与 C 语言的互操作

C 库导入目前处于 Beta 阶段。所有通过 cinterop 工具从 C 库生成的 Kotlin 声明都应带有 @ExperimentalForeignApi 注解。

Kotlin/Native 随附的原生平台库（例如 Foundation、UIKit 和 POSIX）仅对某些 API 要求显式选择启用。

本文档涵盖了 Kotlin 与 C 互操作性的一般方面。Kotlin/Native 随附了一个 cinterop 工具， 你可以使用它快速生成与外部 C 库交互所需的一切。

该工具分析 C 头文件，并将 C 类型、函数和字符串直接映射到 Kotlin 中。 然后可以将生成的存根导入到 IDE 中，以启用代码补全和导航。

Kotlin 也提供了与 Objective-C 的互操作性。Objective-C 库同样通过 cinterop 工具导入。关于更多详情，请参见 Swift/Objective-C 互操作。

设置你的项目

以下是使用需要消耗 C 库的项目的通用工作流：

1. 创建并配置一个定义文件。它描述了 cinterop 工具应将哪些内容包含到 Kotlin绑定中。
2. 配置你的 Gradle 构建文件，以在构建过程中包含 cinterop。
3. 编译并运行项目以生成最终的可执行文件。

关于动手实践，请完成使用 C 互操作创建应用教程。

在许多情况下，无需配置与 C 库的自定义互操作性。相反，你可以使用平台库中可用的平台标准化绑定 API。例如， 在 Linux/macOS 平台上的 POSIX、Windows 平台上的 Win32，或者 macOS/iOS 上的 Apple frameworks 都可以通过这种方式使用。

绑定

基本互操作类型

所有支持的 C 类型在 Kotlin 中都有相应的表示形式：

• 有符号、无符号整型和浮点类型映射到具有相同宽度的对应 Kotlin 类型。
• 指针和数组映射到 CPointer<T>?。
• 枚举可以映射到 Kotlin 枚举或整型值，具体取决于启发式规则和定义文件设置。
• 结构体和联合体映射到可以通过点表示法访问字段的类型，例如 someStructInstance.field1。
• typedef 表示为 typealias。

此外，任何 C 类型都具有表示该类型左值的 Kotlin 类型，即位于内存中的值，而不是简单的不可变、自包含的值。 可以将其类比为 C++ 引用。对于结构体（以及 typedef 到结构体），这种表示是主要的，并与结构体本身同名。 对于 Kotlin 枚举，它被命名为 ${type}.Var；对于 CPointer<T>，它被命名为 CPointerVar<T>；对于大多数其他类型，它被命名为 ${type}Var。

对于同时具有两种表示形式的类型，带有左值的表示形式具有一个可变的 .value 属性，用于访问该值。

指针类型

CPointer<T> 的类型实参 T 必须是上述左值类型之一。例如，C 类型 struct S* 映射到 CPointer<S>，int8_t* 映射到 CPointer<int_8tVar>，而 char** 映射到 CPointer<CPointerVar<ByteVar>>。

C 空指针表示为 Kotlin 的 null，并且指针类型 CPointer<T> 不可空，但 CPointer<T>? 可以为空。 此类型的值支持所有与处理 null 相关的 Kotlin 操作，例如 ?:、?.、!! 等：

val path = getenv("PATH")?.toKString() ?: ""

由于数组也映射到 CPointer<T>，因此它支持使用 [] 操作符通过索引访问值：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
fun shift(ptr: CPointer<ByteVar>, length: Int) {
    for (index in 0 .. length - 2) {
        ptr[index] = ptr[index + 1]
    }
}

CPointer<T> 的 .pointed 属性返回由该指针指向的类型 T 的左值。反向操作是 .ptr，它接收左值并返回指向它的指针。

void* 映射到 COpaquePointer —— 这个特殊指针类型是任何其他指针类型的超类型。 因此，如果 C 函数接收 void*，Kotlin 绑定会接受任何 CPointer。

指针（包括 COpaquePointer）的转换可以通过 .reinterpret<T> 完成，例如：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
val intPtr = bytePtr.reinterpret<IntVar>()

