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教程 - 使用 Kotlin/Native 开发动态库

最终更新: 2024/03/21

通过本教程, 你将学习如何在既有的原生应用程序或库中使用 Kotlin/Native 代码. 为了这个目的, 你需要将 Kotlin 代码编译为一个动态库, .so, .dylib, 和 .dll.

Kotlin/Native 还与 Apple 技术高度集成. 使用 Kotlin/Native 开发 Apple Framework 教程介绍如何将 Kotlin 代码编译为一个框架, 供 Swift 和 Objective-C 使用.

在本教程中, 你将会:

将 Kotlin 代码编译为一个动态库
检查生成的 C 头文件
在 C 中使用 Kotlin 动态库
在 Linux 和 Mac 以及 Windows 上编译并运行示例程序

创建一个 Kotlin 库

Kotlin/Native 编译器能够从 Kotlin 代码生成一个动态库. 一个动态库通常带有一个头文件, 也就是一个 .h 文件, 你在 C 语言中使用它来调用编译后的代码.

理解这些技术的最好方法就是来试用一下它们. 首先我们创建一个小小的 Kotlin 库, 然后在一个 C 程序中使用它.

首先在 Kotlin 中创建一个库文件, 保存为 hello.kt:

package example

object Object {
  val field = "A"
}

class Clazz {
  fun memberFunction(p: Int): ULong = 42UL
}

fun forIntegers(b: Byte, s: Short, i: UInt, l: Long) { }
fun forFloats(f: Float, d: Double) { }

fun strings(str: String) : String? {
  return "That is '$str' from C"
}

val globalString = "A global String"

尽管可以直接使用命令行, 或者通过脚本文件(比如 .sh 或 .bat 文件), 但这种方法不适合于包含几百个文件和库的大项目. 更好的方法是使用带有构建系统的 Kotlin/Native 编译器, 因为它会帮助你下载并缓存 Kotlin/Native 编译器二进制文件, 传递依赖的库, 并运行编译器和测试. Kotlin/Native 能够通过 kotlin-multiplatform plugin 使用 Gradle 构建系统.

关于如何使用 Gradle 设置 IDE 兼容的项目, 请参见教程一个基本的 Kotlin/Native 应用程序. 如果你想要寻找具体的步骤指南, 来开始一个新的 Kotlin/Native 项目并在 IntelliJ IDEA 中打开它, 请先阅读这篇教程. 在本教程中, 我们关注更高级的 C 交互功能, 包括使用 Kotlin/Native, 以及使用 Gradle 的跨平台构建.

首先, 创建一个项目文件夹. 本教程中的所有路径都是基于这个文件夹的相对路径. 有时在添加任何新文件之前, 会需要创建缺少的目录.

使用以下 build.gradle(.kts) Gradle 构建文件:

plugins {
    kotlin("multiplatform") version "1.9.23"
}

repositories {
    mavenCentral()
}

kotlin {
  linuxX64("native") { // 用于 Linux 环境
  // macosX64("native") { // 用于 x86_64 macOS 环境
  // macosArm64("native") { // 用于 Apple Silicon macOS 环境
  // mingwX64("native") { // 用于 Windows 环境
    binaries {
      sharedLib {
        baseName = "native" // 用于 Linux 和 macOS 环境
        // baseName = "libnative" // 用于 Windows 环境
      }
    }
  }
}

tasks.wrapper {
  gradleVersion = "8.1.1"
  distributionType = Wrapper.DistributionType.ALL
}

plugins {
    id 'org.jetbrains.kotlin.multiplatform' version '1.9.23'
}

repositories {
    mavenCentral()
}

kotlin {
  linuxX64("native") { // 用于 Linux 环境
  // macosX64("native") { // 用于 x86_64 macOS 环境
  // macosArm64("native") { // 用于 Apple Silicon macOS 环境
  // mingwX64("native") { // 用于 Windows 环境
    binaries {
      sharedLib {
        baseName = "native" // 用于 Linux 和 macOS 环境
        // baseName = "libnative" // 用于 Windows 环境
      }
    }
  }
}

wrapper {
  gradleVersion = "8.1.1"
  distributionType = "ALL"
}

将源代码文件移动到项目的 src/nativeMain/kotlin 文件夹中. 这是使用 kotlin-multiplatform plugin 时的默认源代码路径. 使用以下代码块来配置项目, 生成一个动态库或共用库:

binaries {
  sharedLib {
    baseName = "native" // 用于 Linux 和 macOS 环境
    // baseName = "libnative" // 用于 Windows 环境
  }  
}

libnative 用作库名称, 以及生成的头文件名称前缀. 它还是头文件中所有声明的前缀.

