C++ 类包装
CGO是C语言和Go语言之间的桥梁，原则上无法直接支持C++的类。CGO不支持C++语法的根本原因是C++至今为止还没有一个二进制接口规范(ABI)。一个C++类的构造函数在编译为目标文件时如何生成链接符号名称、方法在不同平台甚至是C++的不同版本之间都是不一样的。但是C++是兼容C语言，所以我们可以通过增加一组C语言函数接口作为C++类和CGO之间的桥梁，这样就可以间接地实现C++和Go之间的互联。当然，因为CGO只支持C语言中值类型的数据类型，所以我们是无法直接使用C++的引用参数等特性的。
C++ 类到 Go 语言对象
实现C++类到Go语言对象的包装需要经过以下几个步骤：首先是用纯C函数接口包装该C++类；其次是通过CGO将纯C函数接口映射到Go函数；最后是做一个Go包装对象，将C++类到方法用Go对象的方法实现。
准备一个 C++ 类
为了演示简单，我们基于std::string做一个最简单的缓存类MyBuffer。除了构造函数和析构函数之外，只有两个成员函数分别是返回底层的数据指针和缓存的大小。因为是二进制缓存，所以我们可以在里面中放置任意数据。
// my_buffer.h
#include <string>
struct MyBuffer {
std::string* s_;
MyBuffer(int size) {
this->s_ = new std::string(size, char(' '));
}
~MyBuffer() {
delete this->s_;
}
int Size() const {
return this->s_->size();
}
char* Data() {
return (char*)this->s_->data();
}
};
我们在构造函数中指定缓存的大小并分配空间，在使用完之后通过析构函数释放内部分配的内存空间。下面是简单的使用方式：
int main() {
auto pBuf = new MyBuffer(1024);
auto data = pBuf->Data();
auto size = pBuf->Size();
delete pBuf;
}
为了方便向C语言接口过渡，在此处我们故意没有定义C++的拷贝构造函数。我们必须以new和delete来分配和释放缓存对象，而不能以值风格的方式来使用。
用纯C函数接口封装 C++ 类
如果要将上面的C++类用C语言函数接口封装，我们可以从使用方式入手。我们可以将new和delete映射为C语言函数，将对象的方法也映射为C语言函数。
在C语言中我们期望MyBuffer类可以这样使用：
int main() {
MyBuffer* pBuf = NewMyBuffer(1024);
char* data = MyBuffer_Data(pBuf);
auto size = MyBuffer_Size(pBuf);
DeleteMyBuffer(pBuf);
}
先从C语言接口用户的角度思考需要什么样的接口，然后创建my_buffer_capi.h 头文件接口规范：
// my_buffer_capi.h
typedef struct MyBuffer_T MyBuffer_T;
MyBuffer_T* NewMyBuffer(int size);
void DeleteMyBuffer(MyBuffer_T* p);
char* MyBuffer_Data(MyBuffer_T* p);
int MyBuffer_Size(MyBuffer_T* p);
然后就可以基于C++的MyBuffer类定义这些C语言包装函数。我们创建对应的my_buffer_capi.cc文件如下：
// my_buffer_capi.cc
#include "./my_buffer.h"
extern "C" {
#include "./my_buffer_capi.h"
}
struct MyBuffer_T: MyBuffer {
MyBuffer_T(int size): MyBuffer(size) {}
~MyBuffer_T() {}
};
MyBuffer_T* NewMyBuffer(int size) {
auto p = new MyBuffer_T(size);
return p;
}
void DeleteMyBuffer(MyBuffer_T* p) {
delete p;
}
char* MyBuffer_Data(MyBuffer_T* p) {
return p->Data();
}
int MyBuffer_Size(MyBuffer_T* p) {
return p->Size();
}
因为头文件my_buffer_capi.h是用于CGO，必须是采用C语言规范的名字修饰规则。在C++源文件包含时需要用extern "C"语句说明。另外MyBuffer_T的实现只是从MyBuffer继承的类，这样可以简化包装代码的实现。同时和CGO通信时必须通过MyBuffer_T指针，我们无法将具体的实现暴露给CGO，因为实现中包含了C++特有的语法，CGO无法识别C++特性。
将纯C接口函数转为Go函数
将纯C函数包装为对应的Go函数的过程比较简单。需要注意的是，因为我们的包中包含C++11的语法，因此需要通过#cgo CXXFLAGS: -std=c++11打开C++11的选项。
// my_buffer_capi.go
package main
/*
#cgo CXXFLAGS: -std=c++11
#include "my_buffer_capi.h"
*/
import "C"
type cgo_MyBuffer_T C.MyBuffer_T
func cgo_NewMyBuffer(size int) *cgo_MyBuffer_T {
p := C.NewMyBuffer(C.int(size))
