了解如何混合使用 c、c++ 和 swift，同时提高 app 的安全性。我们将介绍如何在 swift 代码中找到不安全的 c 和 c++ api 调用位置、如何更安全地调用这些 api，以及如何使 app 中的现有 c 和 c++ 代码默认处于更安全的状态。

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安全混合使用 C、C++ 与 Swift：实现跨语言安全互操作

在现代应用开发中，混合使用 Swift 与 C/C++ 代码的情况十分常见。本文将详细介绍如何在保证安全性的前提下实现跨语言调用，帮助开发者避免常见的安全隐患。

引言

随着 Swift 在应用开发中的普及，许多开发者都会面临与现有 C/C++ 代码库互操作的需求。然而，这种混合编程方式可能带来严重的安全隐患，特别是当涉及到指针操作时。苹果安全语言扩展团队经理 Yeoul 在 WWDC 演讲中详细介绍了如何解决这些问题。

定位不安全调用

Swift 6.2 引入的”严格内存安全”编译模式可以帮助开发者识别潜在的 unsafe 调用。例如：

var imageData = [UInt8](repeating: 0, count: imageDataSize)
filterImage(&imageData, imageData.count)

在启用该模式后，编译器会明确警告这种不安全构造，提示开发者需要标记为”unsafe”。

要在项目中启用严格内存安全模式，开发者需要在 Xcode 项目设置中进行手动配置。这种模式能够标记所有不安全代码并解释其原因，是发现混合编程安全问题的第一道防线。

安全调用 C/C++ 代码

指针安全问题

原始指针最大的安全挑战在于缺乏边界保护和生命周期管理。Swift 6.2 引入了新型安全指针 Span 和 MutableSpan，既保留了指针的高效性，又内置了安全防护。

添加安全注解

开发者可以通过添加特定注解来提升指针安全性：

  1. 边界保护：使用 __counted_by 注解显式关联指针与元素数量
void invertImage(uint8_t *__counted_by(imageSize) imagePtr __noescape, size_t imageSize);
  1. 生命周期管理：使用 __noescape 声明参数不逃逸函数范围
void applyGrayscale(CxxSpanOfByte imageView __noescape);
  1. 返回值安全：使用 __lifetimebound 确保返回值的生命周期正确
CxxSpanOfByte scanImageRow(CxxSpanOfByte imageView __lifetimebound, size_t width, size_t rowIndex);

安全导入自定义 C++ 类型

对于自定义的 C++ 类型，开发者可以通过特定的注解实现安全导入：

  1. 视图类型：使用 SWIFT_NONESCAPABLE 注解确保不超越所指内存的生命周期
struct ImageView {
  std::span<uint8_t> pixelBytes;
  int width;
  int height;
} SWIFT_NONESCAPABLE;
  1. 引用计数类型：使用 SWIFT_SHARED_REFERENCE 指定引用计数函数
struct ImageBuffer {
  std::vector<uint8_t> data;
  std::atomic<unsigned> refCount;
} SWIFT_SHARED_REFERENCE(retain_image_buffer, release_image_buffer);

ImageBuffer* createImage() SWIFT_RETURNS_RETAINED;

提升 C/C++ 代码安全性

虽然无法完全消除 C/C++ 的安全隐患，但开发者可以采取以下措施提升安全性：

  1. 启用 C++标准库强化功能，对 std::span 等标准容器进行边界检查
  2. 启用 C++不安全缓冲区错误检查，强制使用 std::span 代替原始指针
  3. 使用 C边界安全扩展，通过 __counted_by 等注解为指针添加边界信息

这些安全特性可以在 Xcode 的项目设置中统一启用。

总结与最佳实践

为确保混合语言编程的安全性，开发者应当遵循以下最佳实践：

  1. 在 Swift 项目中启用严格内存安全模式
  2. 为所有 C/C++ API 添加适当的安全注解
  3. 开启 C/C++ 的边界安全特性

苹果正在与开源社区合作完善语言间的安全互操作机制，开发者可以参考以下资源了解更多信息：

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优化 Swift 代码的内存使用和性能

文档资料

-fbounds-safety: Enforcing bounds safety for C
Safely Mixing Swift and C++