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违章查询网,何琳,7座家用车-第五大道-权威华文媒体-有趣有料伴你行

2019年05月20日 13:14:05     作者:admin     分类:趣闻中心     阅读次数:110    

归于混合编程的问题。较全面的介绍一下,不只限于题主提出的问题。

以下评论中,Python指它的标准完结,即CPython(尽管不是很严厉)

本文分4个部分

  1. C/C++ 调用 Python (根底篇)— 仅评论Python官方供给的完结办法
  2. Python 调用 C/C++ (根底篇)— 仅评论Python官方供给的完结办法
  3. C/C++ 调用 Python (高档篇)— 运用 Cython
  4. Python 调用 C/C++ (高档篇)— 运用 SWIG

练习本文中的比如,需求建立Python扩展开发环境。详细细节见建立Python扩展开发环境 - 蛇之魅惑 - 知乎专栏

1 C/C++ 调用 Python(根底篇)

Python 本身便是一个C库。你所看到的可履行体python只不过是个stub。真实的python实体在动态链接库里完结,在Windows平台上,这个文件坐落 %SystemRoot%\System32\python27.dll。

你也能够在自己的程序中调用Python,看起来十分简略:

//my_python.c

#include

int main(int argc, char *argv[])

{

Py_SetProgramName(argv[0]);

Py_Initialize();

PyRun_SimpleString("print 'Hello Python!'\n");

Py_Finalize();

return 0;

}

在Windows平台下,翻开Visual Studio指令提示符,编译指令为

cl my_python.c -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib

在Linux下编译指令为

gcc my_python.c -o my_python -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7

在Mac OS X 下的编译指令同上

发生可履行文件后,直接运转,成果为输出

Hello Python!

Python库函数PyRun_SimpleString能够履行字符串办法的Python代码。

尽管十分简略,但这段代码除了能用C言语动态生成一些Python代码之外,并没有什么用途。咱们需求的是C言语的数据结构能够和Python交互。

下面举个比如,比如说,有一天咱们用Python写了一个功用特别强壮的函数:

def great_function(a):

return a + 1

接下来要把它包装成C言语的函数。咱们等待的C言语的对应函数应该是这样的:

int great_function_from_python(int a) {

int res;

// some magic

return res;

}

首要,复用Python模块得做‘import’,这儿也不破例。所以咱们把great_function放到一个module里,比如说,这个module姓名叫 great_module.py

接下来就要用C来调用Python了,完好的代码如下:

#include

int great_function_from_python(int a) {

int res;

PyObject *pModule,*pFunc;

PyObject *pArgs, *pValue;

/* import */

pModule = PyImport_Import(PyString_FromString("great_module"));

/* great_module.great_function */

pFunc = PyObject_GetAttrString(pModule, "great_function");

/* build args */

pArgs = PyTuple_New(1);

PyTuple_SetItem(pArgs,0, PyInt_FromLong(a));

/* call */

pValue = PyObject_CallObject(pFunc, pArgs);

res = PyInt_AsLong(pValue);

return res;

}

从上述代码能够窥见Python内部运转的办法:

  • 一切Python元素,module、function、tuple、string等等,实践上都是PyObject。C言语里操作它们,一概运用PyObject *。
  • Python的类型与C言语类型能够彼此转化。Python类型XXX转化为C言语类型YYY要运用PyXXX_AsYYY函数;C类型YYY转化为Python类型XXX要运用PyXXX_FromYYY函数。
  • 也能够创立Python类型的变量,运用PyXXX_New能够创立类型为XXX的变量。
  • 若a是Tuple,则a[i] = b对应于 PyTuple_SetItem(a,i,b),有理由信任还有一个函数PyTuple_GetItem完结获得某一项的值。
  • 不只Python言语很高雅,Python的库函数API也十分高雅。

现在咱们得到了一个C言语的函数了,能够写一个main测验它

#include

int great_function_from_python(int a);

int main(int argc, char *argv[]) {

Py_Initialize();

printf("%d",great_function_from_python(2));

Py_Finalize();