或者：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
val intPtr: CPointer<IntVar> = bytePtr.reinterpret()

与 C 语言一样，这些 .reinterpret 转换是不安全的，并可能在应用程序中导致细微的内存问题。

此外，CPointer<T>? 与 Long 之间存在不安全转换，由 .toLong() 和 .toCPointer<T>() 扩展方法提供：

val longValue = ptr.toLong()
val originalPtr = longValue.toCPointer<T>()

如果结果类型从上下文中已知，则可以借助类型推断省略类型实参。

内存分配

原生内存可以使用 NativePlacement 接口进行分配，例如：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
val byteVar = placement.alloc<ByteVar>()

或者：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
val bytePtr = placement.allocArray<ByteVar>(5)

最合理的放置位置是对象 nativeHeap。它对应于使用 malloc 分配原生内存，并提供额外的 .free() 操作来释放已分配的内存：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi::class)
fun main() {
    val size: Long = 0
    val buffer = nativeHeap.allocArray<ByteVar>(size)
    nativeHeap.free(buffer)
}

nativeHeap 要求手动释放内存。然而，将内存分配为生命周期绑定到词法作用域的情况通常很有用。如果此类内存能自动释放，将非常有帮助。

为解决此问题，你可以使用 memScoped { }。在花括号内，临时放置可用作隐式接收者，因此可以使用 alloc 和 allocArray 分配原生内存， 并且分配的内存将在离开作用域后自动释放。

例如，可以通过指针形参返回值的 C 函数可以这样使用：

import kotlinx.cinterop.*
import platform.posix.*

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
val fileSize = memScoped {
    val statBuf = alloc<stat>()
    val error = stat("/", statBuf.ptr)
    statBuf.st_size
}

向绑定传递指针

尽管 C 指针映射到 CPointer<T> 类型，但 C 函数的指针类型形参映射到 CValuesRef<T>。 当将 CPointer<T> 作为此类形参的值传递时，它会按原样传递给 C 函数。 然而，可以传递值序列而不是指针。在这种情况下，该序列是“按值”传递的， 即 C 函数接收指向该序列临时副本的指针，该副本仅在函数返回前有效。

指针形参的 CValuesRef<T> 表示旨在支持 C 数组字面量，无需显式原生内存分配。 为了构建不可变、自包含的 C 值序列，提供了以下方法：

• ${type}Array.toCValues()，其中 type 是 Kotlin 原生类型
• Array<CPointer<T>?>.toCValues()，List<CPointer<T>?>.toCValues()
• cValuesOf(vararg elements: ${type})，其中 type 是原生类型或指针

例如：

// C:
void foo(int* elements, int count);
...
int elements[] = {1, 2, 3};
foo(elements, 3);

// Kotlin:

foo(cValuesOf(1, 2, 3), 3)

字符串

与其他指针不同，类型为 const char* 的形参表示为 Kotlin String。 因此，可以将任何 Kotlin 字符串传递给期望 C 字符串的绑定。

还有一些可用于手动在 Kotlin 和 C 字符串之间进行转换的工具：

• fun CPointer<ByteVar>.toKString(): String
• val String.cstr: CValuesRef<ByteVar>.

要获取指针，.cstr 应该在原生内存中进行分配，例如：

val cString = kotlinString.cstr.getPointer(nativeHeap)

在所有情况下，C 字符串都应该被编码为 UTF-8。

要跳过自动转换并确保在绑定中使用原始指针，请将noStringConversion 属性添加到 .def 文件中：

noStringConversion = LoadCursorA LoadCursorW

通过这种方式，任何类型为 CPointer<ByteVar> 的值都可以作为 const char* 类型的实参传递。如果需要传递 Kotlin 字符串，可以使用类似这样的代码：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi::class)
memScoped {
    LoadCursorA(null, "cursor.bmp".cstr.ptr)  // for ASCII or UTF-8 version
    LoadCursorW(null, "cursor.bmp".wcstr.ptr) // for UTF-16 version
}

