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