}

编译的办法就用本节最初运用的办法。

在Linux/Mac OSX运转此示例之前,或许先需求设置环境变量:

bash:

export PYTHONPATH=.:$PYTHONPATH

csh:

setenv PYTHONPATH .:$PYTHONPATH

2 Python 调用 C/C++(根底篇)

这种做法称为Python扩展。

比如说,咱们有一个功用强壮的C函数:

int great_function(int a) {

return a + 1;

}

期望在Python里这样运用:

>>> from great_module import great_function

>>> great_function(2)

3

考虑最简略的状况。咱们把功用强壮的函数放入C文件 great_module.c 中。

#include

int great_function(int a) {

return a + 1;

}

static PyObject * _great_function(PyObject *self, PyObject *args)

{

int _a;

int res;

if (!PyArg_ParseTuple(args, "i", &_a))

return NULL;

res = great_function(_a);

return PyLong_FromLong(res);

}

static PyMethodDef GreateModuleMethods[] = {

{

"great_function",

_great_function,

METH_VARARGS,

""

},

{NULL, NULL, 0, NULL}

};

PyMODINIT_FUNC initgreat_module(void) {

(void) Py_InitModule("great_module", GreateModuleMethods);

}

除了功用强壮的函数great_function外,这个文件中还有以下部分:

  • 包裹函数_great_function。它担任将Python的参数转化为C的参数(PyArg_ParseTuple),调用实践的great_function,并处理great_function的回来值,终究回来给Python环境。
  • 导出表GreateModuleMethods。它担任通知Python这个模块里有哪些函数能够被Python调用。导出表的姓名能够随意起,每一项有4个参数:榜首个参数是供给给Python环境的函数称号,第二个参数是_great_function,即包裹函数。第三个参数的意义是参数变长,第四个参数是一个阐明性的字符串。导出表总是以{NULL, NULL, 0, NULL}完毕。
  • 导出函数initgreat_module。这个的姓名不是任取的,是你的module称号增加前缀init。导出函数中将模块称号与导出表进行衔接。

在Windows下面,在Visual Studio指令提示符下编译这个文件的指令是

cl /LD great_module.c /o great_module.pyd -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib

/LD 即生成动态链接库。编译成功后在当时目录能够得到 great_module.pyd(实践上是dll)。这个pyd能够在Python环境下直接当作module运用。

在Linux下面,则用gcc编译:

gcc -fPIC -shared great_module.c -o great_module.so -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7

在当时目录下得到great_module.so,同理能够在Python中直接运用。

本部分参阅材料

  • 《Python源码剖析-深度探究动态言语核心技能》是体系介绍CPython完结以及运转原理的优异教程。
  • Python 官方文档的这一章详细介绍了C/C++与Python的双向互动Extending and Embedding the Python Interpreter
  • 关于编译环境,本文所述办法仅为出示原理所用。标准的办法如下:3. Building C and C++ Extensions with distutils
  • 作为字典运用的官方参阅文档 Python/C API Reference Manual

用以上的办法完结C/C++与Python的混合编程,需求对Python的内部完结有适当的了解。接下来介绍当时较为老练的技能Cython和SWIG。

3 C/C++ 调用 Python(运用Cython)

在前面的末节中谈到,Python的数据类型和C的数据类型貌似是有某种“一一对应”的联系的,此外,因为Python(切当的说是CPython)本身是由C言语完结的,故Python数据类型之间的函数运算也必定与C言语有对应联系。那么,有没有或许“主动”的做替换,把Python代码直接变成C代码呢?答案是必定的,这便是Cython首要处理的问题。

装置Cython十分简略。Python 2.7.9以上的版别现已自带easy_install:

easy_install -U cython

在Windows环境下依然需求Visual Studio,因为装置的进程需求编译Cython的源代码,故上述指令需求在Visual Studio指令提示符下完结。一瞬间运用Cython的时分,也需求在Visual Studio指令提示符下进行操作,这一点和榜首部分的要求是相同的。

持续以比如阐明:

#great_module.pyx

cdef public great_function(a,index):

return a[index]

这其中有非Python关键字cdef和public。这些关键字归于Cython。因为咱们需求在C言语中运用“编译好的Python代码”,所以得让great_function从外面变得可见,办法便是以“public”润饰。而cdef类似于Python的def,只要运用cdef才能够运用Cython的关键字public。

