d6b6d05adb368027d61679bbffd957f5216e4312
[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: @code{sb-alien:char},
346 @code{sb-alien:short}, @code{sb-alien:int},
347 @code{sb-alien:long}, @code{sb-alien:unsigned-char},
348 @code{sb-alien:unsigned-short},
349 @code{sb-alien:unsigned-int},
350 @code{sb-alien:unsigned-long}, @code{sb-alien:float}, and
351 @code{sb-alien:double}.
352
353 @end itemize
354
355 @node  Operations On Foreign Values
356 @comment  node-name,  next,  previous,  up
357 @section Operations On Foreign Values
358 @c AKA "Alien Operations" in the CMU CL manual
359
360 This section describes how to read foreign values as Lisp values, how
361 to coerce foreign values to different kinds of foreign values, and how
362 to dynamically allocate and free foreign variables.
363
364 @menu
365 * Accessing Foreign Values::    
366 * Coercing Foreign Values::     
367 * Foreign Dynamic Allocation::  
368 @end menu
369
370 @node  Accessing Foreign Values
371 @comment  node-name,  next,  previous,  up
372 @subsection Accessing Foreign Values
373
374 @defun @sbalien{deref} @var{pointer-or-array} &rest @var{indices}
375
376 The @code{sb-alien:deref} function returns the value pointed to by a
377 foreign pointer, or the value of a foreign array element. When
378 dereferencing a pointer, an optional single index can be specified to
379 give the equivalent of C pointer arithmetic; this index is scaled by
380 the size of the type pointed to. When dereferencing an array, the
381 number of indices must be the same as the number of dimensions in the
382 array type. @code{deref} can be set with @code{setf} to assign a new
383 value.
384 @end defun
385
386 @defun @sbalien{slot} @var{struct-or-union} @var{slot-name}
387
388 The @code{sb-alien:slot} function extracts the value of the slot named
389 @var{slot-name} from a foreign @code{struct} or @code{union}. If
390 @var{struct-or-union} is a pointer to a structure or union, then it is
391 automatically dereferenced.  @code{sb-alien:slot} can be set with
392 @code{setf} to assign a new value. Note that @var{slot-name} is
393 evaluated, and need not be a compile-time constant (but only constant
394 slot accesses are efficiently compiled).
395 @end defun
396
397
398 @subsubsection Untyped memory
399
400 As noted at the beginning of the chapter, the System Area Pointer
401 facilities allow untyped access to foreign memory.  @acronym{SAP}s can
402 be converted to and from the usual typed foreign values using
403 @code{sap-alien} and @code{alien-sap} (described elsewhere), and also
404 to and from integers - raw machine addresses.  They should thus be
405 used with caution; corrupting the Lisp heap or other memory with
406 @acronym{SAP}s is trivial.
407
408 @defun @sbsys{int-sap} @var{machine-address}
409
410 Creates a @acronym{SAP} pointing at the virtual address
411 @var{machine-address}.
412 @end defun
413
414 @defun @sbsys{sap-ref-32} @var{sap} @var{offset}
415
416 Access the value of the memory location at @var{offset} bytes from
417 @var{sap}.  This form may also be used with @code{setf} to alter the
418 memory at that location.
419 @end defun
420
421 @defun @sbsys{sap=} @var{sap1} @var{sap2}
422
423 Compare @var{sap1} and @var{sap2} for equality.
424 @end defun
425
426 Similarly named functions exist for accessing other sizes of word,
427 other comparisons, and other conversions.  The reader is invited to
428 use @code{apropos} and @code{describe} for more details
429
430 @lisp
431 (apropos "sap" :sb-sys)
432 @end lisp
433
434
435 @node  Coercing Foreign Values
436 @comment  node-name,  next,  previous,  up
437 @subsection Coercing Foreign Values
438
439 @defmac @sbalien{addr} @var{alien-expr}
440
441 The @code{sb-alien:addr} macro returns a pointer to the location
442 specified by @var{alien-expr}, which must be either a foreign
443 variable, a use of @code{sb-alien:deref}, a use of
444 @code{sb-alien:slot}, or a use of @code{sb-alien:extern-alien}.
445 @end defmac
446
447 @defmac @sbalien{cast} @var{foreign-value} @var{new-type}
448
449 The @code{sb-alien:cast} macro converts @var{foreign-value} to a new
450 foreign value with the specified @var{new-type}. Both types, old and
451 new, must be foreign pointer, array or function types.  Note that the
452 resulting Lisp foreign variable object is not @code{eq} to the
453 argument, but it does refer to the same foreign data bits.
