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Rubyの拡張ライブラリの作り方を説明します．
1．基礎知識
Cの変数には型があり，データには型がありません．ですから，た
とえばポインタをintの変数に代入すると，その値は整数として取
り扱われます．逆にRubyの変数には型がなく，データに型がありま
す．この違いのため，CとRubyは相互に変換しなければ，お互いの
データをアクセスできません．
RubyのデータはVALUEというCの型で表現されます．VALUE型のデー
タはそのデータタイプを自分で知っています．このデータタイプと
いうのはデータ(オブジェクト)の実際の構造を意味していて，Ruby
のクラスとはまた違ったものです．
VALUEからCにとって意味のあるデータを取り出すためには
(1) VALUEのデータタイプを知る
(2) VALUEをCのデータに変換する
の両方が必要です．(1)を忘れると間違ったデータの変換が行われ
て，最悪プログラムがcore dumpします．
1.1 データタイプ
Rubyにはユーザが使う可能性のある以下のタイプがあります．
T_NIL nil
T_OBJECT 通常のオブジェクト
T_CLASS クラス
T_MODULE モジュール
T_FLOAT 浮動小数点数
T_STRING 文字列
T_REGEXP 正規表現
T_ARRAY 配列
T_HASH 連想配列
T_STRUCT (Rubyの)構造体
T_BIGNUM 多倍長整数
T_FIXNUM Fixnum(31bitまたは63bit長整数)
T_COMPLEX 複素数
T_RATIONAL 有理数
T_FILE 入出力
T_TRUE 真
T_FALSE 偽
T_DATA データ
T_SYMBOL シンボル
その他に内部で利用されている以下のタイプがあります．
T_ICLASS
T_MATCH
T_UNDEF
T_NODE
T_ZOMBIE
ほとんどのタイプはCの構造体で実装されています．
1.2 VALUEのデータタイプをチェックする
ruby.hではTYPE()というマクロが定義されていて，VALUEのデータ
タイプを知ることが出来ます．TYPE()マクロは上で紹介したT_XXXX
の形式の定数を返します．VALUEのデータタイプに応じて処理する
場合には，TYPE()の値で分岐することになります．
switch (TYPE(obj)) {
case T_FIXNUM:
/* FIXNUMの処理 */
break;
case T_STRING:
/* 文字列の処理 */
break;
case T_ARRAY:
/* 配列の処理 */
break;
default:
/* 例外を発生させる */
rb_raise(rb_eTypeError, "not valid value");
break;
}
それとデータタイプをチェックして，正しくなければ例外を発生す
る関数が用意されています．
void Check_Type(VALUE value, int type)
この関数はvalueがtypeで無ければ，例外を発生させます．引数と
して与えられたVALUEのデータタイプが正しいかどうかチェックす
るためには，この関数を使います．
FIXNUMとNILに関してはより高速な判別マクロが用意されています．
FIXNUM_P(obj)
NIL_P(obj)
<<<<<<< HEAD
1.3 VALUEをCのデータに変換する
データタイプがT_NIL，T_FALSE，T_TRUEである時，データはそれぞ
れnil，false，trueです．このデータタイプのオブジェクトはひと
つずつしか存在しません．
データタイプがT_FIXNUMの時，これは31bitまたは63bitのサイズを
持つ整数です．longのサイズが32bitのプラットフォームであれば
31bitに，longのサイズが64bitのプラットフォームであれば63bit
になります. FIXNUM を C の整数に変換するためにはマクロ
「FIX2INT()」または「FIX2LONG()」を使います．これらのマクロ
を使用する際には事前にデータタイプがFIXNUMであることを確認す
る必要がありますが，比較的高速に変換を行うことができます．ま
た，「FIX2LONG()」は例外を発生しませんが，「FIX2INT()」は変
換結果がintのサイズに収まらない場合には例外を発生します．
それから，FIXNUMに限らずRubyのデータを整数に変換する
「NUM2INT()」および「NUM2LONG()」というマクロがあります．こ
れらのマクロはマクロはデータタイプのチェック無しで使えます
(整数に変換できない場合には例外が発生する)．同様にチェック無
で使える変換マクロはdoubleを取り出す「NUM2DBL()」があります．
char* を取り出す場合， StringValue() と StringValuePtr()
を使います．
StringValue(var) は var が String
であれば何もせず，そうでなければ var を var.to_str() の結果
に置き換えるマクロ，StringValuePtr(var) は同様に var を
String に置き換えてから var のバイト列表現に対する char* を
返すマクロです．var の内容を直接置き換える処理が入るので，
var は lvalue である必要があります．
また，StringValuePtr() に類似した StringValueCStr() というマ
クロもあります．StringValueCStr(var) は var を String に置き
