1.0.39.9: improvements to the manual
[sbcl.git] / doc / manual / ffi.texinfo
1 @node  Foreign Function Interface
2 @comment  node-name,  next,  previous,  up
3 @chapter Foreign Function Interface
4
5 This chapter describes SBCL's interface to C programs and
6 libraries (and, since C interfaces are a sort of @emph{lingua
7 franca} of the Unix world, to other programs and libraries in
8 general.)
9
10 @quotation
11 Note: In the modern Lisp world, the usual term for this functionality
12 is Foreign Function Interface, or @acronym{FFI}, where despite the
13 mention of ``function'' in this term, @acronym{FFI} also
14 refers to direct manipulation of C data structures as well as
15 functions. The traditional CMUCL terminology is Alien Interface, and
16 while that older terminology is no longer used much in the system
17 documentation, it still reflected in names in the implementation,
18 notably in the name of the @code{SB-ALIEN} package.
19 @end quotation
20
21 @menu
22 * Introduction to the Foreign Function Interface::  
23 * Foreign Types::               
24 * Operations On Foreign Values::  
25 * Foreign Variables::           
26 * Foreign Data Structure Examples::  
27 * Loading Shared Object Files::  
28 * Foreign Function Calls::      
29 * Step-By-Step Example of the Foreign Function Interface::  
30 @end menu
31
32 @node  Introduction to the Foreign Function Interface
33 @comment  node-name,  next,  previous,  up
34 @section Introduction to the Foreign Function Interface
35 @c AKA "Introduction to Aliens" in the CMU CL manual
36
37 Because of Lisp's emphasis on dynamic memory allocation and garbage
38 collection, Lisp implementations use non-C-like memory representations
39 for objects.  This representation mismatch creates friction when a Lisp
40 program must share objects with programs which expect C data.  There
41 are three common approaches to establishing communication:
42
43 @itemize
44 @item
45 The burden can be placed on the foreign program (and programmer) by
46 requiring the knowledge and use of the representations used internally
47 by the Lisp implementation.  This can require a considerable amount of
48 ``glue'' code on the C side, and that code tends to be sensitively
49 dependent on the internal implementation details of the Lisp system.
50
51 @item
52 The Lisp system can automatically convert objects back and forth
53 between the Lisp and foreign representations.  This is convenient, but
54 translation becomes prohibitively slow when large or complex data
55 structures must be shared. This approach is supported by the SBCL
56 @acronym{FFI}, and used automatically by the when passing integers and
57 strings.
58
59 @item
60 The Lisp program can directly manipulate foreign objects through the
61 use of extensions to the Lisp language.
62
63 @end itemize
64
65 SBCL, like CMUCL before it, relies primarily on the automatic
66 conversion and direct manipulation approaches. The @code{SB-ALIEN}
67 package provides a facility wherein foreign values of simple scalar
68 types are automatically converted and complex types are directly
69 manipulated in their foreign representation.  Additionally the
70 lower-level System Area Pointers (or @acronym{SAP}s) can be used where
71 necessary to provide untyped access to foreign memory.
72
73 Any foreign objects that can't automatically be converted into Lisp
74 values are represented by objects of type @code{alien-value}.  Since
75 Lisp is a dynamically typed language, even foreign objects must have a
76 run-time type; this type information is provided by encapsulating the
77 raw pointer to the foreign data within an @code{alien-value} object.
78
79 The type language and operations on foreign types are
80 intentionally similar to those of the C language.
81
82 @node  Foreign Types
83 @comment  node-name,  next,  previous,  up
84 @section Foreign Types
85 @c AKA "Alien Types" in the CMU CL manual
86
87 Alien types have a description language based on nested list
88 structure. For example the C type
89
90 @example
91 struct foo @{
92     int a;
93     struct foo *b[100];
94 @};
95 @end example
96
97 has the corresponding SBCL @acronym{FFI} type
98
99 @lisp
100 (struct foo
101   (a int)
102   (b (array (* (struct foo)) 100)))
103 @end lisp
104
105
106 @menu
107 * Defining Foreign Types::      
108 * Foreign Types and Lisp Types::  
109 * Foreign Type Specifiers::     
110 @end menu
111
112 @node  Defining Foreign Types
113 @comment  node-name,  next,  previous,  up
114 @subsection Defining Foreign Types
115
116 Types may be either named or anonymous.  With structure and union
117 types, the name is part of the type specifier, allowing recursively
118 defined types such as:
119
120 @lisp
121 (struct foo (a (* (struct foo))))
122 @end lisp
123
124 An anonymous structure or union type is specified by using the name
125 @code{nil}.  The @code{with-alien} macro defines a local scope which
126 ``captures'' any named type definitions.  Other types are not
127 inherently named, but can be given named abbreviations using the
128 @code{define-alien-type} macro.
129
130 @node  Foreign Types and Lisp Types
131 @comment  node-name,  next,  previous,  up
132 @subsection Foreign Types and Lisp Types
133
134 The foreign types form a subsystem of the SBCL type system.  An
135 @code{alien} type specifier provides a way to use any foreign type as a
136 Lisp type specifier.  For example,
137
138 @lisp
139 (typep @var{foo} '(alien (* int)))
140 @end lisp
141
142 can be used to determine whether @var{foo} is a pointer to a foreign
143 @code{int}. @code{alien} type specifiers can be used in the same ways
144 as ordinary Lisp type specifiers (like @code{string}.) Alien type
145 declarations are subject to the same precise type checking as any
146 other declaration.  @xref{Precise Type Checking}.
147
148 Note that the type identifiers used in the foreign type system overlap
149 with native Lisp type specifiers in some cases.  For example, the type
150 specifier @code{(alien single-float)} is identical to
151 @code{single-float}, since foreign floats are automatically converted
152 to Lisp floats.  When @code{type-of} is called on an alien value that
153 is not automatically converted to a Lisp value, then it will return an
154 @code{alien} type specifier.
155
156 @node  Foreign Type Specifiers
157 @comment  node-name,  next,  previous,  up
158 @subsection Foreign Type Specifiers
159
160 Note: All foreign type names are exported from the @code{sb-alien}
161 package. Some foreign type names are also symbols in
162 the @code{common-lisp} package, in which case they are
163 reexported from the @code{sb-alien} package, so that
164 e.g. it is legal to refer to @code{sb-alien:single-float}.