454 @end defmac
455
456 @defmac @sbalien{sap-alien} @var{sap} @var{type}
457
458 The @code{sb-alien:sap-alien} macro converts @var{sap} (a system
459 area pointer) to a foreign value with the specified
460 @var{type}. @var{type} is not evaluated.
461
462 The @var{type} must be some foreign pointer, array, or record type.
463 @end defmac
464
465 @defun @sbalien{alien-sap} @var{foreign-value}
466
467 The @code{sb-alien:alien-sap} function returns the @acronym{SAP} which
468 points to @var{alien-value}'s data.
469
470 The @var{foreign-value} must be of some foreign pointer, array, or
471 record type.
472 @end defun
473
474
475 @node  Foreign Dynamic Allocation
476 @comment  node-name,  next,  previous,  up
477 @subsection Foreign Dynamic Allocation
478
479 Lisp code can call the C standard library functions @code{malloc} and
480 @code{free} to dynamically allocate and deallocate foreign
481 variables. The Lisp code shares the same allocator with foreign C
482 code, so it's OK for foreign code to call @code{free} on the result of
483 Lisp @code{sb-alien:make-alien}, or for Lisp code to call
484 @code{sb-alien:free-alien} on foreign objects allocated by C
485 code.
486
487 @defmac @sbalien{make-alien} @var{type} @var{size}
488
489 The @code{sb-alien:make-alien} macro
490 returns a dynamically allocated foreign value of the specified
491 @var{type} (which is not evaluated.)  The allocated memory is not
492 initialized, and may contain arbitrary junk.  If supplied,
493 @var{size} is an expression to evaluate to compute the size of the
494 allocated object.  There are two major cases:
495
496 @itemize
497 @item
498 When @var{type} is a foreign array type, an array of that type is
499 allocated and a pointer to it is returned.  Note that you must use
500 @code{deref} to change the result to an array before you can use
501 @code{deref} to read or write elements:
502
503 @lisp
504 (cl:in-package "CL-USER") ; which USEs package "SB-ALIEN"
505 (defvar *foo* (make-alien (array char 10)))
506 (type-of *foo*) @result{} (alien (* (array (signed 8) 10)))
507 (setf (deref (deref foo) 0) 10) @result{} 10
508 @end lisp
509
510 If supplied, @var{size} is used as the first dimension for the
511     array.
512
513 @item
514 When @var{type} is any other foreign type, then an object for that
515 type is allocated, and a pointer to it is returned.  So
516 @code{(make-alien int)} returns a @code{(* int)}.  If @var{size} is
517 specified, then a block of that many objects is allocated, with the
518 result pointing to the first one.
519
520 @end itemize
521
522 @end defmac
523
524 @defun @sbalien{free-alien} @var{foreign-value}
525
526 The @code{sb-alien:free-alien} macro
527 frees the storage for @var{foreign-value}, 
528 which must have been allocated with Lisp @code{make-alien}
529 or C @code{malloc}.
530
531 See also the @code{sb-alien:with-alien} macro, which allocates foreign
532 values on the stack.
533 @end defun
534
535 @node  Foreign Variables
536 @comment  node-name,  next,  previous,  up
537 @section Foreign Variables
538 @c AKA "Alien Variables" in the CMU CL manual
539
540 Both local (stack allocated) and external (C global) foreign variables
541 are supported.
542
543 @menu
544 * Local Foreign Variables::     
545 * External Foreign Variables::  
546 @end menu
547
548 @node  Local Foreign Variables
549 @comment  node-name,  next,  previous,  up
550 @subsection Local Foreign Variables
551
552 @defmac @sbalien{with-alien} @var{var-definitions} &body @var{body}
553
554 The @code{with-alien} macro establishes local foreign variables with
555 the specified alien types and names.  This form is analogous to
556 defining a local variable in C: additional storage is allocated, and
557 the initial value is copied.  This form is less analogous to
558 @code{LET}-allocated Lisp variables, since the variables can't be
559 captured in closures: they live only for the dynamic extent of the
560 body, and referring to them outside is a gruesome error.
561
562 The @var{var-definitions} argument is a list of 
563 variable definitions, each of the form
564 @lisp
565 (@var{name} @var{type} &optional @var{initial-value})
566 @end lisp
567
568 The names of the variables are established as symbol-macros; the
569 bindings have lexical scope, and may be assigned with @code{setq} or
570 @code{setf}.
571  
572 The @code{with-alien} macro also establishes a new scope for named
573 structures and unions.  Any @var{type} specified for a variable may
574 contain named structure or union types with the slots specified.
