映射 C 语言中的结构体和联合体类型 – 教程

这是 Kotlin 与 C 的映射 系列教程的第二部分。在继续之前，请确保已完成上一步。

映射 C 语言中的基本数据类型
映射 C 语言中的结构体和联合体类型
映射函数指针
 映射 C 语言中的字符串

C 库导入功能处于 Beta 阶段。由 cinterop 工具从 C 库生成的所有 Kotlin 声明都应带有 @ExperimentalForeignApi 注解。
随 Kotlin/Native 提供的原生平台库（例如 Foundation、UIKit 和 POSIX）仅对部分 API 需要选择启用。

让我们探究哪些 C 结构体和联合体声明在 Kotlin 中可见，并探究 Kotlin/Native 和多平台 Gradle 构建中与 C 互操作相关的进阶用例。

在本教程中，你将学习：

结构体和联合体类型如何映射
如何在 Kotlin 中使用结构体和联合体类型

映射 C 语言中的结构体和联合体类型

为了理解 Kotlin 如何映射结构体和联合体类型，让我们在 C 中声明它们并探究它们在 Kotlin 中的表示方式。

在上一个教程中，你已经创建了一个包含所需文件的 C 库。对于此步骤，请在 --- 分隔符后更新 interop.def 文件中的声明：


---

typedef struct {
  int a;
  double b;
} MyStruct;

void struct_by_value(MyStruct s) {}
void struct_by_pointer(MyStruct* s) {}

typedef union {
  int a;
  MyStruct b;
  float c;
} MyUnion;

void union_by_value(MyUnion u) {}
void union_by_pointer(MyUnion* u) {}

interop.def 文件提供了编译、运行或在 IDE 中打开应用程序所需的一切。

探查 C 库生成的 Kotlin API

让我们看看 C 结构体和联合体类型如何映射到 Kotlin/Native，并更新你的项目：

在 src/nativeMain/kotlin 中，将你上一个教程中的 hello.kt 文件更新为以下内容：

kotlin

import interop.*
import kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
fun main() {
    println("Hello Kotlin/Native!")

    struct_by_value(/* fix me*/)
    struct_by_pointer(/* fix me*/)
    union_by_value(/* fix me*/)
    union_by_pointer(/* fix me*/)
}

为避免编译错误，请将互操作性添加到构建过程。为此，请将 build.gradle(.kts) 构建文件更新为以下内容：

KotlinGroovy

kotlin

kotlin {
    macosArm64("native") {    // macOS on Apple Silicon
    // macosX64("native") {   // macOS on x86_64 platforms
    // linuxArm64("native") { // Linux on ARM64 platforms 
    // linuxX64("native") {   // Linux on x86_64 platforms
    // mingwX64("native") {   // on Windows
        val main by compilations.getting
        val interop by main.cinterops.creating {
            definitionFile.set(project.file("src/nativeInterop/cinterop/interop.def"))
        }
    
        binaries {
            executable()
        }
    }
}

groovy

kotlin {
    macosArm64("native") {    // Apple Silicon macOS
    // macosX64("native") {   // macOS on x86_64 platforms
    // linuxArm64("native") { // Linux on ARM64 platforms
    // linuxX64("native") {   // Linux on x86_64 platforms
    // mingwX64("native") {   // Windows
        compilations.main.cinterops {
            interop {   
                definitionFile = project.file('src/nativeInterop/cinterop/interop.def')
            }
        }
    
        binaries {
            executable()
        }
    }
}

使用 IntelliJ IDEA 的转到声明命令 (/) 导航到 C 函数、结构体和联合体生成的以下 API：

kotlin

fun struct_by_value(s: kotlinx.cinterop.CValue<interop.MyStruct>)
fun struct_by_pointer(s: kotlinx.cinterop.CValuesRef<interop.MyStruct>?)

fun union_by_value(u: kotlinx.cinterop.CValue<interop.MyUnion>)
fun union_by_pointer(u: kotlinx.cinterop.CValuesRef<interop.MyUnion>?)

从技术上讲，在 Kotlin 侧结构体和联合体类型之间没有区别。cinterop 工具为 C 语言的结构体和联合体声明生成 Kotlin 类型。

生成的 API 包含 CValue<T> 和 CValuesRef<T> 的完全限定包名，反映了它们在 kotlinx.cinterop 中的位置。CValue<T> 表示一个按值传递的结构体形参，而 CValuesRef<T>? 用于向结构体或联合体传递指针。

在 Kotlin 中使用结构体和联合体类型

由于生成了 API，在 Kotlin 中使用 C 结构体和联合体类型简单直接。唯一的问题是如何创建这些类型的新实例。

让我们看看接受 MyStruct 和 MyUnion 作为形参的生成函数。按值形参表示为 kotlinx.cinterop.CValue<T>，而指针类型形参使用 kotlinx.cinterop.CValuesRef<T>?。

Kotlin 提供了一个方便的 API 用于创建和使用这些类型。让我们探究如何在实践中使用它。

创建 CValue<T>

CValue<T> 类型用于向 C 函数调用传递按值形参。使用 cValue 函数创建 CValue<T> 实例。该函数需要一个带接收者的 lambda 表达式来就地初始化底层 C 类型。该函数声明如下：

kotlin

fun <reified T : CStructVar> cValue(initialize: T.() -> Unit): CValue<T>

以下是如何使用 cValue 并传递按值形参：

kotlin

import interop.*
import kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi
import kotlinx.cinterop.cValue