165
166 These are the basic foreign type specifiers: 
167
168 @itemize
169 @item
170 The foreign type specifier @code{(* @var{foo})} describes a pointer to
171 an object of type @var{foo}.  A pointed-to type @var{foo} of @code{t}
172 indicates a pointer to anything, similar to @code{void *} in
173 ANSI C. A null alien pointer can be detected with the
174 @code{sb-alien:null-alien} function.
175
176 @item
177 The foreign type specifier @code{(array @var{foo} &rest
178 dimensions)} describes array of the specified @code{dimensions},
179 holding elements of type @var{foo}. Note that (unlike in C) @code{(*
180 @var{foo})} and @code{(array @var{foo})} are considered to be
181 different types when type checking is done. If equivalence of pointer
182 and array types is desired, it may be explicitly coerced using
183 @code{sb-alien:cast}.
184
185 Arrays are accessed using @code{sb-alien:deref}, passing the indices
186 as additional arguments.  Elements are stored in column-major order
187 (as in C), so the first dimension determines only the size of the
188 memory block, and not the layout of the higher dimensions.  An array
189 whose first dimension is variable may be specified by using @code{nil}
190 as the first dimension.  Fixed-size arrays can be allocated as array
191 elements, structure slots or @code{sb-alien:with-alien}
192 variables. Dynamic arrays can only be allocated using
193 @code{sb-alien:make-alien}.
194
195 @item
196 The foreign type specifier @code{(sb-alien:struct @var{name} &rest
197 @var{fields})} describes a structure type with the specified
198 @var{name} and @var{fields}. Fields are allocated at the same offsets
199 used by the implementation's C compiler, as guessed by the SBCL
200 internals. An optional @code{:alignment} keyword argument can be
201 specified for each field to explicitly control the alignment of a
202 field. If @var{name} is @code{nil} then the structure is anonymous.
203
204 If a named foreign @code{struct} specifier is passed to
205 @code{define-alien-type} or @code{with-alien}, then this defines,
206 respectively, a new global or local foreign structure type.  If no
207 @var{fields} are specified, then the fields are taken
208 from the current (local or global) alien structure type definition of
209 @var{name}.
210
211 @item
212 The foreign type specifier @code{(sb-alien:union @var{name} &rest
213 @var{fields})} is similar to @code{sb-alien:struct}, but describes a
214 union type.  All fields are allocated at the same offset, and the size
215 of the union is the size of the largest field.  The programmer must
216 determine which field is active from context.
217
218 @item
219 The foreign type specifier @code{(sb-alien:enum @var{name} &rest
220 @var{specs})} describes an enumeration type that maps between integer
221 values and symbols. If @var{name} is @code{nil}, then the type is
222 anonymous.  Each element of the @var{specs} list is either a Lisp
223 symbol, or a list @code{(@var{symbol} @var{value})}.  @var{value} is
224 an integer. If @var{value} is not supplied, then it defaults to one
225 greater than the value for the preceding spec (or to zero if it is the
226 first spec).
227
228 @item
229 The foreign type specifier @code{(sb-alien:signed &optional
230 @var{bits})} specifies a signed integer with the specified number of
231 @var{bits} precision. The upper limit on integer
232 precision is determined by the machine's word size. If
233 @var{bits} is not specified, the maximum size will be
234 used.
235
236 @item
237 The foreign type specifier @code{(integer &optional @var{bits})}
238 is equivalent to the corresponding type specifier using
239 @code{sb-alien:signed} instead of @code{integer}.
240
241 @item
242 The foreign type specifier @code{(sb-alien:unsigned &optional
243 @var{bits})} is like corresponding type specifier using
244 @code{sb-alien:signed} except that the variable is treated as an
245 unsigned integer.
246
247 @item
248 The foreign type specifier @code{(boolean &optional @var{bits})} is
249 similar to an enumeration type, but maps from Lisp @code{nil} and
250 @code{t} to C @code{0} and @code{1} respectively. @var{bits}
251 determines the amount of storage allocated to hold the truth value.
252
253 @item
254 The foreign type specifier @code{single-float} describes a
255 floating-point number in IEEE single-precision format.
256
257 @item
258 The foreign type specifier @code{double-float} describes a
259 floating-point number in IEEE double-precision format.
260
261 @item
262 The foreign type specifier @code{(function @var{result-type} &rest
263 @var{arg-types})} describes a foreign function that takes arguments of
264 the specified @var{arg-types} and returns a result of type
265 @var{result-type}.  Note that the only context where a foreign
266 @code{function} type is directly specified is in the argument to
267 @code{sb-alien:alien-funcall}.  In all other contexts, foreign
268 functions are represented by foreign function pointer types: @code{(*
269 (function @dots{}))}.
270
271 @item
272 The foreign type specifier @code{sb-alien:system-area-pointer}
273 describes a pointer which is represented in Lisp as a
274 @code{system-area-pointer} object.  SBCL exports this type from
275 @code{sb-alien} because CMUCL did, but tentatively (as of the first
276 draft of this section of the manual, SBCL 0.7.6) it is deprecated,
277 since it doesn't seem to be required by user code.
278
279 @item
280 The foreign type specifier @code{sb-alien:void} is used in function
281 types to declare that no useful value is returned.  Using
282 @code{alien-funcall} to call a @code{void} foreign function will
283 return zero values.
284
285 @item
286 @cindex External formats
287 The foreign type specifier @code{(sb-alien:c-string &key external-format
288 element-type)} is similar to @code{(* char)}, but is interpreted as a
289 null-terminated string, and is automatically converted into a Lisp
290 string when accessed; or if the pointer is C @code{NULL} or @code{0},
291 then accessing it gives Lisp @code{nil}.
292
293 External format conversion is automatically done when Lisp strings are
294 passed to foreign code, or when foreign strings are passed to Lisp code.
295 If the type specifier has an explicit @code{external-format}, that
296 external format will be used. Otherwise a default external format that
297 has been determined at SBCL startup time based on the current locale
298 settings will be used. For example, when the following alien routine is
299 called, the Lisp string given as argument is converted to an
300 @code{ebcdic} octet representation.