575 Within the lexical scope of the binding specifiers and body, a locally
576 defined foreign structure type @var{foo} can be referenced by its name
577 using @code{(struct @var{foo})}.
578 @end defmac
579
580 @node  External Foreign Variables
581 @comment  node-name,  next,  previous,  up
582 @subsection External Foreign Variables
583
584 External foreign names are strings, and Lisp names are symbols. When
585 an external foreign value is represented using a Lisp variable, there
586 must be a way to convert from one name syntax into the other. The
587 macros @code{extern-alien}, @code{define-alien-variable} and
588 @code{define-alien-routine} use this conversion heuristic:
589
590 @itemize
591
592 @item
593 Alien names are converted to Lisp names by uppercasing and replacing
594 underscores with hyphens.
595
596 @item
597 Conversely, Lisp names are converted to alien names by lowercasing and
598 replacing hyphens with underscores.
599
600 @item
601 Both the Lisp symbol and alien string names may be separately
602 specified by using a list of the form
603
604 @lisp
605 (alien-string lisp-symbol)
606 @end lisp
607
608 @end itemize
609
610 @defmac @sbalien{define-alien-variable} @var{name} @var{type}
611
612 The @code{define-alien-variable} macro defines @var{name} as an
613 external foreign variable of the specified foreign @code{type}.
614 @var{name} and @code{type} are not evaluated.  The Lisp name of the
615 variable (see above) becomes a global alien variable.  Global alien
616 variables are effectively ``global symbol macros''; a reference to the
617 variable fetches the contents of the external variable.  Similarly,
618 setting the variable stores new contents -- the new contents must be
619 of the declared @code{type}. Someday, they may well be implemented
620 using the @acronym{ANSI} @code{define-symbol-macro} mechanism, but as
621 of SBCL 0.7.5, they are still implemented using an older more-or-less
622 parallel mechanism inherited from CMUCL.
623   
624 For example, to access a C-level counter @var{foo}, one could write
625
626 @lisp
627 (define-alien-variable "foo" int)
628 ;; Now it is possible to get the value of the C variable foo simply by
629 ;; referencing that Lisp variable:
630 (print foo)
631 (setf foo 14)
632 (incf foo)
633 @end lisp
634 @end defmac
635
636 @defun @sbalien{get-errno}
637
638 Since in modern C libraries, the @code{errno} ``variable'' is typically
639 no longer a variable, but some bizarre artificial construct
640 which behaves superficially like a variable within a given thread,
641 it can no longer reliably be accessed through the ordinary 
642 @code{define-alien-variable} mechanism. Instead, SBCL provides
643 the operator @code{sb-alien:get-errno} to allow Lisp code to read it.
644 @end defun
645
646 @defmac @sbalien{extern-alien} @var{name} @var{type}
647
648 The @code{extern-alien} macro returns an alien with the specified
649 @var{type} which points to an externally defined value.  @var{name} is
650 not evaluated, and may be either a string or a symbol.  @var{type} is
651 an unevaluated alien type specifier.
652 @end defmac
653
654 @node  Foreign Data Structure Examples
655 @comment  node-name,  next,  previous,  up
656 @section Foreign Data Structure Examples
657 @c AKA "Alien Data Structure Example" in the CMU CL manual
658
659 Now that we have alien types, operations and variables, we can
660 manipulate foreign data structures.  This C declaration
661
662 @example
663 struct foo @{
664     int a;
665     struct foo *b[100];
666 @};
667 @end example
668
669 can be translated into the following alien type:
670
671 @lisp
672 (define-alien-type nil
673   (struct foo
674     (a int)
675     (b (array (* (struct foo)) 100))))
676 @end lisp
677
678 Once the @code{foo} alien type has been defined as above, the C
679 expression
680
681 @example
682 struct foo f;
683 f.b[7].a;
684 @end example
685
686 can be translated in this way:
687
688 @lisp
689 (with-alien ((f (struct foo)))
690   (slot (deref (slot f 'b) 7) 'a)
691   ;;
692   ;; Do something with f...
