Python的C/C++扩展——Python的C语言接口

2022-02-16 01:25:08

Python语言最初是用C语言实现的一种脚本语言，后来被称为CPython，是因为后来又有其它语言实现的Python，比如Python实现的Python——PyPy，Java语言实现的Python——Jython，.Net实现的Python——IronPython。

CPython具有优良的开放性和可扩展性，并提供了方便灵活的应用程序接口(API)，从而使得C/C++程序员能够在各个级别上对Python解释器的功能进行扩展。

Python的C语言接口很适合封装C语言实现的各种函数，如果要封装C++的类，使用boost_python或者SWIG更方便和合适。

1 模块封装

假设我们有一个C函数：

/* 文件名： mylib.c */
int addone(int a) {
    return a+1;
}

如果想在Python解释器中调用该函数，则应该首先将其实现为Python中的一个模块，这需要编写相应的封装接口，如下所示：

/* wrap_mylib.c */
#include <Python.h>
#include "mylib.h"
PyObject* wrap_addone(PyObject* self, PyObject* args) 
{
  int n, result;

  if (! PyArg_ParseTuple(args, "i:fact", &n))
    return NULL;
  result = addone(n); /*这里调用C函数 */
  return Py_BuildValue("i", result);
}
static PyMethodDef mylibMethods[] = 
{
  {"addone", wrap_addone, METH_VARARGS, "Add one to N"},
  {NULL, NULL}
};
void initmylib() 
{
  PyObject* m;
  m = Py_InitModule("mylib", mylibMethods);
}

上面就是一个典型的Python扩展模块，它至少应该包含三个部分：

导出函数：wrap_addone()；
方法列表：mylibMethods[];
初始化函数: initmylib()

2 导出函数

要在Python解释器中调用C语言中的某个函数，首先要为它编写对应的导出函数，上述例子中的导出函数为wrap_addone。在Python的C语言扩展中，所有的导出函数都具有相同的函数原型：

PyObject wrap_method(PyObject self, PyObject* args);
这个函数是Python解释器和C函数进行交互的接口，一般以wrap_开头后面跟上C语言的函数名，这样命名把导出函数和C语言函数对应起来使得代码更加清晰。它带有两个参数：self和args。

参数self 只在C函数被实现为内联方法(built-in method)时才被用到，通常该参数的值为空(NULL)。
参数args 中包含了Python解释器要传递给C函数的所有参数，通常使用Python的C语言扩展接口提供的函数PyArg_ParseTuple()来获得这些参数值。

所有的导出函数都返回一个PyObject指针，如果对应的C函数没有真正的返回值(即返回值类型为void)，则应返回一个全局的None对象(Py_None)，并将其引用计数增1，如下所示：

PyObject* wrap_method(PyObject *self, PyObject *args) 
{
  Py_INCREF(Py_None);
  return Py_None;
}

3 方法列表

方法列表中列出了所有可以被Python解释器使用的方法，上述例子对应的方法列表为：

static PyMethodDef mylibMethods[] = 
{
  {"addone", wrap_addone, METH_VARARGS, "Add one to N"},
  {NULL, NULL}
};

方法列表中的每项由四个部分组成：

方法名
导出函数

参数传递方式
方法描述

方法名是从Python解释器中调用该方法时所使用的名字。
参数传递方式则规定了Python向C函数传递参数的具体形式，可选的两种方式是METH_VARARGS和METH_KEYWORDS，其中METH_VARARGS是参数传递的标准形式，它通过Python的元组在Python解释器和C函数之间传递参数，若采用METH_KEYWORD方式，则Python解释器和C函数之间将通过Python的字典类型在两者之间进行参数传递。

4 初始化函数

所有的Python扩展模块都必须要有一个初始化函数，以便Python解释器能够对模块进行正确的初始化。Python解释器规定所有的初始化函数的函数名都必须以init开头，并加上模块的名字。对于模块mylib来说，则相应的初始化函数为:

void initmylib() 
{
  PyObject* m;
  m = Py_InitModule("mylib", mylibMethods);
}

当Python解释器需要导入该模块时，将根据该模块的名称查找相应的初始化函数，一旦找到则调用该函数进行相应的初始化工作，初始化函数则通过调用Python的C语言扩展接口所提供的函数Py_InitModule()，来向Python解释器注册该模块中所有可以用到的方法。

5 编译链接

要在Python解释器中使用C语言编写的扩展模块，必须将其编译成动态链接库的形式。下面以Linux为例，介绍如何将C编写的Python扩展模块编译成动态链接库：

$ gcc -fpic -shared -o mylib.so \
             -I/usr/include/python2.7 \
            mylib.c wrap_mylib.c

6 在Python中调用

上面编译生成的Python扩展模块的动态链接库，可以在Python中直接import。如下所示：

veelion@gtx:~$ python
Python 2.7.12 (default, Nov 19 2016, 06:48:10) 
[GCC 5.4.0 20160609] on linux2
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import example
>>> example.addone(7)
8
>>>

这里生成的.so动态库和上一篇中不用Python的C语言生成的动态库是不一样的，从生成过程和使用方法就可以看出来，这里的动态库使用起来感觉就是一个Python模块，直接import就可以了。

文章来源于：猿人学网站的python教程。
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