如何将c语言程序封装供python调用-转：用C语言扩展Python的功能

如何将c语⾔程序封装供python调⽤_转：⽤C语⾔扩展Python的功能⼀、简介Python是⼀门功能强⼤的⾼级脚本语⾔，它的强⼤不仅表现在其⾃⾝的功能上，⽽且还表现在其良好的可扩展性上，正因如此，Python已经开始受到越来越多⼈的青睐，并且被屡屡成功地应⽤于各类⼤型软件系统的开发过程中。与其它普通脚本语⾔有所不同，Python程序员可以借助Python语⾔提供的API，使⽤C或者C++来对Python进⾏功能性扩展，从⽽即可以利⽤Python⽅便灵活的语法和功能，⼜可以获得与C或者C++⼏乎相同的执⾏性能。执⾏速度慢是⼏乎所有脚本语⾔都具有的共性，也是倍受⼈们指责的⼀个重要因素，Python则通过与C语⾔的有机结合巧妙地解决了这⼀问题，从⽽使脚本语⾔的应⽤范围得到了很⼤扩展。在⽤Python开发实际软件系统时，很多时候都需要使⽤C/C++来对Python进⾏扩展。最常见的情况是⽬前已经存在⼀个⽤C编写的库，需要在Python语⾔中使⽤该库的某些功能，此时就可以借助Python提供的扩展功能来实现。此外，由于Python从本质上讲还是⼀种脚本语⾔，某些功能⽤Python实现可能很难满⾜实际软件系统对执⾏效率的要求，此时也可以借助Python提供的扩展功能，将这些关键代码段⽤C或者C++实现，从⽽提供程序的执⾏性能。本⽂主要介绍Python提供的C语⾔扩展接⼝，以及如何使⽤这些接⼝和C/C++语⾔来对Python进⾏功能性扩展，并辅以具体的实例讲述如何实现Python的功能扩展。⼆、Python的C语⾔接⼝Python是⽤C语⾔实现的⼀种脚本语⾔，本⾝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。在使⽤C/C++对Python进⾏功能扩展之前，必须⾸先掌握Python解释所提供的C语⾔接⼝。2.1Python对象(PyObject)Python是⼀门⾯向对象的脚本语⾔，所有的对象在Python解释器中都被表⽰成PyObject，PyObject结构包含Python对象的所有成员指针，并且对Python对象的类型信息和引⽤计数进⾏维护。在进⾏Python的扩展编程时，⼀旦要在C或者C++中对Python对象进⾏处理，就意味着要维护⼀个PyObject结构。在Python的C语⾔扩展接⼝中，⼤部分函数都有⼀个或者多个参数为PyObject指针类型，并且返回值也⼤都为PyObject指针。2.2引⽤计数为了简化内存管理，Python通过引⽤计数机制实现了⾃动的垃圾回收功能，Python中的每个对象都有⼀个引⽤计数，⽤来计数该对象在不同场所分别被引⽤了多少次。每当引⽤⼀次Python对象，相应的引⽤计数就增1，每当消毁⼀次Python对象，则相应的引⽤就减1，只有当引⽤计数为零时，才真正从内存中删除Python对象。下⾯的例⼦说明了Python解释器如何利⽤引⽤计数来对Pyhon对象进⾏管理：例1:refcount.pyclassrefcount:#etc.r1=refcount()#引⽤计数为1r2=r1#引⽤计数为2del(r1)#引⽤计数为1del(r2)#引⽤计数为0，删除对象在C/C++中处理Python对象时，对引⽤计数进⾏正确的维护是⼀个关键问题，处理不好将很容易产⽣内存泄漏。Python的C语⾔接⼝提供了⼀些宏来对引⽤计数进⾏维护，最常见的是⽤Py_INCREF()来增加使Python对象的引⽤计数增1，⽤Py_DECREF()来使Python对象的引⽤计数减1。2.3数据类型

