78267ca4a4bcbf3926a6018b79c888a2fb0f316a
[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
288 external-format element-type not-null)} is similar to
289 @code{(* char)}, but is interpreted as a null-terminated string, and
290 is automatically converted into a Lisp string when accessed; or if the
291 pointer is C @code{NULL} or @code{0}, then accessing it gives Lisp
292 @code{nil} unless @code{not-null} is true, in which case a type-error
293 is signalled.
294
295 External format conversion is automatically done when Lisp strings are
296 passed to foreign code, or when foreign strings are passed to Lisp code.
297 If the type specifier has an explicit @code{external-format}, that
298 external format will be used. Otherwise a default external format that
299 has been determined at SBCL startup time based on the current locale
300 settings will be used. For example, when the following alien routine is
301 called, the Lisp string given as argument is converted to an
302 @code{ebcdic} octet representation.
303
304 @lisp
305 (define-alien-routine test int (str (c-string :external-format :ebcdic-us)))
306 @end lisp
307
308 Lisp strings of type @code{base-string} are stored with a trailing NUL
309 termination, so no copying (either by the user or the implementation) is
310 necessary when passing them to foreign code, assuming that the
311 @code{external-format} and @code{element-type} of the @code{c-string}
312 type are compatible with the internal representation of the string. For
313 an SBCL built with Unicode support that means an @code{external-format}
314 of @code{:ascii} and an @code{element-type} of @code{base-char}. Without
315 Unicode support the @code{external-format} can also be
316 @code{:iso-8859-1}, and the @code{element-type} can also be
317 @code{character}. If the @code{external-format} or @code{element-type}
318 is not compatible, or the string is a @code{(simple-array character
319 (*))}, this data is copied by the implementation as required.
320
321 Assigning a Lisp string to a @code{c-string} structure field or
322 variable stores the contents of the string to the memory already
323 pointed to by that variable.  When a foreign object of type @code{(*
324 char)} is assigned to a @code{c-string}, then the
325 @code{c-string} pointer is assigned to.  This allows
326 @code{c-string} pointers to be initialized.  For example:
327
328 @lisp
329 (cl:in-package "CL-USER") ; which USEs package "SB-ALIEN"
330
331 (define-alien-type nil (struct foo (str c-string)))
332
333 (defun make-foo (str)
334   (let ((my-foo (make-alien (struct foo))))
335     (setf (slot my-foo 'str) (make-alien char (length str))
336           (slot my-foo 'str) str)
337     my-foo))
338 @end lisp
339
340 Storing Lisp @code{NIL} in a @code{c-string} writes C @code{NULL} to
341 the variable.
342
343 @item
344 @code{sb-alien} also exports translations of these C type
345 specifiers as foreign type specifiers:
346 @code{char},
347 @code{short},
348 @code{int},
349 @code{long},
350 @code{unsigned-char},
351 @code{unsigned-short},
352 @code{unsigned-int},
353 @code{unsigned-long},
354 @code{float}, @code{double},
355 @code{size-t}, and @code{off-t}.
356
357 @end itemize
358
359 @node  Operations On Foreign Values
360 @comment  node-name,  next,  previous,  up
361 @section Operations On Foreign Values
362 @c AKA "Alien Operations" in the CMU CL manual
363
364 This section describes how to read foreign values as Lisp values, how
365 to coerce foreign values to different kinds of foreign values, and how
366 to dynamically allocate and free foreign variables.
367
368 @menu
369 * Accessing Foreign Values::    
370 * Coercing Foreign Values::     
371 * Foreign Dynamic Allocation::  
372 @end menu
373
374 @node  Accessing Foreign Values
375 @comment  node-name,  next,  previous,  up
376 @subsection Accessing Foreign Values
377
378 @defun @sbalien{deref} @var{pointer-or-array} &rest @var{indices}
379
380 The @code{sb-alien:deref} function returns the value pointed to by a
381 foreign pointer, or the value of a foreign array element. When
382 dereferencing a pointer, an optional single index can be specified to
383 give the equivalent of C pointer arithmetic; this index is scaled by
384 the size of the type pointed to. When dereferencing an array, the
385 number of indices must be the same as the number of dimensions in the
386 array type. @code{deref} can be set with @code{setf} to assign a new
387 value.
388 @end defun
389
390 @defun @sbalien{slot} @var{struct-or-union} @var{slot-name}
391
392 The @code{sb-alien:slot} function extracts the value of the slot named
393 @var{slot-name} from a foreign @code{struct} or @code{union}. If
394 @var{struct-or-union} is a pointer to a structure or union, then it is
395 automatically dereferenced.  @code{sb-alien:slot} can be set with
396 @code{setf} to assign a new value. Note that @var{slot-name} is
397 evaluated, and need not be a compile-time constant (but only constant
398 slot accesses are efficiently compiled).
