C++调用Go方法的字符串传递问题及解决方案

现象

在一个APP技术项目中，子进程按请求加载Go的ServiceModule，将需要拉起的ServiceModule信息传递给Go的Loader，存在C++调用Go方法，传递字符串的场景。

方案验证时，发现有奇怪的将std::string对象的内容传递给Go方法后，在Go方法协程中取到的值与预期不一致。

经过一段时间的分析和验证，终于理解问题产生的原因并给出解决方案，现分享如下。

背景知识

1. Go有自己的内存回收GC机制，通过make等申请的内存不需要手动释放。

2. C++中为std::string变量赋值新字符串后，.c_str()和.size()的结果会联动变化，尤其是.c_str()指向的地址也有可能变化。

3. go build -buildmode=c-shared .生成的.h头文件中定义了C++中Go的变量类型的定义映射关系，比如GoString、GoInt等。其中GoString实际是一个结构体，包含一个字符指针和一个字符长度。

原理及解释

通过代码示例方式解释具体现象及原因，详见注释

C++侧代码：

1	//
2	// Created by w00526151 on 2020/11/5.
3	//
4	
5	#include <string>
6	#include <iostream>
7	#include <unistd.h>
8	#include "libgoloader.h"
9	
10	/**
11	* 构造GoString结构体对象
12	* @param p
13	* @param n
14	* @return
15	*/
16	GoString buildGoString(const char* p, size_t n){
17	//typedef struct { const char *p; ptrdiff_t n; } _GoString_;
18	//typedef _GoString_ GoString;
19	return {p, static_cast<ptrdiff_t>(n)};
20	}
21	
22	int main(){
23	std::cout<<"test send string to go in C++"<<std::endl;
24	
25	std::string tmpStr = "/tmp/udsgateway-netconftemplateservice";
26	printf("in C++ tmpStr: %p, tmpStr: %s, tmpStr.size:%lu \r\n", tmpStr.c_str(), tmpStr.c_str(), tmpStr.size());
27	{
28	//通过new新申请一段内存做字符串拷贝
29	char *newStrPtr = NULL;
30	int newStrSize = tmpStr.size();
31	newStrPtr = new char[newStrSize];
32	tmpStr.copy(newStrPtr, newStrSize, 0);
33	
34	//调用Go方法，第一个参数直接传std::string的c_str指针和大小，第二个参数传在C++中单独申请的内存并拷贝的字符串指针，第三个参数和第一个一样，但是在go代码中做内存拷贝保存。
35	//调用Go方法后，通过赋值修改std::string的值内容，等待Go中新起的线程10s后再将三个参数值打印出来。
36	LoadModule(buildGoString(tmpStr.c_str(), tmpStr.size()), buildGoString(newStrPtr, newStrSize), buildGoString(tmpStr.c_str(),tmpStr.size()));
37	//修改tmpStr的值，tmpStr.c_str()得到的指针指向内容会变化，tmpStr.size()的值也会变化，Go中第一个参数也会受到影响，前几位会变成新字符串内容。
38	//由于在Go中int是值拷贝，所以在Go中，第一个参数的长度没有变化，因此实际在Go中已经出现内存越界访问，可能产生Coredump。
39	tmpStr = "new string";
40	printf("in C++ change tmpStr and delete newStrPtr, new tmpStr: %p, tmpStr: %s, tmpStr.size:%lu \r\n", tmpStr.c_str(), tmpStr.c_str(), tmpStr.size());
41	//释放新申请的newStrPtr指针，Go中对应第二个string变量内存也会受到影响，产生乱码。
42	// 实际在Go中，已经在访问一段在C++中已经释放的内存，属于野指针访问，可能产生Coredump。
43	delete newStrPtr;
44	}
45	pause();
46	}

Go侧代码：

1	package main
2	
3	import "C"
4	import (
5	"fmt"
6	"time"
7	)
8	
9	func printInGo(p0 string, p1 string, p2 string){
10	time.Sleep(10 * time.Second)
11	fmt.Printf("in go function, p0:%s size %d, p1:%s size %d, p2:%s size %d", p0, len(p0), p1, len(p1), p2, len(p2))
12	}
13	
14	//export LoadModule
15	func LoadModule(name string, version string, location string) int {
16	//通过make的方式，新构建一段内存来存放从C++处传入的字符串，深度拷贝防止C++中修改影响Go
17	tmp3rdParam := make([]byte, len(location))
18	copy(tmp3rdParam, location)
19	new3rdParam := string(tmp3rdParam)
20	fmt.Println("in go loadModule,first param is",name,"second param is",version, "third param is", new3rdParam)
21	go printInGo(name, version, new3rdParam);
22	return 0
23	}

Go侧代码通过-buildmode=c-shared的方式生成libgoloader.so及libgoloader.h供C++编译运行使用

1	go build -o libgoloader.so -buildmode=c-shared .

程序执行结果：

1	test send string to go in C++
2	in C++ tmpStr: 0x7fffe1fb93f0, tmpStr: /tmp/udsgateway-netconftemplateservice, tmpStr.size:38 
3	# 将C++的指针传给Go，一开始打印都是OK的
4	in go loadModule,first param is /tmp/udsgateway-netconftemplateservice second param is /tmp/udsgateway-netconftemplateservice third param is /tmp/udsgateway-netconftemplateservice
5	# 在C++中，将指针指向的内容修改，或者删掉指针
6	in C++ change tmpStr and delete newStrPtr, new tmpStr: 0x7fffe1fb93f0, tmpStr: new string, tmpStr.size:10 
7	# 在Go中，参数1、参数2对应的Go string变量都受到了影响，参数3由于做了深度拷贝，没有受到影响。
8	in go function, p0:new string eway-netconftemplateservice size 38, p1: p��� netconftemplateservice size 38, p2:/tmp/udsgateway-netconftemplateservice size 38

结论

• 结论：C++调用Go方法时，字符串参数的内存管理需要由Go侧进行深度值拷贝。即参数三的处理方式

• 原因：传入的字符串GoString，实际是一个结构体，第一个成员p是一个char*指针，第二个成员n是一个int长度。

在C++代码中，任何对成员p的char*指针的操作，都将直接影响到Go中的string对象的值。

只有通过单独的内存空间开辟，进行独立内存管理，才可以避免C++中的指针操作对Go的影响。

ps：不在C++中进行内存申请释放的原因是C++无法感知Go中何时才能真的已经没有对象引用，无法找到合适的时间点进行内存释放。