換えてから var の文字列表現に対する char* を返します．返され
る文字列の末尾には nul 文字が付加されます．なお，途中に nul
文字が含まれる場合は ArgumentError が発生します．
一方，StringValuePtr() では，末尾に nul 文字がある保証はなく，
途中に nul 文字が含まれている可能性もあります．
それ以外のデータタイプは対応するCの構造体があります．対応す
る構造体のあるVALUEはそのままキャスト(型変換)すれば構造体の
ポインタに変換できます．
構造体は「struct RXxxxx」という名前でruby.hで定義されていま
す．例えば文字列は「struct RString」です．実際に使う可能性が
あるのは文字列と配列くらいだと思います．
ruby.hでは構造体へキャストするマクロも「RXXXXX()」(全部大文
字にしたもの)という名前で提供されています(例: RSTRING())．
構造体からデータを取り出すマクロが提供されています．文字列
strの長さを得るためには「RSTRING_LEN(str)」とし，文字列strを
char*として得るためには「RSTRING_PTR(str)」とします．配列の
場合には，それぞれ「RARRAY_LEN(ary)」，「RARRAY_PTR(ary)」と
なります．
Rubyの構造体を直接アクセスする時に気をつけなければならないこ
とは，配列や文字列の構造体の中身は参照するだけで，直接変更し
ないことです．直接変更した場合，オブジェクトの内容の整合性が
とれなくなって，思わぬバグの原因になります．
1.4 CのデータをVALUEに変換する
VALUEの実際の構造は
* FIXNUMの場合
1bit左シフトして，LSBを立てる．
* その他のポインタの場合
そのままVALUEにキャストする．
となっています．よって，LSBをチェックすればVALUEがFIXNUMかど
うかわかるわけです(ポインタのLSBが立っていないことを仮定して
いる)．
ですから，FIXNUM以外のRubyのオブジェクトの構造体は単にVALUE
にキャストするだけでVALUEに変換出来ます．ただし，任意の構造
体がVALUEにキャスト出来るわけではありません．キャストするの
はRubyの知っている構造体(ruby.hで定義されているstruct RXxxx
のもの)だけです．
FIXNUMに関しては変換マクロを経由する必要があります．Cの整数
からVALUEに変換するマクロは以下のものがあります．必要に応じ
て使い分けてください．
INT2FIX() もとの整数が31bitまたは63bit以内に収まる自信
がある時
INT2NUM() 任意の整数からVALUEへ
INT2NUM()は整数がFIXNUMの範囲に収まらない場合，Bignumに変換
してくれます(が，少し遅い)．
1.5 Rubyのデータを操作する
先程も述べた通り，Rubyの構造体をアクセスする時に内容の更新を
行うことは勧められません．で，Rubyのデータを操作する時には
Rubyが用意している関数を用いてください．
ここではもっとも使われるであろう文字列と配列の生成/操作を行
い関数をあげます(全部ではないです)．
文字列に対する関数
=======
1.3 VALUEをCのデータに変換する
データタイプがT_NIL，T_FALSE，T_TRUEである時，データはそれぞ
れnil，false，trueです．このデータタイプのオブジェクトはひと
つずつしか存在しません．
データタイプがT_FIXNUMの時，これは31bitまたは63bitのサイズを
持つ整数です．longのサイズが32bitのプラットフォームであれば
31bitに，longのサイズが64bitのプラットフォームであれば63bit
になります. FIXNUM を C の整数に変換するためにはマクロ
「FIX2INT()」または「FIX2LONG()」を使います．これらのマクロ
を使用する際には事前にデータタイプがFIXNUMであることを確認す
る必要がありますが，比較的高速に変換を行うことができます．ま
た，「FIX2LONG()」は例外を発生しませんが，「FIX2INT()」は変
換結果がintのサイズに収まらない場合には例外を発生します．
それから，FIXNUMに限らずRubyのデータを整数に変換する
「NUM2INT()」および「NUM2LONG()」というマクロがあります．こ
れらのマクロはマクロはデータタイプのチェック無しで使えます
(整数に変換できない場合には例外が発生する)．同様にチェック無
で使える変換マクロはdoubleを取り出す「NUM2DBL()」があります．
char* を取り出す場合， StringValue() と StringValuePtr()
を使います．
StringValue(var) は var が String
であれば何もせず，そうでなければ var を var.to_str() の結果
に置き換えるマクロ，StringValuePtr(var) は同様に var を
String に置き換えてから var のバイト列表現に対する char* を
返すマクロです．var の内容を直接置き換える処理が入るので，
var は lvalue である必要があります．
また，StringValuePtr() に類似した StringValueCStr() というマ
クロもあります．StringValueCStr(var) は var を String に置き
換えてから var の文字列表現に対する char* を返します．返され
る文字列の末尾には nul 文字が付加されます．なお，途中に nul
文字が含まれる場合は ArgumentError が発生します．