301
302 @lisp
303 (define-alien-routine test int (str (c-string :external-format :ebcdic-us)))
304 @end lisp
305
306 Lisp strings of type @code{base-string} are stored with a trailing NUL
307 termination, so no copying (either by the user or the implementation) is
308 necessary when passing them to foreign code, assuming that the
309 @code{external-format} and @code{element-type} of the @code{c-string}
310 type are compatible with the internal representation of the string. For
311 an SBCL built with Unicode support that means an @code{external-format}
312 of @code{:ascii} and an @code{element-type} of @code{base-char}. Without
313 Unicode support the @code{external-format} can also be
314 @code{:iso-8859-1}, and the @code{element-type} can also be
315 @code{character}. If the @code{external-format} or @code{element-type}
316 is not compatible, or the string is a @code{(simple-array character
317 (*))}, this data is copied by the implementation as required.
318
319 Assigning a Lisp string to a @code{c-string} structure field or
320 variable stores the contents of the string to the memory already
321 pointed to by that variable.  When a foreign object of type @code{(*
322 char)} is assigned to a @code{c-string}, then the
323 @code{c-string} pointer is assigned to.  This allows
324 @code{c-string} pointers to be initialized.  For example:
325
326 @lisp
327 (cl:in-package "CL-USER") ; which USEs package "SB-ALIEN"
328
329 (define-alien-type nil (struct foo (str c-string)))
330
331 (defun make-foo (str)
332   (let ((my-foo (make-alien (struct foo))))
333     (setf (slot my-foo 'str) (make-alien char (length str))
334           (slot my-foo 'str) str)
335     my-foo))
336 @end lisp
337
338 Storing Lisp @code{NIL} in a @code{c-string} writes C @code{NULL} to
339 the variable.
340
341 @item
342 @code{sb-alien} also exports translations of these C type
343 specifiers as foreign type specifiers: @code{sb-alien:char},
344 @code{sb-alien:short}, @code{sb-alien:int},
345 @code{sb-alien:long}, @code{sb-alien:unsigned-char},
346 @code{sb-alien:unsigned-short},
347 @code{sb-alien:unsigned-int},
348 @code{sb-alien:unsigned-long}, @code{sb-alien:float}, and
349 @code{sb-alien:double}.
350
351 @end itemize
352
353 @node  Operations On Foreign Values
354 @comment  node-name,  next,  previous,  up
355 @section Operations On Foreign Values
356 @c AKA "Alien Operations" in the CMU CL manual
357
358 This section describes how to read foreign values as Lisp values, how
359 to coerce foreign values to different kinds of foreign values, and how
360 to dynamically allocate and free foreign variables.
361
362 @menu
363 * Accessing Foreign Values::    
364 * Coercing Foreign Values::     
365 * Foreign Dynamic Allocation::  
366 @end menu
367
368 @node  Accessing Foreign Values
369 @comment  node-name,  next,  previous,  up
370 @subsection Accessing Foreign Values
371
372 @defun @sbalien{deref} @var{pointer-or-array} &rest @var{indices}
373
374 The @code{sb-alien:deref} function returns the value pointed to by a
375 foreign pointer, or the value of a foreign array element. When
376 dereferencing a pointer, an optional single index can be specified to
377 give the equivalent of C pointer arithmetic; this index is scaled by
378 the size of the type pointed to. When dereferencing an array, the
379 number of indices must be the same as the number of dimensions in the
380 array type. @code{deref} can be set with @code{setf} to assign a new
381 value.
382 @end defun
383
384 @defun @sbalien{slot} @var{struct-or-union} @var{slot-name}
385
386 The @code{sb-alien:slot} function extracts the value of the slot named
387 @var{slot-name} from a foreign @code{struct} or @code{union}. If
388 @var{struct-or-union} is a pointer to a structure or union, then it is
389 automatically dereferenced.  @code{sb-alien:slot} can be set with
390 @code{setf} to assign a new value. Note that @var{slot-name} is
391 evaluated, and need not be a compile-time constant (but only constant
392 slot accesses are efficiently compiled).
393 @end defun
394
395
396 @subsubsection Untyped memory
397
398 As noted at the beginning of the chapter, the System Area Pointer
399 facilities allow untyped access to foreign memory.  @acronym{SAP}s can
400 be converted to and from the usual typed foreign values using
401 @code{sap-alien} and @code{alien-sap} (described elsewhere), and also
402 to and from integers - raw machine addresses.  They should thus be
403 used with caution; corrupting the Lisp heap or other memory with
404 @acronym{SAP}s is trivial.
405
406 @defun @sbsys{int-sap} @var{machine-address}
407
408 Creates a @acronym{SAP} pointing at the virtual address
409 @var{machine-address}.
410 @end defun
411
412 @defun @sbsys{sap-ref-32} @var{sap} @var{offset}
413
414 Access the value of the memory location at @var{offset} bytes from
415 @var{sap}.  This form may also be used with @code{setf} to alter the
416 memory at that location.
417 @end defun
418
419 @defun @sbsys{sap=} @var{sap1} @var{sap2}
420
421 Compare @var{sap1} and @var{sap2} for equality.
422 @end defun
423
424 Similarly named functions exist for accessing other sizes of word,
425 other comparisons, and other conversions.  The reader is invited to
426 use @code{apropos} and @code{describe} for more details
427
428 @lisp
429 (apropos "sap" :sb-sys)
430 @end lisp
431
432
433 @node  Coercing Foreign Values
434 @comment  node-name,  next,  previous,  up
435 @subsection Coercing Foreign Values
436
437 @defmac @sbalien{addr} @var{alien-expr}
438
439 The @code{sb-alien:addr} macro returns a pointer to the location
440 specified by @var{alien-expr}, which must be either a foreign
441 variable, a use of @code{sb-alien:deref}, a use of
442 @code{sb-alien:slot}, or a use of @code{sb-alien:extern-alien}.
443 @end defmac
444
445 @defmac @sbalien{cast} @var{foreign-value} @var{new-type}
446
447 The @code{sb-alien:cast} macro converts @var{foreign-value} to a new
448 foreign value with the specified @var{new-type}. Both types, old and
449 new, must be foreign pointer, array or function types.  Note that the
450 resulting Lisp foreign variable object is not @code{eq} to the
451 argument, but it does refer to the same foreign data bits.