399 @end defun
400
401
402 @subsubsection Untyped memory
403
404 As noted at the beginning of the chapter, the System Area Pointer
405 facilities allow untyped access to foreign memory.  @acronym{SAP}s can
406 be converted to and from the usual typed foreign values using
407 @code{sap-alien} and @code{alien-sap} (described elsewhere), and also
408 to and from integers - raw machine addresses.  They should thus be
409 used with caution; corrupting the Lisp heap or other memory with
410 @acronym{SAP}s is trivial.
411
412 @defun @sbsys{int-sap} @var{machine-address}
413
414 Creates a @acronym{SAP} pointing at the virtual address
415 @var{machine-address}.
416 @end defun
417
418 @defun @sbsys{sap-ref-32} @var{sap} @var{offset}
419
420 Access the value of the memory location at @var{offset} bytes from
421 @var{sap}.  This form may also be used with @code{setf} to alter the
422 memory at that location.
423 @end defun
424
425 @defun @sbsys{sap=} @var{sap1} @var{sap2}
426
427 Compare @var{sap1} and @var{sap2} for equality.
428 @end defun
429
430 Similarly named functions exist for accessing other sizes of word,
431 other comparisons, and other conversions.  The reader is invited to
432 use @code{apropos} and @code{describe} for more details
433
434 @lisp
435 (apropos "sap" :sb-sys)
436 @end lisp
437
438
439 @node  Coercing Foreign Values
440 @comment  node-name,  next,  previous,  up
441 @subsection Coercing Foreign Values
442
443 @defmac @sbalien{addr} @var{alien-expr}
444
445 The @code{sb-alien:addr} macro returns a pointer to the location
446 specified by @var{alien-expr}, which must be either a foreign
447 variable, a use of @code{sb-alien:deref}, a use of
448 @code{sb-alien:slot}, or a use of @code{sb-alien:extern-alien}.
449 @end defmac
450
451 @defmac @sbalien{cast} @var{foreign-value} @var{new-type}
452
453 The @code{sb-alien:cast} macro converts @var{foreign-value} to a new
454 foreign value with the specified @var{new-type}. Both types, old and
455 new, must be foreign pointer, array or function types.  Note that the
456 resulting Lisp foreign variable object is not @code{eq} to the
457 argument, but it does refer to the same foreign data bits.
458 @end defmac
459
460 @defmac @sbalien{sap-alien} @var{sap} @var{type}
461
462 The @code{sb-alien:sap-alien} macro converts @var{sap} (a system
463 area pointer) to a foreign value with the specified
464 @var{type}. @var{type} is not evaluated.
465
466 The @var{type} must be some foreign pointer, array, or record type.
467 @end defmac
468
469 @defun @sbalien{alien-sap} @var{foreign-value}
470
471 The @code{sb-alien:alien-sap} function returns the @acronym{SAP} which
472 points to @var{alien-value}'s data.
473
474 The @var{foreign-value} must be of some foreign pointer, array, or
475 record type.
476 @end defun
477
478
479 @node  Foreign Dynamic Allocation
480 @comment  node-name,  next,  previous,  up
481 @subsection Foreign Dynamic Allocation
482
483 Lisp code can call the C standard library functions @code{malloc} and
484 @code{free} to dynamically allocate and deallocate foreign variables.
485 The Lisp code shares the same allocator with foreign C code, so it's
486 OK for foreign code to call @code{free} on the result of Lisp
487 @code{sb-alien:make-alien}, or for Lisp code to call
488 @code{sb-alien:free-alien} on foreign objects allocated by C code.
489
490 @include macro-sb-alien-make-alien.texinfo
491 @include fun-sb-alien-make-alien-string.texinfo
492 @include fun-sb-alien-free-alien.texinfo
493
494 @node  Foreign Variables
495 @comment  node-name,  next,  previous,  up
496 @section Foreign Variables
497 @c AKA "Alien Variables" in the CMU CL manual
498
499 Both local (stack allocated) and external (C global) foreign variables
500 are supported.
501
502 @menu
503 * Local Foreign Variables::     
504 * External Foreign Variables::  
505 @end menu
506
507 @node  Local Foreign Variables
508 @comment  node-name,  next,  previous,  up
509 @subsection Local Foreign Variables
510
511 @defmac @sbalien{with-alien} @var{var-definitions} &body @var{body}
512
513 The @code{with-alien} macro establishes local foreign variables with
514 the specified alien types and names.  This form is analogous to
515 defining a local variable in C: additional storage is allocated, and
516 the initial value is copied.  This form is less analogous to
517 @code{LET}-allocated Lisp variables, since the variables can't be
518 captured in closures: they live only for the dynamic extent of the
519 body, and referring to them outside is a gruesome error.