作用域局部指针

可以使用 memScoped {} 下可用的 CValues<T>.ptr 扩展属性，为 CValues<T> 实例创建 C 表示的作用域稳定指针。 它允许使用需要 C 指针且生命周期绑定到特定 MemScope 的 API。例如：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(kotlinx.cinterop.ExperimentalForeignApi::class)
memScoped {
    items = arrayOfNulls<CPointer<ITEM>?>(6)
    arrayOf("one", "two").forEachIndexed { index, value -> items[index] = value.cstr.ptr }
    menu = new_menu("Menu".cstr.ptr, items.toCValues().ptr)
    // ...
}

在此示例中，所有传递给 C API new_menu() 的值都具有其所属的最内层 memScope 的生命周期。 一旦控制流离开 memScoped 作用域，C 指针就会失效。

按值传递和接收结构体

当 C 函数按值接收或返回结构体/联合体 T 时，对应的实参类型或返回类型表示为 CValue<T>。

CValue<T> 是一种不透明类型，因此无法通过相应的 Kotlin 属性访问结构体字段。 如果 API 将结构体用作不透明句柄，这可能没问题。但是，如果需要访问字段，则提供了以下转换方法：

• fun T.readValue(): CValue<T> 将（左值）T 转换为 CValue<T>。因此，要构建 CValue<T>，T 可以被分配、填充，然后转换为 CValue<T>。

• CValue<T>.useContents(block: T.() -> R): R 将 CValue<T> 临时存储在内存中，然后运行传入的 lambda 表达式，并将此放置的值 T 作为接收者。 因此，要读取单个字段，可以使用以下代码：

  val fieldValue = structValue.useContents { field }

• fun cValue(initialize: T.() -> Unit): CValue<T> 应用所提供的 initialize 函数在内存中分配 T，并将结果转换为 CValue<T>。

• fun CValue<T>.copy(modify: T.() -> Unit): CValue<T> 创建现有 CValue<T> 的修改副本。原始值被放置在内存中，使用 modify() 函数进行修改，然后再次转换为新的 CValue<T>。

• fun CValues<T>.placeTo(scope: AutofreeScope): CPointer<T> 将 CValues<T> 放置到 AutofreeScope 中，并返回指向已分配内存的指针。当 AutofreeScope 被处理时，已分配的内存将自动释放。

回调

要将 Kotlin 函数转换为指向 C 函数的指针，可以使用 staticCFunction(::kotlinFunction)。也可以 提供 lambda 表达式而不是函数引用。该函数或 lambda 表达式不得捕获任何值。

向回调传递用户数据

C API 通常允许向回调传递一些用户数据。此类数据通常由用户在配置回调时提供。 例如，它作为 void* 传递给某个 C 函数（或写入结构体）。然而，Kotlin 对象的引用不能直接传递给 C。 因此，它们在配置回调之前需要包装，然后在回调内部解包，以便安全地从 Kotlin 经由 C 世界传递到 Kotlin。 这种包装可以通过 StableRef 类实现。

要包装引用：

import kotlinx.cinterop.*

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
val stableRef = StableRef.create(kotlinReference)
val voidPtr = stableRef.asCPointer()

在这里，voidPtr 是一个 COpaquePointer，可以传递给 C 函数。

要解包引用：

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
val stableRef = voidPtr.asStableRef<KotlinClass>()
val kotlinReference = stableRef.get()

在这里，kotlinReference 是原始包装的引用。

创建的 StableRef 最终应使用 .dispose() 方法手动处理，以防止内存泄漏：

stableRef.dispose()

此后它将变得无效，因此 voidPtr 不能再被解包。

宏

每个扩展为常量的 C 宏都表示为 Kotlin 属性。

当编译器可以推断类型时，没有形参的宏会受到支持：

int foo(int);
#define FOO foo(42)