这个函数中其他的部分与正常的Python代码是相同的。

接下来编译 great_module.pyx

cython great_module.pyx

得到great_module.h和great_module.c。翻开great_module.h能够找到这样一句声明:

__PYX_EXTERN_C DL_IMPORT(PyObject) *great_function(PyObject *, PyObject *)

写一个main运用great_function。留意great_function并不规则a是何种类型,它的功用仅仅提取a的第index的成员罢了,故运用great_function的时分,a能够传入Python String,也能够传入tuple之类的其他可迭代类型。依然运用之前说到的类型转化函数PyXXX_FromYYY和PyXXX_AsYYY。

//main.c

#include

#include "great_module.h"

int main(int argc, char *argv[]) {

PyObject *tuple;

Py_Initialize();

initgreat_module();

printf("%s\n",PyString_AsString(

great_function(

PyString_FromString("hello"),

PyInt_FromLong(1)

)

));

tuple = Py_BuildValue("(iis)", 1, 2, "three");

printf("%d\n",PyInt_AsLong(

great_function(

tuple,

PyInt_FromLong(1)

)

));

printf("%s\n",PyString_AsString(

great_function(

tuple,

PyInt_FromLong(2)

)

));

Py_Finalize();

}

编译指令和榜首部分相同:

在Windows下编译指令为

cl main.c great_module.c -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib

在Linux下编译指令为

gcc main.c great_module.c -o main -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7

这个比如中咱们运用了Python的动态类型特性。假如你想指定类型,能够运用Cython的静态类型关键字。比如如下:

#great_module.pyx

cdef public char great_function(const char * a,int index):

return a[index]

cython编译后得到的.h里,great_function的声明是这样的:

__PYX_EXTERN_C DL_IMPORT(char) great_function(char const *, int);

很高兴对不对!

这样的话,咱们的main函数现已简直看不到Python的痕迹了:

//main.c

#include

#include "great_module.h"

int main(int argc, char *argv[]) {

Py_Initialize();

initgreat_module();

printf("%c",great_function("Hello",2));

Py_Finalize();

}

在这一部分的最终咱们给一个看似有用的运用(仅限于Windows):

仍是运用方才的great_module.pyx,预备一个dllmain.c:

#include

#include

#include "great_module.h"

extern __declspec(dllexport) int __stdcall _great_function(const char * a, int b) {

return great_function(a,b);

}

BOOL WINAPI DllMain(HINSTANCE hinstDLL,DWORD fdwReason,LPVOID lpReserved) {

switch( fdwReason ) {

case DLL_PROCESS_ATTACH:

Py_Initialize();

initgreat_module();

break;

case DLL_PROCESS_DETACH:

Py_Finalize();

break;

}

return TRUE;

}

在Visual Studio指令提示符下编译:

cl /LD dllmain.c great_module.c -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib

会得到一个dllmain.dll。咱们在Excel里边运用它,没错,传说中的Excel与Python混合编程

参阅材料:Cython的官方文档,质量十分高:

Welcome to Cython’s Documentation

4 Python调用C/C++(运用SWIG)

用C/C++对脚本言语的功用扩展是十分常见的作业,Python也不破例。除了SWIG,市面上还有若干用于Python扩展的工具包,比较闻名的还有Boost.Python、SIP等,此外,Cython因为能够直接集成C/C++代码,并便利的生成Python模块,故也能够完结扩展Python的使命。

答主在这儿选用SWIG的一个重要原因是,它不只能够用于Python,也能够用于其他言语。现在SWIG现已支撑C/C++的好基友Java,干流脚本言语Python、Perl、Ruby、PHP、JavaScript、tcl、Lua,还有Go、C#,以及R。SWIG是根据装备的,也便是说,原则上一套装备改动不同的编译办法就能适用各种言语(当然,这是抱负状况了……)

SWIG的装置便利,有Windows的预编译包,解压即用,绿色健康。干流Linux一般集成swig的包,也能够下载源代码自己编译,SWIG十分细巧,一般装置不会出什么问题。