现在你可以在 IntelliJ IDEA 中打开项目, 并查看如何修改示例项目. 在这个过程中, 我们会看看 C 函数如何映射为 Kotlin/Native 声明.

可以在 IDE 中运行 linkNative Gradle task 来构建库, 或执行以下控制台命令:

./gradlew linkNative

根据主机的 OS 不同, 构建会在 build/bin/native/debugShared 文件夹下生成以下文件:

macOS: libnative_api.h 和 libnative.dylib
Linux: libnative_api.h 和 libnative.so
Windows: libnative_api.h, libnative_symbols.def 和 libnative.dll

Kotlin/Native 编译器对所有平台生成 .h 文件时, 使用相同的规则.
我们来看看我们的 Kotlin 库的 C API.

生成的头文件

在 libnative_api.h 中, 你将看到以下代码. 我们把代码分成各个部分来讨论, 这样比较容易理解.

Kotlin/Native 导出符号的方式可能会发生变化, 不另行通知.

第一部分包含标准的 C/C++ 代码头部和尾部:

#ifndef KONAN_DEMO_H
#define KONAN_DEMO_H
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

/// 这里是生成的代码的其它部分

#ifdef __cplusplus
}  /* extern "C" */
#endif
#endif  /* KONAN_DEMO_H */

在 libnative_api.h 中, 在上述惯例部分之外, 有一个代码块, 包含共通的类型定义:

#ifdef __cplusplus
typedef bool            libnative_KBoolean;
#else
typedef _Bool           libnative_KBoolean;
#endif
typedef unsigned short     libnative_KChar;
typedef signed char        libnative_KByte;
typedef short              libnative_KShort;
typedef int                libnative_KInt;
typedef long long          libnative_KLong;
typedef unsigned char      libnative_KUByte;
typedef unsigned short     libnative_KUShort;
typedef unsigned int       libnative_KUInt;
typedef unsigned long long libnative_KULong;
typedef float              libnative_KFloat;
typedef double             libnative_KDouble;
typedef void*              libnative_KNativePtr;

在创建的 libnative_api.h 文件中, Kotlin 对所有的声明使用 libnative_ 前缀. 我们把类型的对应关系整理为下面的对应表, 这样更容易阅读:

Kotlin 定义	C 类型
`libnative_KBoolean`	`bool` 或 `_Bool`
`libnative_KChar`	`unsigned short`
`libnative_KByte`	`signed char`
`libnative_KShort`	`short`
`libnative_KInt`	`int`
`libnative_KLong`	`long long`
`libnative_KUByte`	`unsigned char`
`libnative_KUShort`	`unsigned short`
`libnative_KUInt`	`unsigned int`
`libnative_KULong`	`unsigned long long`
`libnative_KFloat`	`float`
`libnative_KDouble`	`double`
`libnative_KNativePtr`	`void*`

定义部分显示 Kotlin 基本类型如何映射为 C 基本类型. 反过来的对应关系请参见映射 C 语言的基本数据类型教程.

libnative_api.h 文件的下一部分包含库中使用的类型的定义:

struct libnative_KType;
typedef struct libnative_KType libnative_KType;

typedef struct {
  libnative_KNativePtr pinned;
} libnative_kref_example_Object;

typedef struct {
  libnative_KNativePtr pinned;
} libnative_kref_example_Clazz;

C 语言中使用 typedef struct { .. } TYPE_NAME 语法来声明一个结构(structure). Stackoverflow 上的这个讨论串对这种模式有更详细的解释.

从这些定义你可以看到, Kotlin 对象 Object 映射为 libnative_kref_example_Object, Clazz 映射为 libnative_kref_example_Clazz. 两个结构都仅仅包含一个指针类型的 pinned 域变量, 域变量类型 libnative_KNativePtr 在上面定义为 void*.