一方，StringValuePtr() では，末尾に nul 文字がある保証はなく，
途中に nul 文字が含まれている可能性もあります．
それ以外のデータタイプは対応するCの構造体があります．対応す
る構造体のあるVALUEはそのままキャスト(型変換)すれば構造体の
ポインタに変換できます．
構造体は「struct RXxxxx」という名前でruby.hで定義されていま
す．例えば文字列は「struct RString」です．実際に使う可能性が
あるのは文字列と配列くらいだと思います．
ruby.hでは構造体へキャストするマクロも「RXXXXX()」(全部大文
字にしたもの)という名前で提供されています(例: RSTRING())．
構造体からデータを取り出すマクロが提供されています．文字列
strの長さを得るためには「RSTRING_LEN(str)」とし，文字列strを
char*として得るためには「RSTRING_PTR(str)」とします．配列の
場合には，それぞれ「RARRAY_LEN(ary)」，「RARRAY_PTR(ary)」と
なります．
Rubyの構造体を直接アクセスする時に気をつけなければならないこ
とは，配列や文字列の構造体の中身は参照するだけで，直接変更し
ないことです．直接変更した場合，オブジェクトの内容の整合性が
とれなくなって，思わぬバグの原因になります．
1.4 CのデータをVALUEに変換する
VALUEの実際の構造は
* FIXNUMの場合
1bit左シフトして，LSBを立てる．
* その他のポインタの場合
そのままVALUEにキャストする．
となっています．よって，LSBをチェックすればVALUEがFIXNUMかど
うかわかるわけです(ポインタのLSBが立っていないことを仮定して
いる)．
ですから，FIXNUM以外のRubyのオブジェクトの構造体は単にVALUE
にキャストするだけでVALUEに変換出来ます．ただし，任意の構造
体がVALUEにキャスト出来るわけではありません．キャストするの
はRubyの知っている構造体(ruby.hで定義されているstruct RXxxx
のもの)だけです．
FIXNUMに関しては変換マクロを経由する必要があります．Cの整数
からVALUEに変換するマクロは以下のものがあります．必要に応じ
て使い分けてください．
INT2FIX() もとの整数が31bitまたは63bit以内に収まる自信
がある時
INT2NUM() 任意の整数からVALUEへ
INT2NUM()は整数がFIXNUMの範囲に収まらない場合，Bignumに変換
してくれます(が，少し遅い)．
1.5 Rubyのデータを操作する
先程も述べた通り，Rubyの構造体をアクセスする時に内容の更新を
行うことは勧められません．で，Rubyのデータを操作する時には
Rubyが用意している関数を用いてください．
ここではもっとも使われるであろう文字列と配列の生成/操作を行
い関数をあげます(全部ではないです)．
文字列に対する関数
>>>>>>> Change encoding from EUC-JP to UTF-8. [Feature #5128]
rb_str_new(const char *ptr, long len)
新しいRubyの文字列を生成する．
rb_str_new2(const char *ptr)
rb_str_new_cstr(const char *ptr)
Cの文字列からRubyの文字列を生成する．この関数の機能は
rb_str_new(ptr, strlen(ptr))と同等である．
rb_tainted_str_new(const char *ptr, long len)
汚染マークが付加された新しいRubyの文字列を生成する．外部
からのデータに基づく文字列には汚染マークが付加されるべき
である．
rb_tainted_str_new2(const char *ptr)
rb_tainted_str_new_cstr(const char *ptr)
Cの文字列から汚染マークが付加されたRubyの文字列を生成する．
rb_sprintf(const char *format, ...)
rb_vsprintf(const char *format, va_list ap)
Cの文字列formatと続く引数をprintf(3)のフォーマットにしたがって
整形し，Rubyの文字列を生成する．
rb_str_cat(VALUE str, const char *ptr, long len)
Rubyの文字列strにlenバイトの文字列ptrを追加する．
rb_str_cat2(VALUE str, const char* ptr)
Rubyの文字列strにCの文字列ptrを追加する．この関数の機能は
rb_str_cat(str, ptr, strlen(ptr))と同等である．
rb_str_catf(VALUE str, const char* format, ...)
rb_str_vcatf(VALUE str, const char* format, va_list ap)
Cの文字列formatと続く引数をprintf(3)のフォーマットにしたがって
整形し，Rubyの文字列strに追加する．この関数の機能は，それぞれ
rb_str_cat2(str, rb_sprintf(format, ...)) や
rb_str_cat2(str, rb_vsprintf(format, ap)) と同等である．
rb_enc_str_new(const char *ptr, long len, rb_encoding *enc)
<<<<<<< HEAD
指定されたエンコーディングでRubyの文字列を生成する.
