Rust FFI 编程 - nix crate

在 Rust 中使用 nix 这个库，在某些情况下可以简化 Unix 系统编程。本文主要包括以下内容：

前言：什么是 Unix 系统编程？
nix 库介绍
nix 库使用示例

什么是 Unix 系统编程？

Unix 系统编程实际上是把底层编程和系统设计两个概念混在了一起，本文将其理解为“操作系统层级的编程”。在进行 Unix 系统编程时，关键要熟悉 POSIX 规范中定义的接口函数，以及 Unix/Linux 的 man 手册，以下是一些示例：

进程管理（例如，fork，kill）
文件处理（例如，read，write）
网络编程（例如，socket，listen）
与硬件交互（例如，ioctl，mmap）
Linux容器（例如，clone，mount）

nix 库介绍

nix 库旨在提供对各种类 Unix 平台（Linux，Darwin等）API 的友好绑定（bindings），其代码地址在：https://github.com/nix-rust/nix。在其 lib.rs 文件中有如下代码：

// Re-exported external cratespub extern crate libc;
它通过使用强制合法或安全的类型对 libc 库进行了一次封装，相对于 libc 库
暴露的 unsafe API，它具有两个特点：

用户代码中尽量没有 unsafe
Rust 风格的错误处理

以系统调用 gethostname 为例，我们来看一下，libc 和 nix 之间的区别：

// libc api (unsafe, requires handling return code/errno)pub unsafe extern fn gethostname(name: *mut c_char, len: size_t) -> c_int;
// nix api (returns a nix::Result<CStr>)pub fn gethostname<'a>(buffer: &'a mut [u8]) -> Result<&'a CStr>;

不过尽管 nix 库尝试支持 libc 库支持的所有平台，但由于技术或人力限制，仅支持其中的某些平台。可能这也是一些底层库（比如：tokio项目中的mio）在版本v0.6.3之后移除对 nix 库依赖的一个原因吧。

nix 库中的模块大致如下：

dir，相对标准库中的std::fs::ReadDir更底层的目录接口。
errno， nix 库中处理各种类 Unix 系统的错误类型，对于 FreeBSD，IOS，MacOS 系统直接封装的 libc 库中的。
fcntl， Unix 系统中文件 IO 的数据结构，以及对文件的各种操作接口。
features，用于操作系统级功能的测试。
ifaddrs，使用 Linux 或 BSD 中的函数getifaddrs获取网络接口及地址列表。
kmod，包含加载和卸载内核模块的功能。
mount，包含设备文件的挂载操作，mount和umount。
mqueue，对应 POSIX 规范中消息队列 API 的功能。
net，涉及网络接口的功能。
poll，在特点文件描述符上触发 wait 事件。
pty，创建主从虚拟伪终端 PTYs。
sched，提供 Linux 系统的调度接口。
sys，这个模块包括各种系统相关的功能：POSIX 异步 I/O，文件系统事件的监控 API，Socket接口函数等。
ucontext，提供协程上下文相关的借接口。
unistd，在 libc 库unistd.h头文件中函数的 safe 封装。

nix 库使用示例

在项目的 Cargo.toml 中添加如下配置，就可以导入 nix 库了。

[dependencies]nix = "0.17.0"

用 nix 如何创建一个子进程

我们用 nix 库重写 libc 文章中创建一个子进程的示例，代码如下：

use nix::unistd::*;
fn main() {    match fork() {        Ok(ForkResult::Parent { child }) => {            // 在父进程中            println!("Hello, I am parent thread: {}", getpid());        }        Ok(ForkResult::Child) => {            // 在子进程中            println!("Hello, I am child thread: {}", getpid());            println!("My parent thread: {}", getppid());        }        Err(errno) => {            // fork 创建子进程失败            println!("Fork creation failed!");        }    }}

`fork`/`kill`示例

熟悉 POSIX 规范的话，其中的fork()函数可以用来创建一个新的进程（子进程），而kill()函数可以用来向一个或一组进程发送信号。我们来看如下的一段 C 语言代码：

#include <signal.h>#include <unistd.h>
int main(void){    pid_t child = fork();    if (child)    {        sleep(5);        kill(child, SIGKILL);    }    else    {        for (;;)        // 循环直到被 kill 掉        ;    }return 0;}

这段代码有问题吗？

我们知道fork()函数如果执行成功，则向子进程返回 0，并将子进程的进程 ID 返回给父进程。否则，将向父进程返回 -1，不创建子进程，并设置errno来标识错误。

上述代码中没有处理fork()函数失败时的逻辑，这样则可能将 -1（fork的错误结果）视为子进程的进程 ID。这时在随后的程序中关闭子进程kill(child, SIGKILL);，你知道进程 ID 为 -1 时会发生什么吗？

If pid is -1, sig shall be sent to all processes (excluding an unspecified set of system processes) for which the process has permission to send that signal.

如果进程 ID 等于 -1，则将信号发送到调用进程有权发送信号的每个进程，一些系统进程（如init）除外。

kill(-1, SIGKILL);等效于 kill 你有权发送信号的所有其他进程。

我们来看 nix 库中的fork()函数，其返回值为Result<ForkResult, Errno>类型，相比 C 语言中的fork()函数，它有两个优点：

Rust的错误处理风格，使用类型Result区分成功和失败的情况
使用枚举类型ForkResult区分返回父/子进程

这时使用 nix 库来重写上述逻辑，代码如下：

use nix::sys::signal::*;use nix::unistd::*;
fn main() {    match fork().expect("fork failed") {        ForkResult::Parent{ child } => {            sleep(5);            kill(child, SIGKILL).expect("kill failed");        }        ForkResult::Child => {            // 直到被 kill 掉            loop {}        }    }}

以上代码示例地址：https://github.com/lesterli/rust-practice/tree/master/ffi/nix

总结

nix 库通过对 libc 库暴露的 unsafe API 进行封装，为 libc 库支持的某些平台提供了一种 safe 的替代方案。