return (*cgo_MyBuffer_T)(p)
}
func cgo_DeleteMyBuffer(p *cgo_MyBuffer_T) {
C.DeleteMyBuffer((*C.MyBuffer_T)(p))
}
func cgo_MyBuffer_Data(p *cgo_MyBuffer_T) *C.char {
return C.MyBuffer_Data((*C.MyBuffer_T)(p))
}
func cgo_MyBuffer_Size(p *cgo_MyBuffer_T) C.int {
return C.MyBuffer_Size((*C.MyBuffer_T)(p))
}
为了区分，我们在Go中的每个类型和函数名称前面增加了cgo_前缀，比如cgo_MyBuffer_T是对应C中的MyBuffer_T类型。
为了处理简单，在包装纯C函数到Go函数时，除了cgo_MyBuffer_T类型外，对输入参数和返回值的基础类型，我们依然是用的C语言的类型。
包装为Go对象
在将纯C接口包装为Go函数之后，我们就可以很容易地基于包装的Go函数构造出Go对象来。因为cgo_MyBuffer_T是从C语言空间导入的类型，它无法定义自己的方法，因此我们构造了一个新的MyBuffer类型，里面的成员持有cgo_MyBuffer_T指向的C语言缓存对象。
// my_buffer.go
package main
import "unsafe"
type MyBuffer struct {
cptr *cgo_MyBuffer_T
}
func NewMyBuffer(size int) *MyBuffer {
return &MyBuffer{
cptr: cgo_NewMyBuffer(size),
}
}
func (p *MyBuffer) Delete() {
cgo_DeleteMyBuffer(p.cptr)
}
func (p *MyBuffer) Data() []byte {
data := cgo_MyBuffer_Data(p.cptr)
size := cgo_MyBuffer_Size(p.cptr)
return ((*[1 << 31]byte)(unsafe.Pointer(data)))[0:int(size):int(size)]
}
同时，因为Go语言的切片本身含有长度信息，我们将cgo_MyBuffer_Data和cgo_MyBuffer_Size两个函数合并为MyBuffer.Data方法，它返回一个对应底层C语言缓存空间的切片。
现在我们就可以很容易在Go语言中使用包装后的缓存对象了（底层是基于C++的std::string实现）：
package main
//#include <stdio.h>
import "C"
import "unsafe"
func main() {
buf := NewMyBuffer(1024)
defer buf.Delete()
copy(buf.Data(), []byte("hellox00"))
C.puts((*C.char)(unsafe.Pointer(&(buf.Data()[0]))))
}
例子中，我们创建了一个1024字节大小的缓存，然后通过copy函数向缓存填充了一个字符串。为了方便C语言字符串函数处理，我们在填充字符串的默认用' '表示字符串结束。最后我们直接获取缓存的底层数据指针，用C语言的puts函数打印缓存的内容。
Go 语言对象到 C++ 类
要实现Go语言对象到C++类的包装需要经过以下几个步骤：首先是将Go对象映射为一个id；然后基于id导出对应的C接口函数；最后是基于C接口函数包装为C++对象。
构造一个Go对象
为了便于演示，我们用Go语言构建了一个Person对象，每个Person可以有名字和年龄信息：
package main
type Person struct {
name string
age int
}
func NewPerson(name string, age int) *Person {
return &Person{
name: name,
age: age,
}
}
func (p *Person) Set(name string, age int) {
p.name = name
p.age = age
}
func (p *Person) Get() (name string, age int) {
return p.name, p.age
}
Person对象如果想要在C/C++中访问，需要通过cgo导出C接口来访问。
导出C接口
我们前面仿照C++对象到C接口的过程，也抽象一组C接口描述Person对象。创建一个person_capi.h文件，对应C接口规范文件：
// person_capi.h
#include <stdint.h>
typedef uintptr_t person_handle_t;
person_handle_t person_new(char* name, int age);
void person_delete(person_handle_t p);
void person_set(person_handle_t p, char* name, int age);
char* person_get_name(person_handle_t p, char* buf, int size);
int person_get_age(person_handle_t p);
然后是在Go语言中实现这一组C函数。
需要注意的是，通过CGO导出C函数时，输入参数和返回值类型都不支持const修饰，同时也不支持可变参数的函数类型。同时如内存模式一节所述，我们无法在C/C++中直接长期访问Go内存对象。因此我们使用前一节所讲述的技术将Go对象映射为一个整数id。