520
521 The @var{var-definitions} argument is a list of 
522 variable definitions, each of the form
523 @lisp
524 (@var{name} @var{type} &optional @var{initial-value})
525 @end lisp
526
527 The names of the variables are established as symbol-macros; the
528 bindings have lexical scope, and may be assigned with @code{setq} or
529 @code{setf}.
530  
531 The @code{with-alien} macro also establishes a new scope for named
532 structures and unions.  Any @var{type} specified for a variable may
533 contain named structure or union types with the slots specified.
534 Within the lexical scope of the binding specifiers and body, a locally
535 defined foreign structure type @var{foo} can be referenced by its name
536 using @code{(struct @var{foo})}.
537 @end defmac
538
539 @node  External Foreign Variables
540 @comment  node-name,  next,  previous,  up
541 @subsection External Foreign Variables
542
543 External foreign names are strings, and Lisp names are symbols. When
544 an external foreign value is represented using a Lisp variable, there
545 must be a way to convert from one name syntax into the other. The
546 macros @code{extern-alien}, @code{define-alien-variable} and
547 @code{define-alien-routine} use this conversion heuristic:
548
549 @itemize
550
551 @item
552 Alien names are converted to Lisp names by uppercasing and replacing
553 underscores with hyphens.
554
555 @item
556 Conversely, Lisp names are converted to alien names by lowercasing and
557 replacing hyphens with underscores.
558
559 @item
560 Both the Lisp symbol and alien string names may be separately
561 specified by using a list of the form
562
563 @lisp
564 (alien-string lisp-symbol)
565 @end lisp
566
567 @end itemize
568
569 @defmac @sbalien{define-alien-variable} @var{name} @var{type}
570
571 The @code{define-alien-variable} macro defines @var{name} as an
572 external foreign variable of the specified foreign @code{type}.
573 @var{name} and @code{type} are not evaluated.  The Lisp name of the
574 variable (see above) becomes a global alien variable.  Global alien
575 variables are effectively ``global symbol macros''; a reference to the
576 variable fetches the contents of the external variable.  Similarly,
577 setting the variable stores new contents -- the new contents must be
578 of the declared @code{type}. Someday, they may well be implemented
579 using the @acronym{ANSI} @code{define-symbol-macro} mechanism, but as
580 of SBCL 0.7.5, they are still implemented using an older more-or-less
581 parallel mechanism inherited from CMUCL.
582   
583 For example, to access a C-level counter @var{foo}, one could write
584
585 @lisp
586 (define-alien-variable "foo" int)
587 ;; Now it is possible to get the value of the C variable foo simply by
588 ;; referencing that Lisp variable:
589 (print foo)
590 (setf foo 14)
591 (incf foo)
592 @end lisp
593 @end defmac
594
595 @defun @sbalien{get-errno}
596
597 Since in modern C libraries, the @code{errno} ``variable'' is typically
598 no longer a variable, but some bizarre artificial construct
599 which behaves superficially like a variable within a given thread,
600 it can no longer reliably be accessed through the ordinary 
601 @code{define-alien-variable} mechanism. Instead, SBCL provides
602 the operator @code{sb-alien:get-errno} to allow Lisp code to read it.
603 @end defun
604
605 @defmac @sbalien{extern-alien} @var{name} @var{type}
606
607 The @code{extern-alien} macro returns an alien with the specified
608 @var{type} which points to an externally defined value.  @var{name} is
609 not evaluated, and may be either a string or a symbol.  @var{type} is
610 an unevaluated alien type specifier.
611 @end defmac
612
613 @node  Foreign Data Structure Examples
614 @comment  node-name,  next,  previous,  up
615 @section Foreign Data Structure Examples
616 @c AKA "Alien Data Structure Example" in the CMU CL manual
617
618 Now that we have alien types, operations and variables, we can
619 manipulate foreign data structures.  This C declaration
620
621 @example
622 struct foo @{
623     int a;
624     struct foo *b[100];
625 @};
626 @end example
627
628 can be translated into the following alien type:
629
630 @lisp
631 (define-alien-type nil
632   (struct foo
633     (a int)
634     (b (array (* (struct foo)) 100))))
635 @end lisp
636
637 Once the @code{foo} alien type has been defined as above, the C
638 expression
639
640 @example
641 struct foo f;
642 f.b[7].a;
643 @end example
644
645 can be translated in this way:
646
647 @lisp
648 (with-alien ((f (struct foo)))
649   (slot (deref (slot f 'b) 7) 'a)
650   ;;
651   ;; Do something with f...