693   )
694 @end lisp
695
696 Or consider this example of an external C variable and some accesses:
697
698 @example
699 struct c_struct @{
700         short x, y;
701         char a, b;
702         int z;
703         c_struct *n;
704 @};
705 extern struct c_struct *my_struct;
706 my_struct->x++;
707 my_struct->a = 5;
708 my_struct = my_struct->n;
709 @end example
710
711 which can be manipulated in Lisp like this:
712
713 @lisp
714 (define-alien-type nil
715   (struct c-struct
716           (x short)
717           (y short)
718           (a char)
719           (b char)
720           (z int)
721           (n (* c-struct))))
722 (define-alien-variable "my_struct" (* c-struct))
723 (incf (slot my-struct 'x))
724 (setf (slot my-struct 'a) 5)
725 (setq my-struct (slot my-struct 'n))
726 @end lisp
727
728 @node  Loading Shared Object Files
729 @comment  node-name,  next,  previous,  up
730 @section Loading Shared Object Files
731
732 Foreign object files can be loaded into the running Lisp process by
733 calling @code{load-shared-object}.
734
735 @include fun-sb-alien-load-shared-object.texinfo
736
737 @include fun-sb-alien-unload-shared-object.texinfo
738
739 @node  Foreign Function Calls
740 @comment  node-name,  next,  previous,  up
741 @section Foreign Function Calls
742
743 The foreign function call interface allows a Lisp program to call
744 many functions written in languages that use the C calling convention.
745
746 Lisp sets up various signal handling routines and other environment
747 information when it first starts up, and expects these to be in place
748 at all times. The C functions called by Lisp should not change the
749 environment, especially the signal handlers: the signal handlers
750 installed by Lisp typically have interesting flags set (e.g to request
751 machine context information, or for signal delivery on an alternate
752 stack) which the Lisp runtime relies on for correct operation.
753 Precise details of how this works may change without notice between
754 versions; the source, or the brain of a friendly SBCL developer, is
755 the only documentation.  Users of a Lisp built with the
756 @code{:sb-thread} feature should also read the section about threads,
757 @ref{Threading}.
758
759 @menu
760 * The alien-funcall Primitive::  
761 * The define-alien-routine Macro::  
762 * define-alien-routine Example::  
763 * Calling Lisp From C::         
764 @end menu
765
766 @node  The alien-funcall Primitive
767 @comment  node-name,  next,  previous,  up
768 @subsection The @code{alien-funcall} Primitive
769
770 @defun @sbalien{alien-funcall} @var{alien-function} &rest @var{arguments}
771
772 The @code{alien-funcall} function is the foreign function call
773 primitive: @var{alien-function} is called with the supplied
774 @var{arguments} and its C return value is returned as a Lisp value.
775 The @var{alien-function} is an arbitrary run-time expression; to refer
776 to a constant function, use @code{extern-alien} or a value defined by
777 @code{define-alien-routine}.
778   
779 The type of @code{alien-function} must be @code{(alien (function
780 ...))}  or @code{(alien (* (function ...)))}.  The function type is
781 used to determine how to call the function (as though it was declared
782 with a prototype.)  The type need not be known at compile time, but
783 only known-type calls are efficiently compiled.  Limitations:
784
785 @itemize
786
787 @item
788 Structure type return values are not implemented.
789
790 @item
791 Passing of structures by value is not implemented.
792
793 @end itemize
794
795 @end defun
796
797 Here is an example which allocates a @code{(struct foo)}, calls a
798 foreign function to initialize it, then returns a Lisp vector of all
799 the @code{(* (struct foo))} objects filled in by the foreign call:
800
801 @lisp
802 ;; Allocate a foo on the stack.
803 (with-alien ((f (struct foo)))
804   ;; Call some C function to fill in foo fields.
805   (alien-funcall (extern-alien "mangle_foo" (function void (* foo)))
806                  (addr f))
807   ;; Find how many foos to use by getting the A field.
808   (let* ((num (slot f 'a))
809          (result (make-array num)))
810     ;; Get a pointer to the array so that we don't have to keep extracting it:
811     (with-alien ((a (* (array (* (struct foo)) 100)) (addr (slot f 'b))))
812       ;; Loop over the first N elements and stash them in the result vector.
813       (dotimes (i num)
814         (setf (svref result i) (deref (deref a) i)))
815       ;; Voila.
816       result)))
817 @end lisp
818
819 @node  The define-alien-routine Macro
820 @comment  node-name,  next,  previous,  up
821 @subsection The @code{define-alien-routine} Macro
822
823 @defmac @sbalien{define-alien-routine} @var{name} @var{result-type} &rest @var{arg-specifiers}
824
825 The @code{define-alien-routine} macro is a convenience for
826 automatically generating Lisp interfaces to simple foreign functions.
827 The primary feature is the parameter style specification, which
828 translates the C pass-by-reference idiom into additional return
829 values.
830
831 @var{name} is usually a string external symbol, but may also be a
832 symbol Lisp name or a list of the foreign name and the Lisp name.  If
833 only one name is specified, the other is automatically derived as for
834 @code{extern-alien}.  @var{result-type} is the alien type of the
835 return value.