452 @end defmac
453
454 @defmac @sbalien{sap-alien} @var{sap} @var{type}
455
456 The @code{sb-alien:sap-alien} macro converts @var{sap} (a system
457 area pointer) to a foreign value with the specified
458 @var{type}. @var{type} is not evaluated.
459
460 The @var{type} must be some foreign pointer, array, or record type.
461 @end defmac
462
463 @defun @sbalien{alien-sap} @var{foreign-value}
464
465 The @code{sb-alien:alien-sap} function returns the @acronym{SAP} which
466 points to @var{alien-value}'s data.
467
468 The @var{foreign-value} must be of some foreign pointer, array, or
469 record type.
470 @end defun
471
472
473 @node  Foreign Dynamic Allocation
474 @comment  node-name,  next,  previous,  up
475 @subsection Foreign Dynamic Allocation
476
477 Lisp code can call the C standard library functions @code{malloc} and
478 @code{free} to dynamically allocate and deallocate foreign
479 variables. The Lisp code shares the same allocator with foreign C
480 code, so it's OK for foreign code to call @code{free} on the result of
481 Lisp @code{sb-alien:make-alien}, or for Lisp code to call
482 @code{sb-alien:free-alien} on foreign objects allocated by C
483 code.
484
485 @defmac @sbalien{make-alien} @var{type} @var{size}
486
487 The @code{sb-alien:make-alien} macro
488 returns a dynamically allocated foreign value of the specified
489 @var{type} (which is not evaluated.)  The allocated memory is not
490 initialized, and may contain arbitrary junk.  If supplied,
491 @var{size} is an expression to evaluate to compute the size of the
492 allocated object.  There are two major cases:
493
494 @itemize
495 @item
496 When @var{type} is a foreign array type, an array of that type is
497 allocated and a pointer to it is returned.  Note that you must use
498 @code{deref} to change the result to an array before you can use
499 @code{deref} to read or write elements:
500
501 @lisp
502 (cl:in-package "CL-USER") ; which USEs package "SB-ALIEN"
503 (defvar *foo* (make-alien (array char 10)))
504 (type-of *foo*) @result{} (alien (* (array (signed 8) 10)))
505 (setf (deref (deref foo) 0) 10) @result{} 10
506 @end lisp
507
508 If supplied, @var{size} is used as the first dimension for the
509     array.
510
511 @item
512 When @var{type} is any other foreign type, then an object for that
513 type is allocated, and a pointer to it is returned.  So
514 @code{(make-alien int)} returns a @code{(* int)}.  If @var{size} is
515 specified, then a block of that many objects is allocated, with the
516 result pointing to the first one.
517
518 @end itemize
519
520 @end defmac
521
522 @defun @sbalien{free-alien} @var{foreign-value}
523
524 The @code{sb-alien:free-alien} macro
525 frees the storage for @var{foreign-value}, 
526 which must have been allocated with Lisp @code{make-alien}
527 or C @code{malloc}.
528
529 See also the @code{sb-alien:with-alien} macro, which allocates foreign
530 values on the stack.
531 @end defun
532
533 @node  Foreign Variables
534 @comment  node-name,  next,  previous,  up
535 @section Foreign Variables
536 @c AKA "Alien Variables" in the CMU CL manual
537
538 Both local (stack allocated) and external (C global) foreign variables
539 are supported.
540
541 @menu
542 * Local Foreign Variables::     
543 * External Foreign Variables::  
544 @end menu
545
546 @node  Local Foreign Variables
547 @comment  node-name,  next,  previous,  up
548 @subsection Local Foreign Variables
549
550 @defmac @sbalien{with-alien} @var{var-definitions} &body @var{body}
551
552 The @code{with-alien} macro establishes local foreign variables with
553 the specified alien types and names.  This form is analogous to
554 defining a local variable in C: additional storage is allocated, and
555 the initial value is copied.  This form is less analogous to
556 @code{LET}-allocated Lisp variables, since the variables can't be
557 captured in closures: they live only for the dynamic extent of the
558 body, and referring to them outside is a gruesome error.
559
560 The @var{var-definitions} argument is a list of 
561 variable definitions, each of the form
562 @lisp
563 (@var{name} @var{type} &optional @var{initial-value})
564 @end lisp
565
566 The names of the variables are established as symbol-macros; the
567 bindings have lexical scope, and may be assigned with @code{setq} or
568 @code{setf}.
569  
570 The @code{with-alien} macro also establishes a new scope for named
571 structures and unions.  Any @var{type} specified for a variable may
572 contain named structure or union types with the slots specified.
573 Within the lexical scope of the binding specifiers and body, a locally
574 defined foreign structure type @var{foo} can be referenced by its name
575 using @code{(struct @var{foo})}.
576 @end defmac
577
578 @node  External Foreign Variables
579 @comment  node-name,  next,  previous,  up
580 @subsection External Foreign Variables
581
582 External foreign names are strings, and Lisp names are symbols. When
583 an external foreign value is represented using a Lisp variable, there
584 must be a way to convert from one name syntax into the other. The
585 macros @code{extern-alien}, @code{define-alien-variable} and
586 @code{define-alien-routine} use this conversion heuristic:
587
588 @itemize
589
590 @item
591 Alien names are converted to Lisp names by uppercasing and replacing
592 underscores with hyphens.
593
594 @item
595 Conversely, Lisp names are converted to alien names by lowercasing and
596 replacing hyphens with underscores.
597
598 @item
599 Both the Lisp symbol and alien string names may be separately
600 specified by using a list of the form
601
602 @lisp
603 (alien-string lisp-symbol)
604 @end lisp
605
606 @end itemize
607
608 @defmac @sbalien{define-alien-variable} @var{name} @var{type}
609
610 The @code{define-alien-variable} macro defines @var{name} as an
611 external foreign variable of the specified foreign @code{type}.
612 @var{name} and @code{type} are not evaluated.  The Lisp name of the
613 variable (see above) becomes a global alien variable.  Global alien
614 variables are effectively ``global symbol macros''; a reference to the
615 variable fetches the contents of the external variable.  Similarly,
616 setting the variable stores new contents -- the new contents must be
617 of the declared @code{type}. Someday, they may well be implemented
618 using the @acronym{ANSI} @code{define-symbol-macro} mechanism, but as
619 of SBCL 0.7.5, they are still implemented using an older more-or-less
620 parallel mechanism inherited from CMUCL.