652   )
653 @end lisp
654
655 Or consider this example of an external C variable and some accesses:
656
657 @example
658 struct c_struct @{
659         short x, y;
660         char a, b;
661         int z;
662         c_struct *n;
663 @};
664 extern struct c_struct *my_struct;
665 my_struct->x++;
666 my_struct->a = 5;
667 my_struct = my_struct->n;
668 @end example
669
670 which can be manipulated in Lisp like this:
671
672 @lisp
673 (define-alien-type nil
674   (struct c-struct
675           (x short)
676           (y short)
677           (a char)
678           (b char)
679           (z int)
680           (n (* c-struct))))
681 (define-alien-variable "my_struct" (* c-struct))
682 (incf (slot my-struct 'x))
683 (setf (slot my-struct 'a) 5)
684 (setq my-struct (slot my-struct 'n))
685 @end lisp
686
687 @node  Loading Shared Object Files
688 @comment  node-name,  next,  previous,  up
689 @section Loading Shared Object Files
690
691 Foreign object files can be loaded into the running Lisp process by
692 calling @code{load-shared-object}.
693
694 @include fun-sb-alien-load-shared-object.texinfo
695
696 @include fun-sb-alien-unload-shared-object.texinfo
697
698 @node  Foreign Function Calls
699 @comment  node-name,  next,  previous,  up
700 @section Foreign Function Calls
701
702 The foreign function call interface allows a Lisp program to call
703 many functions written in languages that use the C calling convention.
704
705 Lisp sets up various signal handling routines and other environment
706 information when it first starts up, and expects these to be in place
707 at all times. The C functions called by Lisp should not change the
708 environment, especially the signal handlers: the signal handlers
709 installed by Lisp typically have interesting flags set (e.g to request
710 machine context information, or for signal delivery on an alternate
711 stack) which the Lisp runtime relies on for correct operation.
712 Precise details of how this works may change without notice between
713 versions; the source, or the brain of a friendly SBCL developer, is
714 the only documentation.  Users of a Lisp built with the
715 @code{:sb-thread} feature should also read the section about threads,
716 @ref{Threading}.
717
718 @menu
719 * The alien-funcall Primitive::  
720 * The define-alien-routine Macro::  
721 * define-alien-routine Example::  
722 * Calling Lisp From C::         
723 @end menu
724
725 @node  The alien-funcall Primitive
726 @comment  node-name,  next,  previous,  up
727 @subsection The @code{alien-funcall} Primitive
728
729 @defun @sbalien{alien-funcall} @var{alien-function} &rest @var{arguments}
730
731 The @code{alien-funcall} function is the foreign function call
732 primitive: @var{alien-function} is called with the supplied
733 @var{arguments} and its C return value is returned as a Lisp value.
734 The @var{alien-function} is an arbitrary run-time expression; to refer
735 to a constant function, use @code{extern-alien} or a value defined by
736 @code{define-alien-routine}.
737   
738 The type of @code{alien-function} must be @code{(alien (function
739 ...))}  or @code{(alien (* (function ...)))}.  The function type is
740 used to determine how to call the function (as though it was declared
741 with a prototype.)  The type need not be known at compile time, but
742 only known-type calls are efficiently compiled.  Limitations:
743
744 @itemize
745
746 @item
747 Structure type return values are not implemented.
748
749 @item
750 Passing of structures by value is not implemented.
751
752 @end itemize
753
754 @end defun
755
756 Here is an example which allocates a @code{(struct foo)}, calls a
757 foreign function to initialize it, then returns a Lisp vector of all
758 the @code{(* (struct foo))} objects filled in by the foreign call:
759
760 @lisp
761 ;; Allocate a foo on the stack.
762 (with-alien ((f (struct foo)))
763   ;; Call some C function to fill in foo fields.
764   (alien-funcall (extern-alien "mangle_foo" (function void (* foo)))
765                  (addr f))
766   ;; Find how many foos to use by getting the A field.
767   (let* ((num (slot f 'a))
768          (result (make-array num)))
769     ;; Get a pointer to the array so that we don't have to keep extracting it:
770     (with-alien ((a (* (array (* (struct foo)) 100)) (addr (slot f 'b))))
771       ;; Loop over the first N elements and stash them in the result vector.
772       (dotimes (i num)
773         (setf (svref result i) (deref (deref a) i)))
774       ;; Voila.