836
837 Each element of the @var{arg-specifiers} list 
838 specifies an argument to the foreign function, and is
839 of the form
840 @lisp
841 (aname atype &optional style)
842 @end lisp
843
844 @var{aname} is the symbol name of the argument to the constructed
845 function (for documentation). @var{atype} is the alien type of
846 corresponding foreign argument.  The semantics of the actual call are
847 the same as for @code{alien-funcall}. @var{style} specifies how this
848 argument should be handled at call and return time, and should be one
849 of the following:
850
851 @itemize
852
853 @item
854 @code{:in} specifies that the argument is passed by value. This is the
855 default. @code{:in} arguments have no corresponding return value from
856 the Lisp function.
857
858 @item
859 @code{:copy} is similar to @code{:in}, but the argument is copied to a
860 pre-allocated object and a pointer to this object is passed to the
861 foreign routine.
862
863 @item
864 @code{:out} specifies a pass-by-reference output value.  The type of
865 the argument must be a pointer to a fixed-sized object (such as an
866 integer or pointer).  @code{:out} and @code{:in-out} style cannot be
867 used with pointers to arrays, records or functions.  An object of the
868 correct size is allocated on the stack, and its address is passed to
869 the foreign function.  When the function returns, the contents of this
870 location are returned as one of the values of the Lisp function (and
871 the location is automatically deallocated).
872
873 @item
874 @code{:in-out} is a combination of @code{:copy} and @code{:out}.  The
875 argument is copied to a pre-allocated object and a pointer to this
876 object is passed to the foreign routine.  On return, the contents of
877 this location is returned as an additional value.
878
879 @end itemize
880
881 @quotation
882 Note: Any efficiency-critical foreign interface function should be inline
883 expanded, which can be done by preceding the
884 @code{define-alien-routine} call with:
885
886 @lisp
887 (declaim (inline lisp-name))
888 @end lisp
889
890 In addition to avoiding the Lisp call overhead, this allows
891 pointers, word-integers and floats to be passed using non-descriptor
892 representations, avoiding consing.)
893 @end quotation
894
895 @end defmac
896
897 @node  define-alien-routine Example
898 @comment  node-name,  next,  previous,  up
899 @subsection @code{define-alien-routine} Example
900
901 Consider the C function @code{cfoo} with the following calling
902 convention:
903
904 @example
905 void
906 cfoo (str, a, i)
907     char *str;
908     char *a; /* update */
909     int *i; /* out */
910 @{
911   /* body of cfoo(...) */
912 @}
913 @end example
914
915 This can be described by the following call to
916 @code{define-alien-routine}:
917
918 @lisp
919 (define-alien-routine "cfoo" void
920   (str c-string)
921   (a char :in-out)
922   (i int :out))
923 @end lisp
924
925 The Lisp function @code{cfoo} will have two arguments (@var{str} and
926 @var{a}) and two return values (@var{a} and @var{i}).
927
928 @node  Calling Lisp From C
929 @comment  node-name,  next,  previous,  up
930 @subsection Calling Lisp From C
931
932 Calling Lisp functions from C is sometimes possible, but is extremely
933 hackish and poorly supported as of SBCL 0.7.5.  See @code{funcall0}
934 @dots{} @code{funcall3} in the runtime system. The arguments must be
935 valid SBCL object descriptors (so that e.g. fixnums must be
936 left-shifted by 2.) As of SBCL 0.7.5, the format of object descriptors
937 is documented only by the source code and, in parts, by the old CMUCL
938 @file{INTERNALS} documentation.
939
940 Note that the garbage collector moves objects, and won't be
941 able to fix up any references in C variables.  There are three
942 mechanisms for coping with this: 
943
944 @enumerate
945 @item
946 The @code{sb-ext:purify} moves all live Lisp
947 data into static or read-only areas such that it will never be moved
948 (or freed) again in the life of the Lisp session
949
950 @item
951 @code{sb-sys:with-pinned-objects} is a macro which arranges for some
952 set of objects to be pinned in memory for the dynamic extent of its
953 body forms.  On ports which use the generational garbage collector (as
954 of SBCL 0.8.3, only the x86) this has a page granularity - i.e. the
955 entire 4k page or pages containing the objects will be locked down. On
956 other ports it is implemented by turning off GC for the duration (so
957 could be said to have a whole-world granularity).
958
959 @item
960 Disable GC, using the @code{without-gcing} macro.
961 @end enumerate
962
963 @c <!-- FIXME: This is a "changebar" section from the CMU CL manual.