C 中不支持命名空间(namespace), 因此 Kotlin/Native 编译器生成很长的名称, 以免与既有的原生项目中的其它符号发生名称冲突.

定义一个重要的部分也在 libnative_api.h 文件中. 它包含我们的 Kotlin/Native 库的定义:

typedef struct {
  /* 服务函数. */
  void (*DisposeStablePointer)(libnative_KNativePtr ptr);
  void (*DisposeString)(const char* string);
  libnative_KBoolean (*IsInstance)(libnative_KNativePtr ref, const libnative_KType* type);

  /* 使用者函数. */
  struct {
    struct {
      struct {
        void (*forIntegers)(libnative_KByte b, libnative_KShort s, libnative_KUInt i, libnative_KLong l);
        void (*forFloats)(libnative_KFloat f, libnative_KDouble d);
        const char* (*strings)(const char* str);
        const char* (*get_globalString)();
        struct {
          libnative_KType* (*_type)(void);
          libnative_kref_example_Object (*_instance)();
          const char* (*get_field)(libnative_kref_example_Object thiz);
        } Object;
        struct {
          libnative_KType* (*_type)(void);
          libnative_kref_example_Clazz (*Clazz)();
          libnative_KULong (*memberFunction)(libnative_kref_example_Clazz thiz, libnative_KInt p);
        } Clazz;
      } example;
    } root;
  } kotlin;
} libnative_ExportedSymbols;

这段代码使用匿名的结构声明. 代码 struct { .. } foo 在这个匿名结构类型(这个类型没有名称)的外层结构中声明一个域变量.

C 也不支持对象. 人们使用函数指针来模仿对象语义. 函数指针声明为 RETURN_TYPE (* FIELD_NAME)(PARAMETERS). 这样的代码很难阅读, 但在上面的结构中我们可以看到函数指针类型的域变量.

运行时函数

上面的代码含义如下. 你有一个 libnative_ExportedSymbols 结构, 它定义 Kotlin/Native 和我们的库提供的所有函数. 它大量使用嵌套的匿名结构, 来模拟包. libnative_ 前缀来自库的名称.

libnative_ExportedSymbols 结构包含一些帮助函数:

void (*DisposeStablePointer)(libnative_KNativePtr ptr);
void (*DisposeString)(const char* string);
libnative_KBoolean (*IsInstance)(libnative_KNativePtr ref, const libnative_KType* type);

这些函数处理 Kotlin/Native 对象. 调用 DisposeStablePointer 可以释放一个 Kotlin 对象, 调用 DisposeString 可以释放一个 Kotlin 字符串, 字符串在 C 中对应为 char* 类型. 可以使用 IsInstance 函数来检查一个 Kotlin 类型或一个 libnative_KNativePtr 是不是另一个类型的实例. 实际上生成哪些操作, 依赖于具体的使用场景.

Kotlin/Native 有垃圾收集功能, 但它不能帮助我们在 C 语言中处理 Kotlin 对象. Kotlin/Native 拥有与 Objective-C 和 Swift 交互的能力, 并与它们的引用计数集成. 文档与 Objective-C 代码交互中包含这些问题的更多详细信息. 此外还可以参考教程使用 Kotlin/Native 开发 Apple Framework.

你的库函数

我们来看一下 kotlin.root.example 域, 它通过一个 kotlin.root. 前缀来模拟我们 Kotlin 代码的包结构.

有一个 kotlin.root.example.Clazz 域表达 Kotlin 中的 Clazz. 通过 memberFunction 域可以访问 Clazz#memberFunction. 唯一的区别是 memberFunction 的第一个参数接受一个 this 引用. C 语言不支持对象, 所以需要明确的传递一个 this 指针.

在 Clazz 域中存在一个构造器 (也就是 kotlin.root.example.Clazz.Clazz), 它是构造器函数, 用来创建 Clazz 的实例.

Kotlin object Object 可以通过 kotlin.root.example.Object 访问. 有一个 _instance 函数可以得到对象的唯一实例.