用SWIG扩展Python,你需求有一个待扩展的C/C++库。这个库有或许是你自己写的,也有或许是某个项目供给的。这儿举一个不虚浮的比如:期望在Python中用到SSE4指令集的CRC32指令。

首要翻开指令集的文档:https://software.intel.com/en-us/node/514245

能够看到有6个函数。剖析6个函数的原型,其参数和回来值都是简略的整数。所以书写SWIG的装备文件(为了简化起见,未包括2个64位函数):

/* File: mymodule.i */

%module mymodule

%{

#include "nmmintrin.h"

%}

int _mm_popcnt_u32(unsigned int v);

unsigned int _mm_crc32_u8 (unsigned int crc, unsigned char v);

unsigned int _mm_crc32_u16(unsigned int crc, unsigned short v);

unsigned int _mm_crc32_u32(unsigned int crc, unsigned int v);

接下来运用SWIG将这个装备文件编译为所谓Python Module Wrapper

swig -python mymodule.i

得到一个 mymodule_wrap.c和一个mymodule.py。把它编译为Python扩展:

Windows:

cl /LD mymodule_wrap.c /o _mymodule.pyd -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib

Linux:

gcc -fPIC -shared mymodule_wrap.c -o _mymodule.so -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7

留意输出文件名前面要加一个下划线。

现在能够立即在Python下运用这个module了:

>>> import mymodule

>>> mymodule._mm_popcnt_u32(10)

2

回忆这个装备文件分为3个部分:

  1. 界说module称号mymodule,一般,module称号要和文件名保持一致。
  2. %{ %} 包裹的部分是C言语的代码,这段代码会原封不动的仿制到mymodule_wrap.c
  3. 欲导出的函数签名列表。直接从头文件里仿制过来即可。

还记得本文第2节的那个great_function吗?有了SWIG,作业就会变得如此简略:

/* great_module.i */

%module great_module

%{

int great_function(int a) {

return a + 1;

}

%}

int great_function(int a);

换句话说,SWIG主动完结了比如Python类型转化、module初始化、导出代码表生成的许多作业。

关于C++,SWIG也能够应对。例如以下代码有C++类的界说:

//great_class.h

#ifndef GREAT_CLASS

#define GREAT_CLASS

class Great {

private:

int s;

public:

void setWall (int _s) {s = _s;};

int getWall () {return s;};

};

#endif // GREAT_CLASS

对应的SWIG装备文件

/* great_class.i */

%module great_class

%{

#include "great_class.h"

%}

%include "great_class.h"

这儿不再从头敲一遍class的界说了,直接运用SWIG的%include指令

SWIG编译时要加-c++这个选项,生成的扩展名为cxx

swig -c++ -python great_class.i

Windows下编译:

cl /LD great_class_wrap.cxx /o _great_class.pyd -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib

Linux,运用C++的编译器

g++ -fPIC -shared great_class_wrap.cxx -o _great_class.so -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7

在Python交互形式下测验:

>>> import great_class

>>> c = great_class.Great()

>>> c.setWall(5)

>>> c.getWall()

5

也便是说C++的class会直接映射到Python class

SWIG十分强壮,关于Python接口而言,简略类型,乃至指针,都无需人工干与即可主动转化,而杂乱类型,尤其是自界说类型,SWIG供给了typemap供转化。而一旦运用了typemap,装备文件将不再在各个言语傍边通用。

参阅材料:

SWIG的官方文档,质量比较高。SWIG Users Manual

有个对应的中文版官网,很多年没有更新了。

写在最终:

因为CPython本身的结构设计合理,使得Python的C/C++扩展十分简略。假如计划快速完结使命,Cython(C/C++调用Python)和SWIG(Python调用C/C++)是很不错的挑选。可是,一旦涉及到比较杂乱的转化使命,无论是持续运用Cython仍是SWIG,依然需求学习Python源代码。

本文运用的开发环境:

Python 2.7.10

Cython 0.22

SWIG 3.0.6

Windows 10 x64 RTM

CentOS 7.1 AMD 64

Mac OSX 10.10.4

文中所述原理与详细环境适用性强。

文章所述代码均用于演示,缺少必备的反常查看

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