964 @c      I (WHN 2002-07-14) am not very familiar with this content, so 
965 @c      I'm not immediately prepared to try to update it for SBCL, and
966 @c      I'm not feeling masochistic enough to work to encourage this
967 @c      kind of low-level hack anyway. However, I acknowledge that callbacks
968 @c      are sometimes really really necessary, so I include the original
969 @c      text in case someone is hard-core enough to benefit from it. If
970 @c      anyone brings the information up to date for SBCL, it belong
971 @c      either in the main manual or on a CLiki SBCL Internals page.
972 @c LaTeX \subsection{Accessing Lisp Arrays}
973 @c LaTeX 
974 @c LaTeX Due to the way \cmucl{} manages memory, the amount of memory that can
975 @c LaTeX be dynamically allocated by \code{malloc} or \funref{make-alien} is
976 @c LaTeX limited\footnote{\cmucl{} mmaps a large piece of memory for it's own
977 @c LaTeX   use and this memory is typically about 8 MB above the start of the C
978 @c LaTeX   heap.  Thus, only about 8 MB of memory can be dynamically
979 @c LaTeX   allocated.}.
980
981 @c Empirically determined to be considerably >8Mb on this x86 linux
982 @c machine, but I don't know what the actual values are - dan 2003.09.01
983
984 @c Note that this technique is used in SB-GROVEL in the SBCL contrib
985
986 @c LaTeX 
987 @c LaTeX To overcome this limitation, it is possible to access the content of
988 @c LaTeX Lisp arrays which are limited only by the amount of physical memory
989 @c LaTeX and swap space available.  However, this technique is only useful if
990 @c LaTeX the foreign function takes pointers to memory instead of allocating
991 @c LaTeX memory for itself.  In latter case, you will have to modify the
992 @c LaTeX foreign functions.
993 @c LaTeX 
994 @c LaTeX This technique takes advantage of the fact that \cmucl{} has
995 @c LaTeX specialized array types (\pxlref{specialized-array-types}) that match
996 @c LaTeX a typical C array.  For example, a \code{(simple-array double-float
997 @c LaTeX   (100))} is stored in memory in essentially the same way as the C
998 @c LaTeX array \code{double x[100]} would be.  The following function allows us
999 @c LaTeX to get the physical address of such a Lisp array:
1000 @c LaTeX \begin{example}
1001 @c LaTeX (defun array-data-address (array)
1002 @c LaTeX   "Return the physical address of where the actual data of an array is
1003 @c LaTeX stored.
1004 @c LaTeX 
1005 @c LaTeX ARRAY must be a specialized array type in CMU Lisp.  This means ARRAY
1006 @c LaTeX must be an array of one of the following types:
1007 @c LaTeX 
1008 @c LaTeX                   double-float
1009 @c LaTeX                   single-float
1010 @c LaTeX                   (unsigned-byte 32)
1011 @c LaTeX                   (unsigned-byte 16)
1012 @c LaTeX                   (unsigned-byte  8)
1013 @c LaTeX                   (signed-byte 32)
1014 @c LaTeX                   (signed-byte 16)
1015 @c LaTeX                   (signed-byte  8)
1016 @c LaTeX "
1017 @c LaTeX   (declare (type (or #+signed-array (array (signed-byte 8))
1018 @c LaTeX                      #+signed-array (array (signed-byte 16))
1019 @c LaTeX                      #+signed-array (array (signed-byte 32))
1020 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 8))
1021 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 16))
1022 @c LaTeX                      (array (unsigned-byte 32))
1023 @c LaTeX                      (array single-float)
1024 @c LaTeX                      (array double-float))
1025 @c LaTeX                  array)
1026 @c LaTeX            (optimize (speed 3) (safety 0))
1027 @c LaTeX            (ext:optimize-interface (safety 3)))
1028 @c LaTeX   ;; with-array-data will get us to the actual data.  However, because
1029 @c LaTeX   ;; the array could have been displaced, we need to know where the
1030 @c LaTeX   ;; data starts.
1031 @c LaTeX   (lisp::with-array-data ((data array)
1032 @c LaTeX                           (start)
1033 @c LaTeX                           (end))
1034 @c LaTeX     (declare (ignore end))
1035 @c LaTeX     ;; DATA is a specialized simple-array.  Memory is laid out like this:
1036 @c LaTeX     ;;
1037 @c LaTeX     ;;   byte offset    Value
1038 @c LaTeX     ;;        0         type code (should be 70 for double-float vector)
1039 @c LaTeX     ;;        4         4 * number of elements in vector
1040 @c LaTeX     ;;        8         1st element of vector
1041 @c LaTeX     ;;      ...         ...