=======
指定されたエンコーディングでRubyの文字列を生成する.
>>>>>>> Change encoding from EUC-JP to UTF-8. [Feature #5128]
rb_usascii_str_new(const char *ptr, long len)
rb_usascii_str_new_cstr(const char *ptr)
エンコーディングがUS-ASCIIのRubyの文字列を生成する.
rb_str_resize(VALUE str, long len)
Rubyの文字列のサイズをlenバイトに変更する．strの長さは前
以てセットされていなければならない．lenが元の長さよりも短
い時は，lenバイトを越えた部分の内容は捨てられる．lenが元
の長さよりも長い時は，元の長さを越えた部分の内容は保存さ
れないでゴミになるだろう．この関数の呼び出しによって
RSTRING_PTR(str)が変更されるかもしれないことに注意．
rb_str_set_len(VALUE str, long len)
Rubyの文字列のサイズをlenバイトにセットする．strが変更可
能でなければ例外が発生する．RSTRING_LEN(str)とは無関係に，
lenバイトまでの内容は保存される．lenはstrの容量を越えてい
てはならない．
配列に対する関数
rb_ary_new()
要素が0の配列を生成する．
rb_ary_new2(long len)
要素が0の配列を生成する．len要素分の領域をあらかじめ割り
当てておく．
rb_ary_new3(long n, ...)
引数で指定したn要素を含む配列を生成する．
rb_ary_new4(long n, VALUE *elts)
配列で与えたn要素の配列を生成する．
rb_ary_to_ary(VALUE obj)
オブジェクトを配列に変換する.
Object#to_aryと同等である.
他にも配列を操作する関数が多数ある. これらは
引数aryに配列を渡さなければならない. さもないと
コアを吐く.
rb_ary_aref(argc, VALUE *argv, VALUE ary)
Array#[]と同等.
rb_ary_entry(VALUE ary, long offset)
ary[offset]
rb_ary_subseq(VALUE ary, long beg, long len)
ary[beg, len]
rb_ary_push(VALUE ary, VALUE val)
rb_ary_pop(VALUE ary)
rb_ary_shift(VALUE ary)
rb_ary_unshift(VALUE ary, VALUE val)
2．Rubyの機能を使う
原理的にRubyで書けることはCでも書けます．RubyそのものがCで記
述されているんですから，当然といえば当然なんですけど．ここで
はRubyの拡張に使うことが多いだろうと予測される機能を中心に紹
介します．
2.1 Rubyに機能を追加する
Rubyで提供されている関数を使えばRubyインタプリタに新しい機能
を追加することができます．Rubyでは以下の機能を追加する関数が
提供されています．
* クラス，モジュール
* メソッド，特異メソッドなど
* 定数
では順に紹介します．
2.1.1 クラス/モジュール定義
クラスやモジュールを定義するためには，以下の関数を使います．
VALUE rb_define_class(const char *name, VALUE super)
VALUE rb_define_module(const char *name)
これらの関数は新しく定義されたクラスやモジュールを返します．
メソッドや定数の定義にこれらの値が必要なので，ほとんどの場合
は戻り値を変数に格納しておく必要があるでしょう．
クラスやモジュールを他のクラスの内部にネストして定義する時に
は以下の関数を使います．
VALUE rb_define_class_under(VALUE outer, const char *name, VALUE super)
VALUE rb_define_module_under(VALUE outer, const char *name)
2.1.2 メソッド/特異メソッド定義
メソッドや特異メソッドを定義するには以下の関数を使います．
void rb_define_method(VALUE klass, const char *name,
VALUE (*func)(), int argc)
void rb_define_singleton_method(VALUE object, const char *name,
VALUE (*func)(), int argc)
念のため説明すると「特異メソッド」とは，その特定のオブジェク
トに対してだけ有効なメソッドです．RubyではよくSmalltalkにお
けるクラスメソッドとして，クラスに対する特異メソッドが使われ
ます．
これらの関数の argcという引数はCの関数へ渡される引数の数(と
形式)を決めます．argcが0以上の時は関数に引き渡す引数の数を意
味します．16個以上の引数は使えません(が，要りませんよね，そ
んなに)．実際の関数には先頭の引数としてselfが与えられますの
で，指定した数より1多い引数を持つことになります．
argcが負の時は引数の数ではなく，形式を指定したことになります．
argcが-1の時は引数を配列に入れて渡されます．argcが-2の時は引
数はRubyの配列として渡されます．
メソッドを定義する関数はまだいくつかあります. ひとつはメソッド
名としてIDを取ります. IDについては2.2.2を参照.
