如何通过Python ctypes调用CFUNCTYPE类型的结构体函数字段？

编辑说明
简而言之：我更新了头文件节选和Python代码，因为之前遗漏了太多关键内容。
详情：我之前忽略了一些自认为不重要但实际影响内存布局的声明（后续采纳的答案指出了这一点）。此外，我曾简化结构体嵌套并重命名结构体以减少冗余（原路径kotlin.root.com.marcoeckstein.klib曾简化为myLib）。由于采纳的答案基于实际DLL创建，我也修订了头文件节选和Python代码，使其与该DLL及答案保持一致。

我有一个由Kotlin Multiplatform/Native自动生成的DLL（Windows为.dll，Linux为.so）及其C头文件，节选如下：

typedef struct {
  // #region
  // 以下大多数声明的细节不重要，但它们在二进制布局中的内存占用至关重要：

  void (*DisposeStablePointer)(libnative_KNativePtr ptr);
  void (*DisposeString)(const char* string);
  libnative_KBoolean (*IsInstance)(libnative_KNativePtr ref, const libnative_KType* type);
  libnative_kref_kotlin_Byte (*createNullableByte)(libnative_KByte);
  libnative_kref_kotlin_Short (*createNullableShort)(libnative_KShort);
  libnative_kref_kotlin_Int (*createNullableInt)(libnative_KInt);
  libnative_kref_kotlin_Long (*createNullableLong)(libnative_KLong);
  libnative_kref_kotlin_Float (*createNullableFloat)(libnative_KFloat);
  libnative_kref_kotlin_Double (*createNullableDouble)(libnative_KDouble);
  libnative_kref_kotlin_Char (*createNullableChar)(libnative_KChar);
  libnative_kref_kotlin_Boolean (*createNullableBoolean)(libnative_KBoolean);
  libnative_kref_kotlin_Unit (*createNullableUnit)(void);

  // #endregion
 struct {
   struct {
     struct {
       struct {
         struct {
           const char* (*createMessage)();

            // 此处有更多嵌套结构体
            // （与本问题无关）

         } klib;
       } marcoeckstein;
     } com;
   } root;
 } kotlin;
} libnative_ExportedSymbols;
extern libnative_ExportedSymbols* libnative_symbols(void);

我希望从Python中调用其中的createMessage函数，尝试了以下代码：

import ctypes

class Klib(ctypes.Structure):
    _fields_ = [("createMessage", ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_char_p))]

class Marcoeckstein(ctypes.Structure):
    _fields_ = [("klib", Klib)]

class Com(ctypes.Structure):
    _fields_ = [("marcoeckstein", Marcoeckstein)]

class Root(ctypes.Structure):
    _fields_ = [("com", Com)]

class Kotlin(ctypes.Structure):
    _fields_ = [("root", Root)]

class Libnative_ExportedSymbols(ctypes.Structure):
    _fields_ = [("kotlin", Kotlin)]

dll = ctypes.CDLL("path/to/dll")

#region
#以下两行已被证实错误，见下文。

dll.libnative_symbols.restype = Libnative_ExportedSymbols
libnative = dll.libnative_symbols()

#endregion

libnative.kotlin.root.com.marcoeckstein.klib.createMessage()

运行后出现错误：

• Windows：OSError: exception: access violation writing 0x00007FFA51556340
• Linux：Segmentation fault (core dumped)

我在Windows上尝试用WINFUNCTYPE替代CFUNCTYPE，但错误相同。另外，包装器生成器ctypesgen为createMessage生成的类型和我手动定义的一致。

后来根据提示，我修改了指针相关的代码：

原错误代码：

dll.libnative_symbols.restype = Libnative_ExportedSymbols
libnative = dll.libnative_symbols()

修改为：

dll.libnative_symbols.restype = ctypes.POINTER(Libnative_ExportedSymbols)
libnative = dll.libnative_symbols().contents

现在不再报错，但createMessage返回空bytes实例，而该函数本应始终返回非空字符串。

请问问题出在哪？如何正确调用这个CFUNCTYPE类型的字段？

解决方案 #

问题的核心在于结构体的内存布局不匹配。你定义的Libnative_ExportedSymbols结构体只包含了kotlin字段，但原C结构体在kotlin之前还有大量函数指针字段——这些字段的内存占用会直接影响后续嵌套结构体的偏移量，导致你访问createMessage时指向了错误的内存地址。