1042 @c LaTeX     ;;
1043 @c LaTeX     (let ((addr (+ 8 (logandc1 7 (kernel:get-lisp-obj-address data))))
1044 @c LaTeX           (type-size (let ((type (array-element-type data)))
1045 @c LaTeX                        (cond ((or (equal type '(signed-byte 8))
1046 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 8)))
1047 @c LaTeX                               1)
1048 @c LaTeX                              ((or (equal type '(signed-byte 16))
1049 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 16)))
1050 @c LaTeX                               2)
1051 @c LaTeX                              ((or (equal type '(signed-byte 32))
1052 @c LaTeX                                   (equal type '(unsigned-byte 32)))
1053 @c LaTeX                               4)
1054 @c LaTeX                              ((equal type 'single-float)
1055 @c LaTeX                               4)
1056 @c LaTeX                              ((equal type 'double-float)
1057 @c LaTeX                               8)
1058 @c LaTeX                              (t
1059 @c LaTeX                               (error "Unknown specialized array element type"))))))
1060 @c LaTeX       (declare (type (unsigned-byte 32) addr)
1061 @c LaTeX                (optimize (speed 3) (safety 0) (ext:inhibit-warnings 3)))
1062 @c LaTeX       (system:int-sap (the (unsigned-byte 32)
1063 @c LaTeX                         (+ addr (* type-size start)))))))
1064 @c LaTeX \end{example}
1065 @c LaTeX 
1066 @c LaTeX Assume we have the C function below that we wish to use:
1067 @c LaTeX \begin{example}
1068 @c LaTeX   double dotprod(double* x, double* y, int n)
1069 @c LaTeX   \{
1070 @c LaTeX     int k;
1071 @c LaTeX     double sum = 0;
1072 @c LaTeX 
1073 @c LaTeX     for (k = 0; k < n; ++k) \{
1074 @c LaTeX       sum += x[k] * y[k];
1075 @c LaTeX     \}
1076 @c LaTeX   \}
1077 @c LaTeX \end{example}
1078 @c LaTeX The following example generates two large arrays in Lisp, and calls the C
1079 @c LaTeX function to do the desired computation.  This would not have been
1080 @c LaTeX possible using \code{malloc} or \code{make-alien} since we need about
1081 @c LaTeX 16 MB of memory to hold the two arrays.
1082 @c LaTeX \begin{example}
1083 @c LaTeX   (define-alien-routine "dotprod" double
1084 @c LaTeX     (x (* double-float) :in)
1085 @c LaTeX     (y (* double-float) :in)
1086 @c LaTeX     (n int :in))
1087 @c LaTeX     
1088 @c LaTeX   (let ((x (make-array 1000000 :element-type 'double-float))
1089 @c LaTeX         (y (make-array 1000000 :element-type 'double-float)))
1090 @c LaTeX     ;; Initialize X and Y somehow
1091 @c LaTeX     (let ((x-addr (system:int-sap (array-data-address x)))
1092 @c LaTeX           (y-addr (system:int-sap (array-data-address y))))
1093 @c LaTeX       (dotprod x-addr y-addr 1000000)))    
1094 @c LaTeX \end{example}
1095 @c LaTeX In this example, it may be useful to wrap the inner \code{let}
1096 @c LaTeX expression in an \code{unwind-protect} that first turns off garbage
1097 @c LaTeX collection and then turns garbage collection on afterwards.  This will
1098 @c LaTeX prevent garbage collection from moving \code{x} and \code{y} after we
1099 @c LaTeX have obtained the (now erroneous) addresses but before the call to
1100 @c LaTeX \code{dotprod} is made.
1101 @c LaTeX 
1102 @c -->
1103
1104
1105 @node  Step-By-Step Example of the Foreign Function Interface
1106 @comment  node-name,  next,  previous,  up
1107 @section Step-By-Step Example of the Foreign Function Interface
1108
1109 This section presents a complete example of an interface to a somewhat
1110 complicated C function.