在这种情况下，FOO 在 Kotlin 中可用。

为了支持其他宏，你可以通过用受支持的声明包装它们来手动暴露它们。例如， 函数式宏 FOO 可以通过向库添加自定义声明来作为函数 foo() 暴露：

headers = library/base.h

---

static inline int foo(int arg) {
    return FOO(arg);
}

可移植性

有时 C 库的函数形参或结构体字段是平台依赖类型，例如 long 或 size_t。 Kotlin 本身不提供隐式整型转换或 C 风格整型转换（例如，(size_t) intValue）， 因此为了在这些情况下更容易编写可移植代码，提供了 convert 方法：

fun ${type1}.convert<${type2}>(): ${type2}

这里，type1 和 type2 都必须是整型，可以是有符号的或无符号的。

.convert<${type}> 具有与 .toByte、.toShort、.toInt、.toLong、.toUByte、 .toUShort、.toUInt 或 .toULong 方法之一相同的语义，具体取决于 type。

使用 convert 的示例：

import kotlinx.cinterop.*
import platform.posix.*

@OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
fun zeroMemory(buffer: COpaquePointer, size: Int) {
    memset(buffer, 0, size.convert<size_t>())
}

此外，类型形参可以自动推断，因此在某些情况下可以省略。

对象固定

Kotlin 对象可以被固定，即它们在内存中的位置被保证是稳定的，直到它们被解除固定， 并且指向此类对象内部数据的指针可以传递给 C 函数。

你可以采用以下几种方法：

• 使用 usePinned() 扩展函数， 它会固定一个对象，执行一个代码块，并在正常路径和异常路径上解除固定：

  import kotlinx.cinterop.*
  import platform.posix.*
  
  @OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
  fun readData(fd: Int) {
      val buffer = ByteArray(1024)
      buffer.usePinned { pinned ->
          while (true) {
              val length = recv(fd, pinned.addressOf(0), buffer.size.convert(), 0).toInt()
              if (length <= 0) {
                  break
              }
              // Now `buffer` has raw data obtained from the `recv()` call.
          }
      }
  }

  在这里，pinned 是一个特殊类型 Pinned<T> 的对象。它提供了有用的扩展，例如 .addressOf()， 它允许获取固定数组体的地址。

• 使用 .refTo() 扩展函数， 它在底层功能类似，但在某些情况下可能有助于你减少样板代码：

  import kotlinx.cinterop.*
  import platform.posix.*
  
  @OptIn(ExperimentalForeignApi::class)
  fun readData(fd: Int) {
      val buffer = ByteArray(1024)
      while (true) {
          val length = recv(fd, buffer.refTo(0), buffer.size.convert(), 0).toInt()
  
          if (length <= 0) {
              break
          }
          // Now `buffer` has raw data obtained from the `recv()` call.
      }
  }

  在这里，buffer.refTo(0) 具有 CValuesRef 类型，它在进入 recv() 函数之前固定数组， 将数组的第零个元素的地址传递给函数，并在退出后解除固定数组。

前向声明

要导入前向声明，请使用 cnames 包。例如，要导入在 C 库中声明的 cstructName 前向声明（该库具有 library.package）， 请使用特殊的前向声明包：import cnames.structs.cstructName。

考虑两个 cinterop 库：一个具有结构体的前向声明，另一个在另一个包中具有实际实现：

// First C library
#include <stdio.h>

struct ForwardDeclaredStruct;

void consumeStruct(struct ForwardDeclaredStruct* s) {
    printf("Struct consumed
");
}

// Second C library
// Header:
#include <stdlib.h>

struct ForwardDeclaredStruct {
    int data;
};

// Implementation:
struct ForwardDeclaredStruct* produceStruct() {
    struct ForwardDeclaredStruct* s = malloc(sizeof(struct ForwardDeclaredStruct));
    s->data = 42;
    return s;
}

要在两个库之间传输对象，请在你的 Kotlin 代码中使用显式 as 转换：

// Kotlin code:
fun test() {
    consumeStruct(produceStruct() as CPointer<cnames.structs.ForwardDeclaredStruct>)
}

下一步

通过完成以下教程，了解类型、函数和字符串如何在 Kotlin 和 C 之间映射：

• 从 C 映射原生数据类型
• 从 C 映射结构体和联合体类型
• 从 C 映射函数指针
• 从 C 映射字符串