621   
622 For example, to access a C-level counter @var{foo}, one could write
623
624 @lisp
625 (define-alien-variable "foo" int)
626 ;; Now it is possible to get the value of the C variable foo simply by
627 ;; referencing that Lisp variable:
628 (print foo)
629 (setf foo 14)
630 (incf foo)
631 @end lisp
632 @end defmac
633
634 @defun @sbalien{get-errno}
635
636 Since in modern C libraries, the @code{errno} ``variable'' is typically
637 no longer a variable, but some bizarre artificial construct
638 which behaves superficially like a variable within a given thread,
639 it can no longer reliably be accessed through the ordinary 
640 @code{define-alien-variable} mechanism. Instead, SBCL provides
641 the operator @code{sb-alien:get-errno} to allow Lisp code to read it.
642 @end defun
643
644 @defmac @sbalien{extern-alien} @var{name} @var{type}
645
646 The @code{extern-alien} macro returns an alien with the specified
647 @var{type} which points to an externally defined value.  @var{name} is
648 not evaluated, and may be either a string or a symbol.  @var{type} is
649 an unevaluated alien type specifier.
650 @end defmac
651
652 @node  Foreign Data Structure Examples
653 @comment  node-name,  next,  previous,  up
654 @section Foreign Data Structure Examples
655 @c AKA "Alien Data Structure Example" in the CMU CL manual
656
657 Now that we have alien types, operations and variables, we can
658 manipulate foreign data structures.  This C declaration
659
660 @example
661 struct foo @{
662     int a;
663     struct foo *b[100];
664 @};
665 @end example
666
667 can be translated into the following alien type:
668
669 @lisp
670 (define-alien-type nil
671   (struct foo
672     (a int)
673     (b (array (* (struct foo)) 100))))
674 @end lisp
675
676 Once the @code{foo} alien type has been defined as above, the C
677 expression
678
679 @example
680 struct foo f;
681 f.b[7].a;
682 @end example
683
684 can be translated in this way:
685
686 @lisp
687 (with-alien ((f (struct foo)))
688   (slot (deref (slot f 'b) 7) 'a)
689   ;;
690   ;; Do something with f...
691   )
692 @end lisp
693
694 Or consider this example of an external C variable and some accesses:
695
696 @example
697 struct c_struct @{
698         short x, y;
699         char a, b;
700         int z;
701         c_struct *n;
702 @};
703 extern struct c_struct *my_struct;
704 my_struct->x++;
705 my_struct->a = 5;
706 my_struct = my_struct->n;
707 @end example
708
709 which can be manipulated in Lisp like this:
710
711 @lisp
712 (define-alien-type nil
713   (struct c-struct
714           (x short)
715           (y short)
716           (a char)
717           (b char)
718           (z int)
719           (n (* c-struct))))
720 (define-alien-variable "my_struct" (* c-struct))
721 (incf (slot my-struct 'x))
722 (setf (slot my-struct 'a) 5)
723 (setq my-struct (slot my-struct 'n))
724 @end lisp
725
726 @node  Loading Shared Object Files
727 @comment  node-name,  next,  previous,  up
728 @section Loading Shared Object Files
729
730 Foreign object files can be loaded into the running Lisp process by
731 calling @code{load-shared-object}.
732
733 @include fun-sb-alien-load-shared-object.texinfo
734
735 @include fun-sb-alien-unload-shared-object.texinfo
736
737 @node  Foreign Function Calls
738 @comment  node-name,  next,  previous,  up
739 @section Foreign Function Calls
740
741 The foreign function call interface allows a Lisp program to call
742 many functions written in languages that use the C calling convention.
743
744 Lisp sets up various signal handling routines and other environment
745 information when it first starts up, and expects these to be in place
746 at all times. The C functions called by Lisp should not change the
747 environment, especially the signal handlers: the signal handlers
748 installed by Lisp typically have interesting flags set (e.g to request
749 machine context information, or for signal delivery on an alternate
750 stack) which the Lisp runtime relies on for correct operation.
751 Precise details of how this works may change without notice between
752 versions; the source, or the brain of a friendly SBCL developer, is
753 the only documentation.  Users of a Lisp built with the
754 @code{:sb-thread} feature should also read the section about threads,
755 @ref{Threading}.
756
757 @menu
758 * The alien-funcall Primitive::  
759 * The define-alien-routine Macro::  
760 * define-alien-routine Example::  
761 * Calling Lisp From C::         
762 @end menu
763
764 @node  The alien-funcall Primitive
765 @comment  node-name,  next,  previous,  up
766 @subsection The @code{alien-funcall} Primitive
767
768 @defun @sbalien{alien-funcall} @var{alien-function} &rest @var{arguments}
769
770 The @code{alien-funcall} function is the foreign function call
771 primitive: @var{alien-function} is called with the supplied
772 @var{arguments} and its C return value is returned as a Lisp value.
773 The @var{alien-function} is an arbitrary run-time expression; to refer
774 to a constant function, use @code{extern-alien} or a value defined by
775 @code{define-alien-routine}.
776   
777 The type of @code{alien-function} must be @code{(alien (function
778 ...))}  or @code{(alien (* (function ...)))}.  The function type is
779 used to determine how to call the function (as though it was declared
780 with a prototype.)  The type need not be known at compile time, but
781 only known-type calls are efficiently compiled.  Limitations:
782
783 @itemize
784
785 @item
786 Structure type return values are not implemented.
787
788 @item
789 Passing of structures by value is not implemented.
790
791 @end itemize
792
793 @end defun
794
795 Here is an example which allocates a @code{(struct foo)}, calls a
796 foreign function to initialize it, then returns a Lisp vector of all
797 the @code{(* (struct foo))} objects filled in by the foreign call:
798
799 @lisp
800 ;; Allocate a foo on the stack.
801 (with-alien ((f (struct foo)))
802   ;; Call some C function to fill in foo fields.
803   (alien-funcall (extern-alien "mangle_foo" (function void (* foo)))
804                  (addr f))
805   ;; Find how many foos to use by getting the A field.
806   (let* ((num (slot f 'a))
807          (result (make-array num)))
808     ;; Get a pointer to the array so that we don't have to keep extracting it:
809     (with-alien ((a (* (array (* (struct foo)) 100)) (addr (slot f 'b))))
810       ;; Loop over the first N elements and stash them in the result vector.