void rb_define_method_id(VALUE klass, ID name,
VALUE (*func)(ANYARGS), int argc)
private/protectedなメソッドを定義するふたつの関数があります.
void rb_define_private_method(VALUE klass, const char *name,
VALUE (*func)(), int argc)
void rb_define_protected_method(VALUE klass, const char *name,
VALUE (*func)(), int argc)
privateメソッドとは関数形式でしか呼び出すことの出来ないメソッ
ドです．
最後に， rb_define_module関数はモジュール関数を定義します．
モジュール関数とはモジュールの特異メソッドであり，同時に
privateメソッドでもあるものです．例をあげるとMathモジュール
のsqrt()などがあげられます．このメソッドは
Math.sqrt(4)
という形式でも
include Math
sqrt(4)
という形式でも使えます．モジュール関数を定義する関数は以下の
通りです．
void rb_define_module_function(VALUE module, const char *name,
VALUE (*func)(), int argc)
関数的メソッド(Kernelモジュールのprivate method)を定義するた
めの関数は以下の通りです．
void rb_define_global_function(const char *name, VALUE (*func)(), int argc)
メソッドの別名を定義するための関数は以下の通りです．
void rb_define_alias(VALUE module, const char* new, const char* old);
属性の取得・設定メソッドを定義するには
void rb_define_attr(VALUE klass, const char *name, int read, int write)
クラスメソッドallocateを定義したり削除したりするための関数は
以下の通りです．
void rb_define_alloc_func(VALUE klass, VALUE (*func)(VALUE klass));
void rb_undef_alloc_func(VALUE klass);
funcはクラスを引数として受け取って，新しく割り当てられたイン
スタンスを返さなくてはなりません．このインスタンスは，外部リ
ソースなどを含まない，できるだけ「空」のままにしておいたほう
がよいでしょう．
2.1.3 定数定義
拡張ライブラリが必要な定数はあらかじめ定義しておいた方が良い
でしょう．定数を定義する関数は二つあります．
void rb_define_const(VALUE klass, const char *name, VALUE val)
void rb_define_global_const(const char *name, VALUE val)
前者は特定のクラス/モジュールに属する定数を定義するもの，後
者はグローバルな定数を定義するものです．
2.2 Rubyの機能をCから呼び出す
既に『1.5 Rubyのデータを操作する』で一部紹介したような関数を
使えば，Rubyの機能を実現している関数を直接呼び出すことが出来
ます．
# このような関数の一覧表はいまのところありません．ソースを見
# るしかないですね．
それ以外にもRubyの機能を呼び出す方法はいくつかあります．
2.2.1 Rubyのプログラムをevalする
CからRubyの機能を呼び出すもっとも簡単な方法として，文字列で
与えられたRubyのプログラムを評価する以下の関数があります．
VALUE rb_eval_string(const char *str)
この評価は現在の環境で行われます．つまり，現在のローカル変数
などを受け継ぎます．
評価は例外を発生するかもしれないことに注意しましょう. より安全
な関数もあります.
VALUE rb_eval_string_protect(const char *str, int *state)
この関数はエラーが発生するとnilを返します．そして，成功時には
*stateはゼロに，さもなくば非ゼロになります．
2.2.2 IDまたはシンボル
Cから文字列を経由せずにRubyのメソッドを呼び出すこともできま
す．その前に，Rubyインタプリタ内でメソッドや変数名を指定する
時に使われているIDについて説明しておきましょう．
IDとは変数名，メソッド名を表す整数です．Rubyの中では
:識別子
または
:"任意の文字列"
でアクセスできます．Cからこの整数を得るためには関数
rb_intern(const char *name)
を使います．Rubyから引数として与えられたシンボル(または文字
列)をIDに変換するには以下の関数を使います．
rb_to_id(VALUE symbol)
2.2.3 CからRubyのメソッドを呼び出す
Cから文字列を経由せずにRubyのメソッドを呼び出すためには以下
の関数を使います．
VALUE rb_funcall(VALUE recv, ID mid, int argc, ...)