775       result)))
776 @end lisp
777
778 @node  The define-alien-routine Macro
779 @comment  node-name,  next,  previous,  up
780 @subsection The @code{define-alien-routine} Macro
781
782 @defmac @sbalien{define-alien-routine} @var{name} @var{result-type} &rest @var{arg-specifiers}
783
784 The @code{define-alien-routine} macro is a convenience for
785 automatically generating Lisp interfaces to simple foreign functions.
786 The primary feature is the parameter style specification, which
787 translates the C pass-by-reference idiom into additional return
788 values.
789
790 @var{name} is usually a string external symbol, but may also be a
791 symbol Lisp name or a list of the foreign name and the Lisp name.  If
792 only one name is specified, the other is automatically derived as for
793 @code{extern-alien}.  @var{result-type} is the alien type of the
794 return value.
795
796 Each element of the @var{arg-specifiers} list 
797 specifies an argument to the foreign function, and is
798 of the form
799 @lisp
800 (aname atype &optional style)
801 @end lisp
802
803 @var{aname} is the symbol name of the argument to the constructed
804 function (for documentation). @var{atype} is the alien type of
805 corresponding foreign argument.  The semantics of the actual call are
806 the same as for @code{alien-funcall}. @var{style} specifies how this
807 argument should be handled at call and return time, and should be one
808 of the following:
809
810 @itemize
811
812 @item
813 @code{:in} specifies that the argument is passed by value. This is the
814 default. @code{:in} arguments have no corresponding return value from
815 the Lisp function.
816
817 @item
818 @code{:copy} is similar to @code{:in}, but the argument is copied to a
819 pre-allocated object and a pointer to this object is passed to the
820 foreign routine.
821
822 @item
823 @code{:out} specifies a pass-by-reference output value.  The type of
824 the argument must be a pointer to a fixed-sized object (such as an
825 integer or pointer).  @code{:out} and @code{:in-out} style cannot be
826 used with pointers to arrays, records or functions.  An object of the
827 correct size is allocated on the stack, and its address is passed to
828 the foreign function.  When the function returns, the contents of this
829 location are returned as one of the values of the Lisp function (and
830 the location is automatically deallocated).
831
832 @item
833 @code{:in-out} is a combination of @code{:copy} and @code{:out}.  The
834 argument is copied to a pre-allocated object and a pointer to this
835 object is passed to the foreign routine.  On return, the contents of
836 this location is returned as an additional value.
837
838 @end itemize
839
840 @quotation
841 Note: Any efficiency-critical foreign interface function should be inline
842 expanded, which can be done by preceding the
843 @code{define-alien-routine} call with:
844
845 @lisp
846 (declaim (inline lisp-name))
847 @end lisp
848
849 In addition to avoiding the Lisp call overhead, this allows
850 pointers, word-integers and floats to be passed using non-descriptor
851 representations, avoiding consing.)
852 @end quotation
853
854 @end defmac
855
856 @node  define-alien-routine Example
857 @comment  node-name,  next,  previous,  up
858 @subsection @code{define-alien-routine} Example
859
860 Consider the C function @code{cfoo} with the following calling
861 convention:
862
863 @example
864 void
865 cfoo (str, a, i)
866     char *str;
867     char *a; /* update */
868     int *i; /* out */
869 @{
870   /* body of cfoo(...) */
871 @}
872 @end example
873
874 This can be described by the following call to
875 @code{define-alien-routine}:
876
877 @lisp
878 (define-alien-routine "cfoo" void
879   (str c-string)
880   (a char :in-out)
881   (i int :out))
882 @end lisp
883
884 The Lisp function @code{cfoo} will have two arguments (@var{str} and
885 @var{a}) and two return values (@var{a} and @var{i}).
886
887 @node  Calling Lisp From C
888 @comment  node-name,  next,  previous,  up
889 @subsection Calling Lisp From C
890
891 Calling Lisp functions from C is sometimes possible, but is extremely
892 hackish and poorly supported as of SBCL 0.7.5.  See @code{funcall0}
893 @dots{} @code{funcall3} in the runtime system. The arguments must be
894 valid SBCL object descriptors (so that e.g. fixnums must be
895 left-shifted by 2.) As of SBCL 0.7.5, the format of object descriptors
896 is documented only by the source code and, in parts, by the old CMUCL
897 @file{INTERNALS} documentation.
898
899 Note that the garbage collector moves objects, and won't be
900 able to fix up any references in C variables.  There are three
901 mechanisms for coping with this: 
902
903 @enumerate
904 @item
905 The @code{sb-ext:purify} moves all live Lisp
906 data into static or read-only areas such that it will never be moved
907 (or freed) again in the life of the Lisp session
908
909 @item
910 @code{sb-sys:with-pinned-objects} is a macro which arranges for some
911 set of objects to be pinned in memory for the dynamic extent of its
912 body forms.  On ports which use the generational garbage collector (as
913 of SBCL 0.8.3, only the x86) this has a page granularity - i.e. the
914 entire 4k page or pages containing the objects will be locked down. On
915 other ports it is implemented by turning off GC for the duration (so
916 could be said to have a whole-world granularity).