属性被翻译为函数. get_ 和 set_ 前缀分别用来命名 getter 和 setter 函数. 比如, Kotlin 中的只读属性 globalString 在 C 中被转换为一个 get_globalString 函数.

全局函数 forInts, forFloats, 或 strings 被转换为 kotlin.root.example 匿名结构中的函数指针.

入口点

你可以看到 API 是如何创建的. 首先, 你需要初始化 libnative_ExportedSymbols 结构. 关于这一点, 我们来看看 libnative_api.h 的最后部分:

extern libnative_ExportedSymbols* libnative_symbols(void);

通过函数 libnative_symbols 你可以打开从原生代码访问 Kotlin/Native 库的道路. 这就是你将要使用的入口点. 库名称被用作函数名称的前缀.

Kotlin/Native 对象引用不支持多线程访问. 可能需要对每个线程分别保存返回的 libnative_ExportedSymbols* 指针.

在 C 中使用生成的头文件

在 C 中的使用非常直接, 并没有任何复杂之处. 创建一个 main.c 文件, 包含以下代码:

#include "libnative_api.h"
#include "stdio.h"

int main(int argc, char** argv) {
  // 获得引用, 用来调用 Kotlin/Native 函数
  libnative_ExportedSymbols* lib = libnative_symbols();

  lib->kotlin.root.example.forIntegers(1, 2, 3, 4);
  lib->kotlin.root.example.forFloats(1.0f, 2.0);

  // 使用 C 和 Kotlin/Native 字符串
  const char* str = "Hello from Native!";
  const char* response = lib->kotlin.root.example.strings(str);
  printf("in: %s\nout:%s\n", str, response);
  lib->DisposeString(response);

  // 创建 Kotlin 对象实例
  libnative_kref_example_Clazz newInstance = lib->kotlin.root.example.Clazz.Clazz();
  long x = lib->kotlin.root.example.Clazz.memberFunction(newInstance, 42);
  lib->DisposeStablePointer(newInstance.pinned);

  printf("DemoClazz returned %ld\n", x);

  return 0;
}

在 Linux 和 macOS 上编译并运行示例程序

在 macOS 10.13 的 Xcode 中, 使用以下命令, 编译 C 代码, 并链接到动态库:

clang main.c libnative.dylib

在 Linux 上可以使用类似的命令:

gcc main.c libnative.so

编译器会生成一个可执行文件, 名为 a.out. 运行它, 看看从 C 库执行 Kotlin 代码实际效果. 在 Linux 上, 你将需要将 . 包含到 LD_LIBRARY_PATH, 使应用程序能够从当前文件夹加载 libnative.so 库.

在 Windows 上编译并运行示例程序

首先, 你需要安装 Microsoft Visual C++ 编译器, 要支持 x64_64 编译目标. 最简单的方法是, 在 Windows 机器上安装一份 Microsoft Visual Studio.

在这个示例中, 你将使用 x64 Native Tools Command Prompt <VERSION> 控制台. 在开始菜单中你会看到打开控制台的快捷方式. 它是随 Microsoft Visual Studio 一起安装的.

在 Windows 上, 要装载动态库, 可以通过生成的静态的库包装器, 或者通过手动代码来装载, 后一种方法使用 LoadLibrary 或类似的 Win32API 函数. 我们使用第一种方法, 为 libnative.dll 生成静态的库包装器, 具体方法如下.

调用工具链中的 lib.exe 来生成静态的库包装器 libnative.lib, 它负责在代码中自动装载 DLL:

lib /def:libnative_symbols.def /out:libnative.lib

现在你可以将我们的 main.c 编译为可执行文件. 在构建命令中包含生成的 libnative.lib, 然后开始编译:

cl.exe main.c libnative.lib

这个命令会输出 main.exe 文件, 这就是你最终可以运行的文件.

下一步做什么?

动态库是从既有程序中使用 Kotlin 代码的主要方式. 使用动态库, 你可以在很多平台和语言上共用你的代码, 包括 JVM, Python, iOS, Android, 等等.

Kotlin/Native 还与 Objective-C 和 Swift 紧密集成. 详情请参见使用 Kotlin/Native 开发 Apple Framework 教程.