この関数はオブジェクトrecvのmidで指定されるメソッドを呼び出
します．その他に引数の指定の仕方が違う以下の関数もあります．
VALUE rb_funcall2(VALUE recv, ID mid, int argc, VALUE *argv)
VALUE rb_apply(VALUE recv, ID mid, VALUE args)
applyには引数としてRubyの配列を与えます．
2.2.4 変数/定数を参照/更新する
Cから関数を使って参照・更新できるのは，定数，インスタンス変
数です．大域変数は一部のものはCの大域変数としてアクセスでき
ます．ローカル変数を参照する方法は公開していません．
オブジェクトのインスタンス変数を参照・更新する関数は以下の通
りです．
VALUE rb_ivar_get(VALUE obj, ID id)
VALUE rb_ivar_set(VALUE obj, ID id, VALUE val)
idはrb_intern()で得られるものを使ってください．
定数を参照するには以下の関数を使ってください．
VALUE rb_const_get(VALUE obj, ID id)
定数を新しく定義するためには『2.1.3 定数定義』で紹介さ
れている関数を使ってください．
3．RubyとCとの情報共有
C言語とRubyの間で情報を共有する方法について解説します．
3.1 Cから参照できるRubyの定数
以下のRubyの定数はCのレベルから参照できます．
Qtrue
Qfalse
真偽値．QfalseはC言語でも偽とみなされます(つまり0)．
Qnil
C言語から見た「nil」．
3.2 CとRubyで共有される大域変数
CとRubyで大域変数を使って情報を共有できます．共有できる大域
変数にはいくつかの種類があります．そのなかでもっとも良く使わ
れると思われるのはrb_define_variable()です．
void rb_define_variable(const char *name, VALUE *var)
この関数はRubyとCとで共有する大域変数を定義します．変数名が
`$'で始まらない時には自動的に追加されます．この変数の値を変
更すると自動的にRubyの対応する変数の値も変わります．
またRuby側からは更新できない変数もあります．このread onlyの
変数は以下の関数で定義します．
void rb_define_readonly_variable(const char *name, VALUE *var)
これら変数の他にhookをつけた大域変数を定義できます．hook付き
の大域変数は以下の関数を用いて定義します．hook付き大域変数の
値の参照や設定はhookで行う必要があります．
void rb_define_hooked_variable(const char *name, VALUE *var,
VALUE (*getter)(), void (*setter)())
この関数はCの関数によってhookのつけられた大域変数を定義しま
す．変数が参照された時には関数getterが，変数に値がセットされ
た時には関数setterが呼ばれる．hookを指定しない場合はgetterや
setterに0を指定します．
# getterもsetterも0ならばrb_define_variable()と同じになる．
getterとsetterの仕様は次の通りです．
VALUE (*getter)(ID id, VALUE *var);
void (*setter)(VALUE val, ID id, VALUE *var);
それから，対応するCの変数を持たないRubyの大域変数を定義する
こともできます. その変数の値はフック関数のみによって取得・設定
されます.
void rb_define_virtual_variable(const char *name,
VALUE (*getter)(), void (*setter)())
この関数によって定義されたRubyの大域変数が参照された時には
getterが，変数に値がセットされた時にはsetterが呼ばれます．
getterとsetterの仕様は以下の通りです．
(*getter)(ID id);
(*setter)(VALUE val, ID id);
3.3 CのデータをRubyオブジェクトにする
Cの世界で定義されたデータ(構造体)をRubyのオブジェクトとして
取り扱いたい場合がありえます．このような場合には，Dataという
RubyオブジェクトにCの構造体(へのポインタ)をくるむことでRuby
オブジェクトとして取り扱えるようになります．
Dataオブジェクトを生成して構造体をRubyオブジェクトにカプセル
化するためには，以下のマクロを使います．
Data_Wrap_Struct(klass, mark, free, ptr)
このマクロの戻り値は生成されたDataオブジェクトです．
klassはこのDataオブジェクトのクラスです．ptrはカプセル化する
Cの構造体へのポインタです．markはこの構造体がRubyのオブジェ
クトへの参照がある時に使う関数です．そのような参照を含まない
時には0を指定します．
# そのような参照は勧められません．
freeはこの構造体がもう不要になった時に呼ばれる関数です．この
関数がガーベージコレクタから呼ばれます．これが-1の場合は，単
純に開放されます．
markおよびfree関数はGC実行中に呼び出されます.