917
918 @item
919 Disable GC, using the @code{without-gcing} macro.
920 @end enumerate
921
922 @c <!-- FIXME: This is a "changebar" section from the CMU CL manual.
923 @c      I (WHN 2002-07-14) am not very familiar with this content, so 
924 @c      I'm not immediately prepared to try to update it for SBCL, and
925 @c      I'm not feeling masochistic enough to work to encourage this
926 @c      kind of low-level hack anyway. However, I acknowledge that callbacks
927 @c      are sometimes really really necessary, so I include the original
928 @c      text in case someone is hard-core enough to benefit from it. If
929 @c      anyone brings the information up to date for SBCL, it belong
930 @c      either in the main manual or on a CLiki SBCL Internals page.
931 @c LaTeX \subsection{Accessing Lisp Arrays}
932 @c LaTeX 
933 @c LaTeX Due to the way \cmucl{} manages memory, the amount of memory that can
934 @c LaTeX be dynamically allocated by \code{malloc} or \funref{make-alien} is
935 @c LaTeX limited\footnote{\cmucl{} mmaps a large piece of memory for it's own
936 @c LaTeX   use and this memory is typically about 8 MB above the start of the C
937 @c LaTeX   heap.  Thus, only about 8 MB of memory can be dynamically
938 @c LaTeX   allocated.}.
939
940 @c Empirically determined to be considerably >8Mb on this x86 linux
941 @c machine, but I don't know what the actual values are - dan 2003.09.01
942
943 @c Note that this technique is used in SB-GROVEL in the SBCL contrib
944
945 @c LaTeX 
946 @c LaTeX To overcome this limitation, it is possible to access the content of
947 @c LaTeX Lisp arrays which are limited only by the amount of physical memory
948 @c LaTeX and swap space available.  However, this technique is only useful if
949 @c LaTeX the foreign function takes pointers to memory instead of allocating
950 @c LaTeX memory for itself.  In latter case, you will have to modify the
951 @c LaTeX foreign functions.
952 @c LaTeX 
953 @c LaTeX This technique takes advantage of the fact that \cmucl{} has
954 @c LaTeX specialized array types (\pxlref{specialized-array-types}) that match
955 @c LaTeX a typical C array.  For example, a \code{(simple-array double-float
956 @c LaTeX   (100))} is stored in memory in essentially the same way as the C
957 @c LaTeX array \code{double x[100]} would be.  The following function allows us
958 @c LaTeX to get the physical address of such a Lisp array:
959 @c LaTeX \begin{example}
960 @c LaTeX (defun array-data-address (array)
961 @c LaTeX   "Return the physical address of where the actual data of an array is
962 @c LaTeX stored.
963 @c LaTeX 
964 @c LaTeX ARRAY must be a specialized array type in CMU Lisp.  This means ARRAY
965 @c LaTeX must be an array of one of the following types:
966 @c LaTeX 
967 @c LaTeX                   double-float
968 @c LaTeX                   single-float
969 @c LaTeX                   (unsigned-byte 32)
970 @c LaTeX                   (unsigned-byte 16)
971 @c LaTeX                   (unsigned-byte  8)
972 @c LaTeX                   (signed-byte 32)
973 @c LaTeX                   (signed-byte 16)
974 @c LaTeX                   (signed-byte  8)
975 @c LaTeX "
976 @c LaTeX   (declare (type (or #+signed-array (array (signed-byte 8))
977 @c LaTeX                      #+signed-array (array (signed-byte 16))
978 @c LaTeX                      #+signed-array (array (signed-byte 32))
979 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 8))
980 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 16))
981 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 32))
982 @c LaTeX                      (array single-float)
983 @c LaTeX                      (array double-float))
984 @c LaTeX                  array)
985 @c LaTeX            (optimize (speed 3) (safety 0))
986 @c LaTeX            (ext:optimize-interface (safety 3)))
987 @c LaTeX   ;; with-array-data will get us to the actual data.  However, because
988 @c LaTeX   ;; the array could have been displaced, we need to know where the
989 @c LaTeX   ;; data starts.