下面是person_capi.go文件，对应C接口函数的实现：
// person_capi.go
package main
//#include "./person_capi.h"
import "C"
import (
"sync"
"unsafe"
)
type ObjectId int32
var refs struct {
sync.Mutex
objs map[ObjectId]interface{}
next ObjectId
}
func init() {
refs.Lock()
defer refs.Unlock()
refs.objs = make(map[ObjectId]interface{})
refs.next = 1000
}
func NewObjectId(obj interface{}) ObjectId {
refs.Lock()
defer refs.Unlock()
id := refs.next
refs.next++
refs.objs[id] = obj
return id
}
func (id ObjectId) IsNil() bool {
return id == 0
}
func (id ObjectId) Get() interface{} {
refs.Lock()
defer refs.Unlock()
return refs.objs[id]
}
func (id *ObjectId) Free() interface{} {
refs.Lock()
defer refs.Unlock()
obj := refs.objs[*id]
delete(refs.objs, *id)
*id = 0
return obj
}
//export person_new
func person_new(name *C.char, age C.int) C.person_handle_t {
id := NewObjectId(NewPerson(C.GoString(name), int(age)))
return C.person_handle_t(id)
}
//export person_delete
func person_delete(h C.person_handle_t) {
id := ObjectId(h)
id.Free()
}
//export person_set
func person_set(h C.person_handle_t, name *C.char, age C.int) {
p := ObjectId(h).Get().(*Person)
p.Set(C.GoString(name), int(age))
}
//export person_get_name
func person_get_name(h C.person_handle_t, buf *C.char, size C.int) *C.char {
p := ObjectId(h).Get().(*Person)
name, _ := p.Get()
n := int(size) - 1
bufSlice := ((*[1 << 31]byte)(unsafe.Pointer(buf)))[0:n:n]
n = copy(bufSlice, []byte(name))
bufSlice[n] = 0
return buf
}
//export person_get_age
func person_get_age(h C.person_handle_t) C.int {
p := ObjectId(h).Get().(*Person)
_, age := p.Get()
return C.int(age)
}
在创建Go对象后，我们通过NewObjectId将Go对应映射为id。然后将id强制转义为person_handle_t类型返回。其它的接口函数则是根据person_handle_t所表示的id，让根据id解析出对应的Go对象。
封装C++对象
有了C接口之后封装C++对象就比较简单了。常见的做法是新建一个Person类，里面包含一个person_handle_t类型的成员对应真实的Go对象，然后在Person类的构造函数中通过C接口创建Go对象，在析构函数中通过C接口释放Go对象。下面是采用这种技术的实现：
extern "C" {
#include "./person_capi.h"
}
struct Person {
person_handle_t goobj_;
Person(const char* name, int age) {
this->goobj_ = person_new((char*)name, age);
}
~Person() {
person_delete(this->goobj_);
}
void Set(char* name, int age) {
person_set(this->goobj_, name, age);
}
char* GetName(char* buf, int size) {
return person_get_name(this->goobj_ buf, size);
}
int GetAge() {
return person_get_age(this->goobj_);
}
}
包装后我们就可以像普通C++类那样使用了：
#include "person.h"
#include <stdio.h>
int main() {
auto p = new Person("gopher", 10);
char buf[64];
char* name = p->GetName(buf, sizeof(buf)-1);
int age = p->GetAge();
printf("%s, %d years old.