なお, GC実行中はRubyオブジェクトのアロケーションは禁止されま
す. よって, markおよびfree関数でRubyオブジェクトのアロケーシ
ョンは行わないでください.
Cの構造体の割当とDataオブジェクトの生成を同時に行うマクロと
して以下のものが提供されています．
Data_Make_Struct(klass, type, mark, free, sval)
このマクロの戻り値は生成されたDataオブジェクトです．
klass, mark, freeはData_Wrap_Structと同じ働きをします．type
は割り当てるC構造体の型です．割り当てられた構造体は変数sval
に代入されます．この変数の型は (type*) である必要があります．
Dataオブジェクトからポインタを取り出すのは以下のマクロを用い
ます．
Data_Get_Struct(obj, type, sval)
Cの構造体へのポインタは変数svalに代入されます．
これらのDataの使い方はちょっと分かりにくいので，後で説明する
例題を参照してください．
4．例題 - dbmパッケージを作る
ここまでの説明でとりあえず拡張ライブラリは作れるはずです．
Rubyのextディレクトリにすでに含まれているdbmライブラリを例に
して段階的に説明します．
(1) ディレクトリを作る
% mkdir ext/dbm
Ruby 1.1からは任意のディレクトリでダイナミックライブラリを作
ることができるようになりました．Rubyに静的にリンクする場合に
はRubyを展開したディレクトリの下，extディレクトリの中に拡張
ライブラリ用のディレクトリを作る必要があります．名前は適当に
選んで構いません．
(2) 設計する
まあ，当然なんですけど，どういう機能を実現するかどうかまず設
計する必要があります．どんなクラスをつくるか，そのクラスには
どんなメソッドがあるか，クラスが提供する定数などについて設計
します．
(3) Cコードを書く
拡張ライブラリ本体となるC言語のソースを書きます．C言語のソー
スがひとつの時には「ライブラリ名.c」を選ぶと良いでしょう．C
言語のソースが複数の場合には逆に「ライブラリ名.c」というファ
イル名は避ける必要があります．オブジェクトファイルとモジュー
ル生成時に中間的に生成される「ライブラリ名.o」というファイル
とが衝突するからです．また，後述する mkmf ライブラリのいくつ
かの関数がコンパイルを要するテストのために「conftest.c」とい
うファイル名を使用することに注意してください．ソースファイル
名として「conftest.c」を使用してはなりません．
Rubyは拡張ライブラリをロードする時に「Init_ライブラリ名」と
いう関数を自動的に実行します．dbmライブラリの場合「Init_dbm」
です．この関数の中でクラス，モジュール，メソッド，定数などの
定義を行います．dbm.cから一部引用します．
--
void
Init_dbm(void)
{
/* DBMクラスを定義する */
cDBM = rb_define_class("DBM", rb_cObject);
/* DBMはEnumerateモジュールをインクルードする */
rb_include_module(cDBM, rb_mEnumerable);
/* DBMクラスのクラスメソッドopen(): 引数はCの配列で受ける */
rb_define_singleton_method(cDBM, "open", fdbm_s_open, -1);
/* DBMクラスのメソッドclose(): 引数はなし */
rb_define_method(cDBM, "close", fdbm_close, 0);
/* DBMクラスのメソッド[]: 引数は1個 */
rb_define_method(cDBM, "[]", fdbm_fetch, 1);
:
/* DBMデータを格納するインスタンス変数名のためのID */
id_dbm = rb_intern("dbm");
}
--
DBMライブラリはdbmのデータと対応するオブジェクトになるはずで
すから，Cの世界のdbmをRubyの世界に取り込む必要があります．
dbm.cではData_Make_Structを以下のように使っています．
--
struct dbmdata {
int di_size;
DBM *di_dbm;
};
obj = Data_Make_Struct(klass, struct dbmdata, 0, free_dbm, dbmp);
--
ここではdbmstruct構造体へのポインタをDataにカプセル化してい
ます．DBM*を直接カプセル化しないのはclose()した時の処理を考
えてのことです．
Dataオブジェクトからdbmstruct構造体のポインタを取り出すため
に以下のマクロを使っています．
--
#define GetDBM(obj, dbmp) {\
Data_Get_Struct(obj, struct dbmdata, dbmp);\
if (dbmp->di_dbm == 0) closed_dbm();\
}
--
ちょっと複雑なマクロですが，要するにdbmdata構造体のポインタ
の取り出しと，closeされているかどうかのチェックをまとめてい
るだけです．
DBMクラスにはたくさんメソッドがありますが，分類すると3種類の
引数の受け方があります．ひとつは引数の数が固定のもので，例と