990 @c LaTeX   (lisp::with-array-data ((data array)
991 @c LaTeX                           (start)
992 @c LaTeX                           (end))
993 @c LaTeX     (declare (ignore end))
994 @c LaTeX     ;; DATA is a specialized simple-array.  Memory is laid out like this:
995 @c LaTeX     ;;
996 @c LaTeX     ;;   byte offset    Value
997 @c LaTeX     ;;        0         type code (should be 70 for double-float vector)
998 @c LaTeX     ;;        4         4 * number of elements in vector
999 @c LaTeX     ;;        8         1st element of vector
1000 @c LaTeX     ;;      ...         ...
1001 @c LaTeX     ;;
1002 @c LaTeX     (let ((addr (+ 8 (logandc1 7 (kernel:get-lisp-obj-address data))))
1003 @c LaTeX           (type-size (let ((type (array-element-type data)))
1004 @c LaTeX                        (cond ((or (equal type '(signed-byte 8))
1005 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 8)))
1006 @c LaTeX                               1)
1007 @c LaTeX                              ((or (equal type '(signed-byte 16))
1008 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 16)))
1009 @c LaTeX                               2)
1010 @c LaTeX                              ((or (equal type '(signed-byte 32))
1011 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 32)))
1012 @c LaTeX                               4)
1013 @c LaTeX                              ((equal type 'single-float)
1014 @c LaTeX                               4)
1015 @c LaTeX                              ((equal type 'double-float)
1016 @c LaTeX                               8)
1017 @c LaTeX                              (t
1018 @c LaTeX                               (error "Unknown specialized array element type"))))))
1019 @c LaTeX       (declare (type (unsigned-byte 32) addr)
1020 @c LaTeX                (optimize (speed 3) (safety 0) (ext:inhibit-warnings 3)))
1021 @c LaTeX       (system:int-sap (the (unsigned-byte 32)
1022 @c LaTeX                         (+ addr (* type-size start)))))))
1023 @c LaTeX \end{example}
1024 @c LaTeX 
1025 @c LaTeX Assume we have the C function below that we wish to use:
1026 @c LaTeX \begin{example}
1027 @c LaTeX   double dotprod(double* x, double* y, int n)
1028 @c LaTeX   \{
1029 @c LaTeX     int k;
1030 @c LaTeX     double sum = 0;
1031 @c LaTeX 
1032 @c LaTeX     for (k = 0; k < n; ++k) \{
1033 @c LaTeX       sum += x[k] * y[k];
1034 @c LaTeX     \}
1035 @c LaTeX   \}
1036 @c LaTeX \end{example}
1037 @c LaTeX The following example generates two large arrays in Lisp, and calls the C
1038 @c LaTeX function to do the desired computation.  This would not have been
1039 @c LaTeX possible using \code{malloc} or \code{make-alien} since we need about
1040 @c LaTeX 16 MB of memory to hold the two arrays.
1041 @c LaTeX \begin{example}
1042 @c LaTeX   (define-alien-routine "dotprod" double
1043 @c LaTeX     (x (* double-float) :in)
1044 @c LaTeX     (y (* double-float) :in)
1045 @c LaTeX     (n int :in))
1046 @c LaTeX     
1047 @c LaTeX   (let ((x (make-array 1000000 :element-type 'double-float))
1048 @c LaTeX         (y (make-array 1000000 :element-type 'double-float)))
1049 @c LaTeX     ;; Initialize X and Y somehow
1050 @c LaTeX     (let ((x-addr (system:int-sap (array-data-address x)))
1051 @c LaTeX           (y-addr (system:int-sap (array-data-address y))))
1052 @c LaTeX       (dotprod x-addr y-addr 1000000)))    
1053 @c LaTeX \end{example}
1054 @c LaTeX In this example, it may be useful to wrap the inner \code{let}
1055 @c LaTeX expression in an \code{unwind-protect} that first turns off garbage
1056 @c LaTeX collection and then turns garbage collection on afterwards.  This will
1057 @c LaTeX prevent garbage collection from moving \code{x} and \code{y} after we
1058 @c LaTeX have obtained the (now erroneous) addresses but before the call to
1059 @c LaTeX \code{dotprod} is made.
1060 @c LaTeX 
1061 @c -->
1062
1063
1064 @node  Step-By-Step Example of the Foreign Function Interface
1065 @comment  node-name,  next,  previous,  up
1066 @section Step-By-Step Example of the Foreign Function Interface
1067
1068 This section presents a complete example of an interface to a somewhat
1069 complicated C function.