正确的结构体定义步骤： #

1. 补充所有前置字段的类型定义
   虽然你认为这些字段细节不重要，但它们的内存大小直接决定了结构体的布局。需要先定义C头中所有前置的函数指针类型，确保结构体的内存偏移完全匹配。

   import ctypes
   
   # 定义基础类型，匹配Kotlin Native生成的类型
   libnative_KNativePtr = ctypes.c_void_p
   libnative_KBoolean = ctypes.c_bool
   libnative_KByte = ctypes.c_char
   libnative_KShort = ctypes.c_short
   libnative_KInt = ctypes.c_int
   libnative_KLong = ctypes.c_longlong
   libnative_KFloat = ctypes.c_float
   libnative_KDouble = ctypes.c_double
   libnative_KChar = ctypes.c_wchar
   libnative_KType = ctypes.c_void_p  # 无需具体实现，只需占位
   
   # 定义前置的函数指针类型
   CFUNCTYPE_DisposeStablePointer = ctypes.CFUNCTYPE(None, libnative_KNativePtr)
   CFUNCTYPE_DisposeString = ctypes.CFUNCTYPE(None, ctypes.c_char_p)
   CFUNCTYPE_IsInstance = ctypes.CFUNCTYPE(libnative_KBoolean, libnative_KNativePtr, ctypes.POINTER(libnative_KType))
   CFUNCTYPE_createNullableByte = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p, libnative_KByte)
   CFUNCTYPE_createNullableShort = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p, libnative_KShort)
   CFUNCTYPE_createNullableInt = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p, libnative_KInt)
   CFUNCTYPE_createNullableLong = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p, libnative_KLong)
   CFUNCTYPE_createNullableFloat = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p, libnative_KFloat)
   CFUNCTYPE_createNullableDouble = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p, libnative_KDouble)
   CFUNCTYPE_createNullableChar = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p, libnative_KChar)
   CFUNCTYPE_createNullableBoolean = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p, libnative_KBoolean)
   CFUNCTYPE_createNullableUnit = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_void_p)
   

2. 完整定义嵌套结构体
   按照C头的顺序，先定义前置字段，再定义嵌套的kotlin结构体：

   # 嵌套结构体从内到外定义
   class Klib(ctypes.Structure):
       _fields_ = [("createMessage", ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_char_p))]
   
   class Marcoeckstein(ctypes.Structure):
       _fields_ = [("klib", Klib)]
   
   class Com(ctypes.Structure):
       _fields_ = [("marcoeckstein", Marcoeckstein)]
   
   class Root(ctypes.Structure):
       _fields_ = [("com", Com)]
   
   class Kotlin(ctypes.Structure):
       _fields_ = [("root", Root)]
   
   # 完整定义ExportedSymbols结构体，包含所有前置字段
   class Libnative_ExportedSymbols(ctypes.Structure):
       _fields_ = [
           ("DisposeStablePointer", CFUNCTYPE_DisposeStablePointer),
           ("DisposeString", CFUNCTYPE_DisposeString),
           ("IsInstance", CFUNCTYPE_IsInstance),
           ("createNullableByte", CFUNCTYPE_createNullableByte),
           ("createNullableShort", CFUNCTYPE_createNullableShort),
           ("createNullableInt", CFUNCTYPE_createNullableInt),
           ("createNullableLong", CFUNCTYPE_createNullableLong),
           ("createNullableFloat", CFUNCTYPE_createNullableFloat),
           ("createNullableDouble", CFUNCTYPE_createNullableDouble),
           ("createNullableChar", CFUNCTYPE_createNullableChar),
           ("createNullableBoolean", CFUNCTYPE_createNullableBoolean),
           ("createNullableUnit", CFUNCTYPE_createNullableUnit),
           ("kotlin", Kotlin)
       ]
   

3. 正确加载DLL并调用函数

   # 加载DLL
   dll = ctypes.CDLL("path/to/dll")
   
   # 指定返回类型为结构体指针
   dll.libnative_symbols.restype = ctypes.POINTER(Libnative_ExportedSymbols)
   libnative = dll.libnative_symbols().contents
   
   # 调用createMessage并解码结果
   result = libnative.kotlin.root.com.marcoeckstein.klib.createMessage()
   print(result.decode("utf-8"))  # 转换为Python字符串
   

为什么之前的修改不充分？ #

你只修正了指针的问题，但结构体的内存布局完全不对——跳过前置字段后，kotlin字段的偏移量和C中的实际偏移不匹配，导致你访问的createMessage并不是正确的函数地址，自然返回错误结果。只有完整匹配结构体的所有字段，才能保证内存偏移正确，从而调用到正确的函数。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Marco Eckstein