1111
1112 Suppose you have the following C function which you want to be able to
1113 call from Lisp in the file @file{test.c}
1114
1115 @example
1116 struct c_struct
1117 @{
1118   int x;
1119   char *s;
1120 @};
1121  
1122 struct c_struct *c_function (i, s, r, a)
1123     int i;
1124     char *s;
1125     struct c_struct *r;
1126     int a[10];
1127 @{
1128   int j;
1129   struct c_struct *r2;
1130  
1131   printf("i = %d\n", i);
1132   printf("s = %s\n", s);
1133   printf("r->x = %d\n", r->x);
1134   printf("r->s = %s\n", r->s);
1135   for (j = 0; j < 10; j++) printf("a[%d] = %d.\n", j, a[j]);
1136   r2 = (struct c_struct *) malloc (sizeof(struct c_struct));
1137   r2->x = i + 5;
1138   r2->s = "a C string";
1139   return(r2);
1140 @};
1141 @end example
1142
1143 It is possible to call this C function from Lisp using the file
1144 @file{test.lisp} containing
1145
1146 @lisp
1147 (cl:defpackage "TEST-C-CALL" (:use "CL" "SB-ALIEN" "SB-C-CALL"))
1148 (cl:in-package "TEST-C-CALL")
1149
1150 ;;; Define the record C-STRUCT in Lisp.
1151 (define-alien-type nil
1152     (struct c-struct
1153             (x int)
1154             (s c-string)))
1155
1156 ;;; Define the Lisp function interface to the C routine.  It returns a
1157 ;;; pointer to a record of type C-STRUCT.  It accepts four parameters:
1158 ;;; I, an int; S, a pointer to a string; R, a pointer to a C-STRUCT
1159 ;;; record; and A, a pointer to the array of 10 ints.
1160 ;;;
1161 ;;; The INLINE declaration eliminates some efficiency notes about heap
1162 ;;; allocation of alien values.
1163 (declaim (inline c-function))
1164 (define-alien-routine c-function
1165     (* (struct c-struct))
1166   (i int)
1167   (s c-string)
1168   (r (* (struct c-struct)))
1169   (a (array int 10)))
1170
1171 ;;; a function which sets up the parameters to the C function and
1172 ;;; actually calls it
1173 (defun call-cfun ()
1174   (with-alien ((ar (array int 10))
1175                (c-struct (struct c-struct)))
1176     (dotimes (i 10)                     ; Fill array.
1177       (setf (deref ar i) i))
1178     (setf (slot c-struct 'x) 20)
1179     (setf (slot c-struct 's) "a Lisp string")
1180
1181     (with-alien ((res (* (struct c-struct))
1182                       (c-function 5 "another Lisp string" (addr c-struct) ar)))
1183       (format t "~&amp;back from C function~%")
1184       (multiple-value-prog1
1185           (values (slot res 'x)
1186                   (slot res 's))
1187
1188         ;; Deallocate result. (after we are done referring to it:
1189         ;; "Pillage, *then* burn.")
1190         (free-alien res)))))
1191 @end lisp
1192
1193 To execute the above example, it is necessary to compile the C
1194 routine, e.g.: @samp{cc -c test.c && ld -shared -o test.so test.o} (In
1195 order to enable incremental loading with some linkers, you may need to
1196 say @samp{cc -G 0 -c test.c})
1197
1198 Once the C code has been compiled, you can start up Lisp and load it in:
1199 @samp{sbcl}.  Lisp should start up with its normal prompt.
1200
1201 Within Lisp, compile the Lisp file. (This step can be done
1202 separately. You don't have to recompile every time.)
1203 @samp{(compile-file "test.lisp")}
1204
1205 Within Lisp, load the foreign object file to define the necessary
1206 symbols: @samp{(load-shared-object "test.so")}. 
1207
1208 Now you can load the compiled Lisp (``fasl'') file into Lisp:
1209 @samp{(load "test.fasl")}
1210 And once the Lisp file is loaded, you can call the 
1211 Lisp routine that sets up the parameters and calls the C
1212 function:
1213 @samp{(test-c-call::call-cfun)}
1214
1215 The C routine should print the following information to standard output:
1216
1217 @example
1218 i = 5
1219 s = another Lisp string
1220 r->x = 20
1221 r->s = a Lisp string
1222 a[0] = 0.
1223 a[1] = 1.
1224 a[2] = 2.
1225 a[3] = 3.
1226 a[4] = 4.
1227 a[5] = 5.
1228 a[6] = 6.
1229 a[7] = 7.
1230 a[8] = 8.
1231 a[9] = 9.
1232 @end example
1233
1234 After return from the C function,
1235 the Lisp wrapper function should print the following output:
1236
1237 @example
1238 back from C function
1239 @end example
1240
1241 And upon return from the Lisp wrapper function,
1242 before the next prompt is printed, the
1243 Lisp read-eval-print loop should print the following return values:
1244
1245 @example
1246 10
1247 "a C string"
1248 @end example