1070
1071 Suppose you have the following C function which you want to be able to
1072 call from Lisp in the file @file{test.c}
1073
1074 @example
1075 struct c_struct
1076 @{
1077   int x;
1078   char *s;
1079 @};
1080  
1081 struct c_struct *c_function (i, s, r, a)
1082     int i;
1083     char *s;
1084     struct c_struct *r;
1085     int a[10];
1086 @{
1087   int j;
1088   struct c_struct *r2;
1089  
1090   printf("i = %d\n", i);
1091   printf("s = %s\n", s);
1092   printf("r->x = %d\n", r->x);
1093   printf("r->s = %s\n", r->s);
1094   for (j = 0; j < 10; j++) printf("a[%d] = %d.\n", j, a[j]);
1095   r2 = (struct c_struct *) malloc (sizeof(struct c_struct));
1096   r2->x = i + 5;
1097   r2->s = "a C string";
1098   return(r2);
1099 @};
1100 @end example
1101
1102 It is possible to call this C function from Lisp using the file
1103 @file{test.lisp} containing
1104
1105 @lisp
1106 (cl:defpackage "TEST-C-CALL" (:use "CL" "SB-ALIEN" "SB-C-CALL"))
1107 (cl:in-package "TEST-C-CALL")
1108
1109 ;;; Define the record C-STRUCT in Lisp.
1110 (define-alien-type nil
1111     (struct c-struct
1112             (x int)
1113             (s c-string)))
1114
1115 ;;; Define the Lisp function interface to the C routine.  It returns a
1116 ;;; pointer to a record of type C-STRUCT.  It accepts four parameters:
1117 ;;; I, an int; S, a pointer to a string; R, a pointer to a C-STRUCT
1118 ;;; record; and A, a pointer to the array of 10 ints.
1119 ;;;
1120 ;;; The INLINE declaration eliminates some efficiency notes about heap
1121 ;;; allocation of alien values.
1122 (declaim (inline c-function))
1123 (define-alien-routine c-function
1124     (* (struct c-struct))
1125   (i int)
1126   (s c-string)
1127   (r (* (struct c-struct)))
1128   (a (array int 10)))
1129
1130 ;;; a function which sets up the parameters to the C function and
1131 ;;; actually calls it
1132 (defun call-cfun ()
1133   (with-alien ((ar (array int 10))
1134                (c-struct (struct c-struct)))
1135     (dotimes (i 10)                     ; Fill array.
1136       (setf (deref ar i) i))
1137     (setf (slot c-struct 'x) 20)
1138     (setf (slot c-struct 's) "a Lisp string")
1139
1140     (with-alien ((res (* (struct c-struct))
1141                       (c-function 5 "another Lisp string" (addr c-struct) ar)))
1142       (format t "~&amp;back from C function~%")
1143       (multiple-value-prog1
1144           (values (slot res 'x)
1145                   (slot res 's))
1146
1147         ;; Deallocate result. (after we are done referring to it:
1148         ;; "Pillage, *then* burn.")
1149         (free-alien res)))))
1150 @end lisp
1151
1152 To execute the above example, it is necessary to compile the C
1153 routine, e.g.: @samp{cc -c test.c && ld -shared -o test.so test.o} (In
1154 order to enable incremental loading with some linkers, you may need to
1155 say @samp{cc -G 0 -c test.c})
1156
1157 Once the C code has been compiled, you can start up Lisp and load it in:
1158 @samp{sbcl}.  Lisp should start up with its normal prompt.
1159
1160 Within Lisp, compile the Lisp file. (This step can be done
1161 separately. You don't have to recompile every time.)
1162 @samp{(compile-file "test.lisp")}
1163
1164 Within Lisp, load the foreign object file to define the necessary
1165 symbols: @samp{(load-shared-object "test.so")}. 
1166
1167 Now you can load the compiled Lisp (``fasl'') file into Lisp:
1168 @samp{(load "test.fasl")}
1169 And once the Lisp file is loaded, you can call the 
1170 Lisp routine that sets up the parameters and calls the C
1171 function:
1172 @samp{(test-c-call::call-cfun)}
1173
1174 The C routine should print the following information to standard output:
1175
1176 @example
1177 i = 5
1178 s = another Lisp string
1179 r->x = 20
1180 r->s = a Lisp string
1181 a[0] = 0.
1182 a[1] = 1.
1183 a[2] = 2.
1184 a[3] = 3.
1185 a[4] = 4.
1186 a[5] = 5.
1187 a[6] = 6.
1188 a[7] = 7.
1189 a[8] = 8.
1190 a[9] = 9.
1191 @end example
1192
1193 After return from the C function,
1194 the Lisp wrapper function should print the following output:
1195
1196 @example
1197 back from C function
1198 @end example
1199
1200 And upon return from the Lisp wrapper function,
1201 before the next prompt is printed, the
1202 Lisp read-eval-print loop should print the following return values:
1203
1204 @example
1205 10
1206 "a C string"
1207 @end example