811       (dotimes (i num)
812         (setf (svref result i) (deref (deref a) i)))
813       ;; Voila.
814       result)))
815 @end lisp
816
817 @node  The define-alien-routine Macro
818 @comment  node-name,  next,  previous,  up
819 @subsection The @code{define-alien-routine} Macro
820
821 @defmac @sbalien{define-alien-routine} @var{name} @var{result-type} &rest @var{arg-specifiers}
822
823 The @code{define-alien-routine} macro is a convenience for
824 automatically generating Lisp interfaces to simple foreign functions.
825 The primary feature is the parameter style specification, which
826 translates the C pass-by-reference idiom into additional return
827 values.
828
829 @var{name} is usually a string external symbol, but may also be a
830 symbol Lisp name or a list of the foreign name and the Lisp name.  If
831 only one name is specified, the other is automatically derived as for
832 @code{extern-alien}.  @var{result-type} is the alien type of the
833 return value.
834
835 Each element of the @var{arg-specifiers} list 
836 specifies an argument to the foreign function, and is
837 of the form
838 @lisp
839 (aname atype &optional style)
840 @end lisp
841
842 @var{aname} is the symbol name of the argument to the constructed
843 function (for documentation). @var{atype} is the alien type of
844 corresponding foreign argument.  The semantics of the actual call are
845 the same as for @code{alien-funcall}. @var{style} specifies how this
846 argument should be handled at call and return time, and should be one
847 of the following:
848
849 @itemize
850
851 @item
852 @code{:in} specifies that the argument is passed by value. This is the
853 default. @code{:in} arguments have no corresponding return value from
854 the Lisp function.
855
856 @item
857 @code{:copy} is similar to @code{:in}, but the argument is copied to a
858 pre-allocated object and a pointer to this object is passed to the
859 foreign routine.
860
861 @item
862 @code{:out} specifies a pass-by-reference output value.  The type of
863 the argument must be a pointer to a fixed-sized object (such as an
864 integer or pointer).  @code{:out} and @code{:in-out} style cannot be
865 used with pointers to arrays, records or functions.  An object of the
866 correct size is allocated on the stack, and its address is passed to
867 the foreign function.  When the function returns, the contents of this
868 location are returned as one of the values of the Lisp function (and
869 the location is automatically deallocated).
870
871 @item
872 @code{:in-out} is a combination of @code{:copy} and @code{:out}.  The
873 argument is copied to a pre-allocated object and a pointer to this
874 object is passed to the foreign routine.  On return, the contents of
875 this location is returned as an additional value.
876
877 @end itemize
878
879 @quotation
880 Note: Any efficiency-critical foreign interface function should be inline
881 expanded, which can be done by preceding the
882 @code{define-alien-routine} call with:
883
884 @lisp
885 (declaim (inline lisp-name))
886 @end lisp
887
888 In addition to avoiding the Lisp call overhead, this allows
889 pointers, word-integers and floats to be passed using non-descriptor
890 representations, avoiding consing.)
891 @end quotation
892
893 @end defmac
894
895 @node  define-alien-routine Example
896 @comment  node-name,  next,  previous,  up
897 @subsection @code{define-alien-routine} Example
898
899 Consider the C function @code{cfoo} with the following calling
900 convention:
901
902 @example
903 void
904 cfoo (str, a, i)
905     char *str;
906     char *a; /* update */
907     int *i; /* out */
908 @{
909   /* body of cfoo(...) */
910 @}
911 @end example
912
913 This can be described by the following call to
914 @code{define-alien-routine}:
915
916 @lisp
917 (define-alien-routine "cfoo" void
918   (str c-string)
919   (a char :in-out)
920   (i int :out))
921 @end lisp
922
923 The Lisp function @code{cfoo} will have two arguments (@var{str} and
924 @var{a}) and two return values (@var{a} and @var{i}).
925
926 @node  Calling Lisp From C
927 @comment  node-name,  next,  previous,  up
928 @subsection Calling Lisp From C
929
930 Calling Lisp functions from C is sometimes possible, but is extremely
931 hackish and poorly supported as of SBCL 0.7.5.  See @code{funcall0}
932 @dots{} @code{funcall3} in the runtime system. The arguments must be
933 valid SBCL object descriptors (so that e.g. fixnums must be
934 left-shifted by 2.) As of SBCL 0.7.5, the format of object descriptors
935 is documented only by the source code and, in parts, by the old CMUCL
936 @file{INTERNALS} documentation.
937
938 Note that the garbage collector moves objects, and won't be
939 able to fix up any references in C variables.  There are three
940 mechanisms for coping with this: 
941
942 @enumerate
943 @item
944 The @code{sb-ext:purify} moves all live Lisp
945 data into static or read-only areas such that it will never be moved
946 (or freed) again in the life of the Lisp session
947
948 @item
949 @code{sb-sys:with-pinned-objects} is a macro which arranges for some
950 set of objects to be pinned in memory for the dynamic extent of its
951 body forms.  On ports which use the generational garbage collector (as
952 of SBCL 0.8.3, only the x86) this has a page granularity - i.e. the
953 entire 4k page or pages containing the objects will be locked down. On
954 other ports it is implemented by turning off GC for the duration (so
955 could be said to have a whole-world granularity).
956
957 @item
958 Disable GC, using the @code{without-gcing} macro.
959 @end enumerate
960
961 @c <!-- FIXME: This is a "changebar" section from the CMU CL manual.
962 @c      I (WHN 2002-07-14) am not very familiar with this content, so 
963 @c      I'm not immediately prepared to try to update it for SBCL, and
964 @c      I'm not feeling masochistic enough to work to encourage this
965 @c      kind of low-level hack anyway. However, I acknowledge that callbacks
966 @c      are sometimes really really necessary, so I include the original
967 @c      text in case someone is hard-core enough to benefit from it. If
968 @c      anyone brings the information up to date for SBCL, it belong
969 @c      either in the main manual or on a CLiki SBCL Internals page.