してはdeleteメソッドがあります．deleteメソッドを実装している
fdbm_delete()はこのようになっています．
--
static VALUE
fdbm_delete(VALUE obj, VALUE keystr)
{
:
}
--
引数の数が固定のタイプは第1引数がself，第2引数以降がメソッド
の引数となります．
引数の数が不定のものはCの配列で受けるものとRubyの配列で受け
るものとがあります．dbmライブラリの中で，Cの配列で受けるもの
はDBMのクラスメソッドであるopen()です．これを実装している関
数fdbm_s_open()はこうなっています．
--
static VALUE
fdbm_s_open(int argc, VALUE *argv, VALUE klass)
{
:
if (rb_scan_args(argc, argv, "11", &file, &vmode) == 1) {
mode = 0666; /* default value */
}
:
}
--
このタイプの関数は第1引数が与えられた引数の数，第2引数が与え
られた引数の入っている配列になります．selfは第3引数として与
えられます．
この配列で与えられた引数を解析するための関数がopen()でも使わ
れているrb_scan_args()です．第3引数に指定したフォーマットに従
い，第4変数以降に指定したVALUEへの参照に値を代入してくれま
す．
引数をRubyの配列として受け取るメソッドの例には
Thread#initializeがあります．実装はこうです．
--
static VALUE
thread_initialize(VALUE thread, VALUE args)
{
:
}
--
第1引数はself，第2引数はRubyの配列です．
** 注意事項
Rubyと共有はしないがRubyのオブジェクトを格納する可能性のある
Cの大域変数は以下の関数を使ってRubyインタプリタに変数の存在
を教えてあげてください．でないとGCでトラブルを起こします．
void rb_global_variable(VALUE *var)
(4) extconf.rbを用意する
Makefileを作る場合の雛型になるextconf.rbというファイルを作り
ます．extconf.rbはライブラリのコンパイルに必要な条件のチェッ
クなどを行うことが目的です．まず，
require 'mkmf'
をextconf.rbの先頭に置きます．extconf.rbの中では以下のRuby関
数を使うことが出来ます．
have_library(lib, func): ライブラリの存在チェック
have_func(func, header): 関数の存在チェック
have_header(header): ヘッダファイルの存在チェック
create_makefile(target): Makefileの生成
以下の変数を使うことができます．
$CFLAGS: コンパイル時に追加的に指定するフラグ(-Oなど)
$CPPFLAGS: プリプロセッサに追加的に指定するフラグ(-Iや-Dなど)
$LDFLAGS: リンク時に追加的に指定するフラグ(-Lなど)
$objs: リンクされるオブジェクトファイル名のリスト
オブジェクトファイルのリストは，通常はソースファイルを検索し
て自動的に生成されますが，makeの途中でソースを生成するような
場合は明示的に指定する必要があります．
ライブラリをコンパイルする条件が揃わず，そのライブラリをコン
パイルしない時にはcreate_makefileを呼ばなければMakefileは生
成されず，コンパイルも行われません．
(5) dependを用意する
もし，ディレクトリにdependというファイルが存在すれば，
Makefileが依存関係をチェックしてくれます．
% gcc -MM *.c > depend
などで作ることが出来ます．あって損は無いでしょう．
(6) Makefileを生成する
Makefileを実際に生成するためには
ruby extconf.rb
とします．extconf.rbに require 'mkmf' の行がない場合にはエラー
になりますので，引数を追加して
ruby -r mkmf extconf.rb
としてください．
site_ruby ディレクトリでなく，
vendor_ruby ディレクトリにインストールする場合には
以下のように --vendor オプションを加えてください．
ruby extconf.rb --vendor
ディレクトリをext以下に用意した場合にはRuby全体のmakeの時に
自動的にMakefileが生成されますので，このステップは不要です．
(7) makeする
動的リンクライブラリを生成する場合にはその場でmakeしてくださ
い．必要であれば make install でインストールされます．
ext以下にディレクトリを用意した場合は，Rubyのディレクトリで
makeを実行するとMakefileを生成からmake，必要によってはそのモ
ジュールのRubyへのリンクまで自動的に実行してくれます．
extconf.rbを書き換えるなどしてMakefileの再生成が必要な時はま
たRubyディレクトリでmakeしてください．
拡張ライブラリはmake installでRubyライブラリのディレクトリの
下にコピーされます．もし拡張ライブラリと協調して使うRubyで記
述されたプログラムがあり，Rubyライブラリに置きたい場合には，