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
fun callValue() {

    val cStruct = cValue<MyStruct> {
        a = 42
        b = 3.14
    }
    struct_by_value(cStruct)

    val cUnion = cValue<MyUnion> {
        b.a = 5
        b.b = 2.7182
    }

    union_by_value(cUnion)
}

创建作为 CValuesRef<T> 的结构体和联合体

CValuesRef<T> 类型在 Kotlin 中用于传递 C 函数的指针类型形参。要在原生内存中分配 MyStruct 和 MyUnion，请在 kotlinx.cinterop.NativePlacement 类型上使用以下扩展函数：

kotlin

fun <reified T : kotlinx.cinterop.CVariable> alloc(): T

NativePlacement 表示原生内存，其函数类似于 malloc 和 free。NativePlacement 有几种实现：

全局实现是 kotlinx.cinterop.nativeHeap，但你必须在使用后调用 nativeHeap.free() 来释放内存。
更安全的替代方案是 memScoped()，它创建一个短生命周期的内存作用域，其中所有分配的内存在代码块结束时自动释放：
kotlin
```
fun <R> memScoped(block: kotlinx.cinterop.MemScope.() -> R): R
```

有了 memScoped()，你调用带指针的函数的代码可能如下所示：

kotlin

import interop.*
import kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi
import kotlinx.cinterop.memScoped
import kotlinx.cinterop.alloc
import kotlinx.cinterop.ptr

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
fun callRef() {
    memScoped {
        val cStruct = alloc<MyStruct>()
        cStruct.a = 42
        cStruct.b = 3.14

        struct_by_pointer(cStruct.ptr)

        val cUnion = alloc<MyUnion>()
        cUnion.b.a = 5
        cUnion.b.b = 2.7182

        union_by_pointer(cUnion.ptr)
    }
}

在这里，ptr 扩展属性（在 memScoped {} 代码块内可用）将 MyStruct 和 MyUnion 实例转换为原生指针。

由于内存由 memScoped {} 代码块内部管理，它在代码块结束时自动释放。避免在此作用域之外使用指针以防止访问已释放的内存。如果你需要生命周期更长的分配（例如，用于 C 库中的缓存），请考虑使用 Arena() 或 nativeHeap。

CValue<T> 与 CValuesRef<T> 之间的转换

有时你需要在一次函数调用中将结构体作为值传递，然后在另一次函数调用中将相同的结构体作为引用传递。

要做到这一点，你需要一个 NativePlacement，但首先，让我们看看 CValue<T> 如何转换为指针：

kotlin

import interop.*
import kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi
import kotlinx.cinterop.cValue
import kotlinx.cinterop.memScoped

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
fun callMix_ref() {
    val cStruct = cValue<MyStruct> {
        a = 42
        b = 3.14
    }

    memScoped {
        struct_by_pointer(cStruct.ptr)
    }
}

在这里，memScoped {} 的 ptr 扩展属性再次将 MyStruct 实例转换为原生指针。这些指针仅在 memScoped {} 代码块内有效。

要将指针转换回按值变量，请调用 .readValue() 扩展函数：

kotlin

import interop.*
import kotlinx.cinterop.alloc
import kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi
import kotlinx.cinterop.memScoped
import kotlinx.cinterop.readValue

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
fun callMix_value() {
    memScoped {
        val cStruct = alloc<MyStruct>()
        cStruct.a = 42
        cStruct.b = 3.14

        struct_by_value(cStruct.readValue())
    }
}

更新 Kotlin 代码

既然你已经学会了如何在 Kotlin 代码中使用 C 声明，请尝试在你的项目中使用它们。 hello.kt 文件中的最终代码可能如下所示：

kotlin

import interop.*
import kotlinx.cinterop.alloc
import kotlinx.cinterop.cValue
import kotlinx.cinterop.memScoped
import kotlinx.cinterop.ptr
import kotlinx.cinterop.readValue
import kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
fun main() {
    println("Hello Kotlin/Native!")

    val cUnion = cValue<MyUnion> {
        b.a = 5
        b.b = 2.7182
    }

    memScoped {
        union_by_value(cUnion)
        union_by_pointer(cUnion.ptr)
    }

    memScoped {
        val cStruct = alloc<MyStruct> {
            a = 42
            b = 3.14
        }

        struct_by_value(cStruct.readValue())
        struct_by_pointer(cStruct.ptr)
    }
}

要验证一切是否按预期工作，请在你的 IDE 中运行 runDebugExecutableNative Gradle 任务或使用以下命令运行代码：

bash

./gradlew runDebugExecutableNative

下一步

在本系列的下一部分中，你将学习函数指针如何在 Kotlin 和 C 之间映射：

继续阅读下一部分

另请参见

在与 C 的互操作文档中了解更多，该文档涵盖了更进阶的场景。

基本类型

构建器

Spring

使用 Spring Boot 创建基于数据库的 RESTful Web 服务

Java 到 Kotlin 迁移指南

C 互操作

Objective-C 互操作

内存管理器

参考与提示

适用于 JS 平台的 Kotlin

概览

运行 Dokka

输出格式

最小化心智负担

映射 C 语言中的结构体和联合体类型 – 教程

映射 C 语言中的结构体和联合体类型

探查 C 库生成的 Kotlin API

在 Kotlin 中使用结构体和联合体类型

创建 CValue<T>

创建作为 CValuesRef<T> 的结构体和联合体

CValue<T> 与 CValuesRef<T> 之间的转换

更新 Kotlin 代码

下一步

另请参见

使用 Spring Boot 创建基于数据库的 RESTful Web 服务

映射 C 语言中的结构体和联合体类型 – 教程 ​

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CValue<T> 与 CValuesRef<T> 之间的转换

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