970 @c LaTeX \subsection{Accessing Lisp Arrays}
971 @c LaTeX 
972 @c LaTeX Due to the way \cmucl{} manages memory, the amount of memory that can
973 @c LaTeX be dynamically allocated by \code{malloc} or \funref{make-alien} is
974 @c LaTeX limited\footnote{\cmucl{} mmaps a large piece of memory for it's own
975 @c LaTeX   use and this memory is typically about 8 MB above the start of the C
976 @c LaTeX   heap.  Thus, only about 8 MB of memory can be dynamically
977 @c LaTeX   allocated.}.
978
979 @c Empirically determined to be considerably >8Mb on this x86 linux
980 @c machine, but I don't know what the actual values are - dan 2003.09.01
981
982 @c Note that this technique is used in SB-GROVEL in the SBCL contrib
983
984 @c LaTeX 
985 @c LaTeX To overcome this limitation, it is possible to access the content of
986 @c LaTeX Lisp arrays which are limited only by the amount of physical memory
987 @c LaTeX and swap space available.  However, this technique is only useful if
988 @c LaTeX the foreign function takes pointers to memory instead of allocating
989 @c LaTeX memory for itself.  In latter case, you will have to modify the
990 @c LaTeX foreign functions.
991 @c LaTeX 
992 @c LaTeX This technique takes advantage of the fact that \cmucl{} has
993 @c LaTeX specialized array types (\pxlref{specialized-array-types}) that match
994 @c LaTeX a typical C array.  For example, a \code{(simple-array double-float
995 @c LaTeX   (100))} is stored in memory in essentially the same way as the C
996 @c LaTeX array \code{double x[100]} would be.  The following function allows us
997 @c LaTeX to get the physical address of such a Lisp array:
998 @c LaTeX \begin{example}
999 @c LaTeX (defun array-data-address (array)
1000 @c LaTeX   "Return the physical address of where the actual data of an array is
1001 @c LaTeX stored.
1002 @c LaTeX 
1003 @c LaTeX ARRAY must be a specialized array type in CMU Lisp.  This means ARRAY
1004 @c LaTeX must be an array of one of the following types:
1005 @c LaTeX 
1006 @c LaTeX                   double-float
1007 @c LaTeX                   single-float
1008 @c LaTeX                   (unsigned-byte 32)
1009 @c LaTeX                   (unsigned-byte 16)
1010 @c LaTeX                   (unsigned-byte  8)
1011 @c LaTeX                   (signed-byte 32)
1012 @c LaTeX                   (signed-byte 16)
1013 @c LaTeX                   (signed-byte  8)
1014 @c LaTeX "
1015 @c LaTeX   (declare (type (or #+signed-array (array (signed-byte 8))
1016 @c LaTeX                      #+signed-array (array (signed-byte 16))
1017 @c LaTeX                      #+signed-array (array (signed-byte 32))
1018 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 8))
1019 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 16))
1020 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 32))
1021 @c LaTeX                      (array single-float)
1022 @c LaTeX                      (array double-float))
1023 @c LaTeX                  array)
1024 @c LaTeX            (optimize (speed 3) (safety 0))
1025 @c LaTeX            (ext:optimize-interface (safety 3)))
1026 @c LaTeX   ;; with-array-data will get us to the actual data.  However, because
1027 @c LaTeX   ;; the array could have been displaced, we need to know where the
1028 @c LaTeX   ;; data starts.
1029 @c LaTeX   (lisp::with-array-data ((data array)
1030 @c LaTeX                           (start)
1031 @c LaTeX                           (end))
1032 @c LaTeX     (declare (ignore end))
1033 @c LaTeX     ;; DATA is a specialized simple-array.  Memory is laid out like this:
1034 @c LaTeX     ;;
1035 @c LaTeX     ;;   byte offset    Value
1036 @c LaTeX     ;;        0         type code (should be 70 for double-float vector)
1037 @c LaTeX     ;;        4         4 * number of elements in vector
1038 @c LaTeX     ;;        8         1st element of vector
1039 @c LaTeX     ;;      ...         ...
1040 @c LaTeX     ;;
1041 @c LaTeX     (let ((addr (+ 8 (logandc1 7 (kernel:get-lisp-obj-address data))))
1042 @c LaTeX           (type-size (let ((type (array-element-type data)))
1043 @c LaTeX                        (cond ((or (equal type '(signed-byte 8))
1044 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 8)))
1045 @c LaTeX                               1)
1046 @c LaTeX                              ((or (equal type '(signed-byte 16))
1047 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 16)))
1048 @c LaTeX                               2)
1049 @c LaTeX                              ((or (equal type '(signed-byte 32))
1050 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 32)))
1051 @c LaTeX                               4)
1052 @c LaTeX                              ((equal type 'single-float)
1053 @c LaTeX                               4)
1054 @c LaTeX                              ((equal type 'double-float)
1055 @c LaTeX                               8)
1056 @c LaTeX                              (t
1057 @c LaTeX                               (error "Unknown specialized array element type"))))))
1058 @c LaTeX       (declare (type (unsigned-byte 32) addr)
1059 @c LaTeX                (optimize (speed 3) (safety 0) (ext:inhibit-warnings 3)))
1060 @c LaTeX       (system:int-sap (the (unsigned-byte 32)
1061 @c LaTeX                         (+ addr (* type-size start)))))))
1062 @c LaTeX \end{example}
1063 @c LaTeX 
1064 @c LaTeX Assume we have the C function below that we wish to use:
1065 @c LaTeX \begin{example}
1066 @c LaTeX   double dotprod(double* x, double* y, int n)
1067 @c LaTeX   \{
1068 @c LaTeX     int k;
1069 @c LaTeX     double sum = 0;
1070 @c LaTeX 
1071 @c LaTeX     for (k = 0; k < n; ++k) \{
1072 @c LaTeX       sum += x[k] * y[k];
1073 @c LaTeX     \}
1074 @c LaTeX   \}
1075 @c LaTeX \end{example}
1076 @c LaTeX The following example generates two large arrays in Lisp, and calls the C
1077 @c LaTeX function to do the desired computation.  This would not have been
1078 @c LaTeX possible using \code{malloc} or \code{make-alien} since we need about
1079 @c LaTeX 16 MB of memory to hold the two arrays.
