类型，并继承自 CUnsignedInt 或 CInt （enum 是否有负初始值）

可以通过 .value 访问。

结构体 struct

创建 struct 类型，只有默认 init ，需要加上所有结构体字段名创建。

可变参数函数

转为 CVaListPointer。手动重声明更好。这里举 Darwin 模块的例子说。

func vprintf(_: CString, _: CVaListPointer) -> CInt

从 C 调用 Swift

只能调用函数。

之前说过，用 @asmname("name") 指定 mangled name 即可。

然后 C 语言中人工声明下函数。很可惜自动导出头文件不适用于 C 语言，只适用于 Objective-C 。

目测暂时无法导出结构体，因为 Swift 闭源不提供相关头文件。靠猜有风险。

全局变量不支持用 @asmname("name") 控制导出符号名。目测可以尝试用 mangled name 访问，但是很不方便。

示例

我尝试调用了下 libcurl 。

项目地址在 andelf/curl-swift 包含编译脚本（就一句命令）。

Bridging Header 只写入 #include<curl/curl.h> 即可。

@asmname("curl_easy_setopt") func curl_easy_setopt(curl: COpaquePointer, option: CURLoption, param: CString) -> CURLcode
@asmname("curl_easy_setopt") func curl_easy_setopt(curl: COpaquePointer, option: CURLoption, param: CBool) -> CURLcode

let handle = curl_easy_init()

// this should be a const c string. curl_easy_perform() will use this.
let url: CString = "http://www.baidu.com"

curl_easy_setopt(handle, CURLOPT_URL, url)
curl_easy_setopt(handle, CURLOPT_VERBOSE, true)

let ret = curl_easy_perform(handle)
let error = curl_easy_strerror(ret)
println("error = \(error)")

值得注意的是其中对单个函数的多态声明， curl_easy_setopt 实际上第三个参数是 void *。

以及对 url 的处理，实际上 libcurl 要求设置的 url 参数一直保持到 curl_easy_perform 时，所以这里用 withUnsafePointer 或者 withCString 是不太可取的方法。实际上或许可以用 Unmanaged<T> 来解决。

总结

我觉得说这么多。。。

调用 C 已经再没有别的内容可说了。其他的就是编程经验的问题，比如如何实现 C 回调 Swift 或者 Swift 回调 C 。可以参考其他语言的做法。解决方法不只一种。

参考文献

• 我的 Github andelf/Defines-Swift。
• Swift and C Interop 简析Swift和C的交互 第一部分
• Swift NSError Internals（解析 Swift 对 NSError 操作）