", name, age);
delete p;
return 0;
}
封装C++对象改进
在前面的封装C++对象的实现中，每次通过new创建一个Person实例需要进行两次内存分配：一次是针对C++版本的Person，再一次是针对Go语言版本的Person。其实C++版本的Person内部只有一个person_handle_t类型的id，用于映射Go对象。我们完全可以将person_handle_t直接当中C++对象来使用。
下面时改进后的包装方式：
extern "C" {
#include "./person_capi.h"
}
struct Person {
static Person* New(const char* name, int age) {
return (Person*)person_new((char*)name, age);
}
void Delete() {
person_delete(person_handle_t(this));
}
void Set(char* name, int age) {
person_set(person_handle_t(this), name, age);
}
char* GetName(char* buf, int size) {
return person_get_name(person_handle_t(this), buf, size);
}
int GetAge() {
return person_get_age(person_handle_t(this));
}
};
我们在Person类中增加了一个叫New静态成员函数，用于创建新的Person实例。在New函数中通过调用person_new来创建Person实例，返回的是person_handle_t类型的id，我们将其强制转型作为Person*类型指针返回。在其它的成员函数中，我们通过将this指针再反向转型为person_handle_t类型，然后通过C接口调用对应的函数。
到此，我们就达到了将Go对象导出为C接口，然后基于C接口再包装为C++对象以便于使用的目的。
彻底解放C++的this指针
熟悉Go语言的用法会发现Go语言中方法是绑定到类型的。比如我们基于int定义一个新的Int类型，就可以有自己的方法：
type Int int
func (p Int) Twice() int {
return int(p)*2
}
func main() {
var x = Int(42)
fmt.Println(int(x))
fmt.Println(x.Twice())
}
这样就可以在不改变原有数据底层内存结构的前提下，自由切换int和Int类型来使用变量。
而在C++中要实现类似的特性，一般会采用以下实现：
class Int {
int v_;
Int(v int) { this.v_ = v; }
int Twice() const{ return this.v_*2; }
};
int main() {
Int v(42);
printf("%d
", v); // error
printf("%d
", v.Twice());
}
新包装后的Int类虽然增加了Twice方法，但是失去了自由转回int类型的权利。这时候不仅连printf都无法输出Int本身的值，而且也失去了int类型运算的所有特性。这就是C++构造函数的邪恶之处：以失去原有的一切特性的代价换取class的施舍。
造成这个问题的根源是C++中this被固定为class的指针类型了。我们重新回顾下this在Go语言中的本质：
func (this Int) Twice() int
func Int_Twice(this Int) int
在Go语言中，和this有着相似功能的类型接收者参数其实只是一个普通的函数参数，我们可以自由选择值或指针类型。
如果以C语言的角度来思考，this也只是一个普通的void*类型的指针，我们可以随意自由地将this转换为其它类型。
struct Int {
int Twice() {
const int* p = (int*)(this);
return (*p) * 2;
}
};
int main() {
int x = 42;
printf("%d
", x);
printf("%d
", ((Int*)(&x))->Twice());
return 0;
}
这样我们就可以通过将int类型指针强制转为Int类型指针，代替通过默认的构造函数后new来构造Int对象。 在Twice函数的内部，以相反的操作将this指针转回int类型的指针，就可以解析出原有的int类型的值了。 这时候Int类型只是编译时的一个壳子，并不会在运行时占用额外的空间。
因此C++的方法其实也可以用于普通非 class 类型，C++到普通成员函数其实也是可以绑定到类型的。 只有纯虚方法是绑定到对象，那就是接口。