1080 @c LaTeX \begin{example}
1081 @c LaTeX   (define-alien-routine "dotprod" double
1082 @c LaTeX     (x (* double-float) :in)
1083 @c LaTeX     (y (* double-float) :in)
1084 @c LaTeX     (n int :in))
1085 @c LaTeX     
1086 @c LaTeX   (let ((x (make-array 1000000 :element-type 'double-float))
1087 @c LaTeX         (y (make-array 1000000 :element-type 'double-float)))
1088 @c LaTeX     ;; Initialize X and Y somehow
1089 @c LaTeX     (let ((x-addr (system:int-sap (array-data-address x)))
1090 @c LaTeX           (y-addr (system:int-sap (array-data-address y))))
1091 @c LaTeX       (dotprod x-addr y-addr 1000000)))    
1092 @c LaTeX \end{example}
1093 @c LaTeX In this example, it may be useful to wrap the inner \code{let}
1094 @c LaTeX expression in an \code{unwind-protect} that first turns off garbage
1095 @c LaTeX collection and then turns garbage collection on afterwards.  This will
1096 @c LaTeX prevent garbage collection from moving \code{x} and \code{y} after we
1097 @c LaTeX have obtained the (now erroneous) addresses but before the call to
1098 @c LaTeX \code{dotprod} is made.
1099 @c LaTeX 
1100 @c -->
1101
1102
1103 @node  Step-By-Step Example of the Foreign Function Interface
1104 @comment  node-name,  next,  previous,  up
1105 @section Step-By-Step Example of the Foreign Function Interface
1106
1107 This section presents a complete example of an interface to a somewhat
1108 complicated C function.
1109
1110 Suppose you have the following C function which you want to be able to
1111 call from Lisp in the file @file{test.c}
1112
1113 @example
1114 struct c_struct
1115 @{
1116   int x;
1117   char *s;
1118 @};
1119  
1120 struct c_struct *c_function (i, s, r, a)
1121     int i;
1122     char *s;
1123     struct c_struct *r;
1124     int a[10];
1125 @{
1126   int j;
1127   struct c_struct *r2;
1128  
1129   printf("i = %d\n", i);
1130   printf("s = %s\n", s);
1131   printf("r->x = %d\n", r->x);
1132   printf("r->s = %s\n", r->s);
1133   for (j = 0; j < 10; j++) printf("a[%d] = %d.\n", j, a[j]);
1134   r2 = (struct c_struct *) malloc (sizeof(struct c_struct));
1135   r2->x = i + 5;
1136   r2->s = "a C string";
1137   return(r2);
1138 @};
1139 @end example
1140
1141 It is possible to call this C function from Lisp using the file
1142 @file{test.lisp} containing
1143
1144 @lisp
1145 (cl:defpackage "TEST-C-CALL" (:use "CL" "SB-ALIEN" "SB-C-CALL"))
1146 (cl:in-package "TEST-C-CALL")
1147
1148 ;;; Define the record C-STRUCT in Lisp.
1149 (define-alien-type nil
1150     (struct c-struct
1151             (x int)
1152             (s c-string)))
1153
1154 ;;; Define the Lisp function interface to the C routine.  It returns a
1155 ;;; pointer to a record of type C-STRUCT.  It accepts four parameters:
1156 ;;; I, an int; S, a pointer to a string; R, a pointer to a C-STRUCT
1157 ;;; record; and A, a pointer to the array of 10 ints.
1158 ;;;
1159 ;;; The INLINE declaration eliminates some efficiency notes about heap
1160 ;;; allocation of alien values.
1161 (declaim (inline c-function))
1162 (define-alien-routine c-function
1163     (* (struct c-struct))
1164   (i int)
1165   (s c-string)
1166   (r (* (struct c-struct)))
1167   (a (array int 10)))
1168
1169 ;;; a function which sets up the parameters to the C function and
1170 ;;; actually calls it
1171 (defun call-cfun ()
1172   (with-alien ((ar (array int 10))
1173                (c-struct (struct c-struct)))
1174     (dotimes (i 10)                     ; Fill array.
1175       (setf (deref ar i) i))
1176     (setf (slot c-struct 'x) 20)
1177     (setf (slot c-struct 's) "a Lisp string")
1178
1179     (with-alien ((res (* (struct c-struct))
1180                       (c-function 5 "another Lisp string" (addr c-struct) ar)))
1181       (format t "~&amp;back from C function~%")
1182       (multiple-value-prog1
1183           (values (slot res 'x)
1184                   (slot res 's))
1185
1186         ;; Deallocate result. (after we are done referring to it:
1187         ;; "Pillage, *then* burn.")
1188         (free-alien res)))))
1189 @end lisp
1190
1191 To execute the above example, it is necessary to compile the C
1192 routine, e.g.: @samp{cc -c test.c && ld -shared -o test.so test.o} (In
1193 order to enable incremental loading with some linkers, you may need to
1194 say @samp{cc -G 0 -c test.c})
1195
1196 Once the C code has been compiled, you can start up Lisp and load it in:
1197 @samp{sbcl}.  Lisp should start up with its normal prompt.
1198
1199 Within Lisp, compile the Lisp file. (This step can be done
1200 separately. You don't have to recompile every time.)
1201 @samp{(compile-file "test.lisp")}
1202
1203 Within Lisp, load the foreign object file to define the necessary
1204 symbols: @samp{(load-shared-object "test.so")}. 
1205
1206 Now you can load the compiled Lisp (``fasl'') file into Lisp:
1207 @samp{(load "test.fasl")}
1208 And once the Lisp file is loaded, you can call the 
1209 Lisp routine that sets up the parameters and calls the C
1210 function:
1211 @samp{(test-c-call::call-cfun)}
1212
1213 The C routine should print the following information to standard output:
1214
1215 @example
1216 i = 5
1217 s = another Lisp string
1218 r->x = 20
1219 r->s = a Lisp string
1220 a[0] = 0.
1221 a[1] = 1.
1222 a[2] = 2.
1223 a[3] = 3.
1224 a[4] = 4.
1225 a[5] = 5.
1226 a[6] = 6.
1227 a[7] = 7.
1228 a[8] = 8.
1229 a[9] = 9.
1230 @end example
1231
1232 After return from the C function,
1233 the Lisp wrapper function should print the following output:
1234
1235 @example
1236 back from C function
1237 @end example
1238
1239 And upon return from the Lisp wrapper function,
1240 before the next prompt is printed, the
1241 Lisp read-eval-print loop should print the following return values:
1242
1243 @example
1244 10
1245 "a C string"
1246 @end example