Python定义了六种数据类型：整型、浮点型、字符串、元组、列表和字典，在使⽤C语⾔对Python进⾏功能扩展时，⾸先要了解如何在C和Python的数据类型间进⾏转化。2.3.1整型、浮点型和字符串在Python的C语⾔扩展中要⽤到整型、浮点型和字符串这三种数据类型时相对⽐较简单，只需要知道如何⽣成和维护它们就可以了。下⾯的例⼦给出了如何在C语⾔中使⽤Python的这三种数据类型：例2：typeifs.c//buildanintegerPyObject*pInt=Py_BuildValue("i",2003);assert(PyInt_Check(pInt));inti=PyInt_AsLong(pInt);Py_DECREF(pInt);//buildafloatPyObject*pFloat=Py_BuildValue("f",3.14f);assert(PyFloat_Check(pFloat));floatf=PyFloat_AsDouble(pFloat);Py_DECREF(pFloat);//buildastringPyObject*pString=Py_BuildValue("s","Python");assert(PyString_Check(pString);intnLen=PyString_Size(pString);char*s=PyString_AsString(pString);Py_DECREF(pString);2.3.2元组Python语⾔中的元组是⼀个长度固定的数组，当Python解释器调⽤C语⾔扩展中的⽅法时，所有⾮关键字(non-keyword)参数都以元组⽅式进⾏传递。下⾯的例⼦⽰范了如何在C语⾔中使⽤Python的元组类型：例3：typetuple.c//createthetuplePyObject*pTuple=PyTuple_New(3);assert(PyTuple_Check(pTuple));assert(PyTuple_Size(pTuple)==3);//settheitemPyTuple_SetItem(pTuple,0,Py_BuildValue("i",2003));PyTuple_SetItem(pTuple,1,Py_BuildValue("f",3.14f));PyTuple_SetItem(pTuple,2,Py_BuildValue("s","Python"));//parsetupleitems

inti;floatf;char*s;if(!PyArg_ParseTuple(pTuple,"ifs",&i,&f,&s))PyErr_SetString(PyExc_TypeError,"invalidparameter");//cleanupPy_DECREF(pTuple);2.3.3列表Python语⾔中的列表是⼀个长度可变的数组，列表⽐元组更为灵活，使⽤列表可以对其存储的Python对象进⾏随机访问。下⾯的例⼦⽰范了如何在C语⾔中使⽤Python的列表类型：例4：typelist.c//createthelistPyObject*pList=PyList_New(3);//newreferenceassert(PyList_Check(pList));//setsomeinitialvaluesfor(inti=0;i<3;++i)PyList_SetItem(pList,i,Py_BuildValue("i",i));//insertanitemPyList_Insert(pList,2,Py_BuildValue("s","inserted"));//appendanitemPyList_Append(pList,Py_BuildValue("s","appended"));//sortthelistPyList_Sort(pList);//reversethelistPyList_Reverse(pList);//fetchandmanipulatealistslicePyObject*pSlice=PyList_GetSlice(pList,2,4);//newreferencefor(intj=0;j<PyList_Size(pSlice);++j){PyObject*pValue=PyList_GetItem(pList,j);assert(pValue);}Py_DECREF(pSlice);//cleanupPy_DECREF(pList);

2.3.4字典Python语⾔中的字典是⼀个根据关键字进⾏访问的数据类型。下⾯的例⼦⽰范了如何在C语⾔中使⽤Python的字典类型：例5：typedic.c//createthedictionaryPyObject*pDict=PyDict_New();//newreferenceassert(PyDict_Check(pDict));//addafewnamedvaluesPyDict_SetItemString(pDict,"first",Py_BuildValue("i",2003));PyDict_SetItemString(pDict,"second",Py_BuildValue("f",3.14f));//enumerateallnamedvaluesPyObject*pKeys=PyDict_Keys();//newreferencefor(inti=0;i<PyList_Size(pKeys);++i){PyObject*pKey=PyList_GetItem(pKeys,i);PyObject*pValue=PyDict_GetItem(pDict,pKey);assert(pValue);}Py_DECREF(pKeys);//removeanamedvaluePyDict_DelItemString(pDict,"second");//cleanupPy_DECREF(pDict);三、Python的C语⾔扩展3.1模块封装在了解了Python的C语⾔接⼝后，就可以利⽤Python解释器提供的这些接⼝来编写Python的C语⾔扩展，假设有如下⼀个C语⾔函数：例6：example.cintfact(intn){if(n<=1)return1;elsereturnn*fact(n-1);}

该函数的功能是计算某个给定⾃然数的阶乘，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：例7:wrap.c#includePyObject*wrap_fact(PyObject*self,PyObject*args){intn,result;if(!PyArg_ParseTuple(args,"i:fact",&n))returnNULL;result=fact(n);returnPy_BuildValue("i",result);}staticPyMethodDefexampleMethods[]={{"fact",wrap_fact,METH_VARARGS,"CaculateN!"},{NULL,NULL}};voidinitexample(){PyObject*m;m=Py_InitModule("example",exampleMethods);}⼀个典型的Python扩展模块⾄少应该包含三个部分：导出函数、⽅法列表和初始化函数。3.2导出函数要在Python解释器中使⽤C语⾔中的某个函数，⾸先要为其编写相应的导出函数，上述例⼦中的导出函数为wrap_fact。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*method(PyObject*self,PyObject*args);该函数是Python解释器和C函数进⾏交互的接⼝，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-inmethod)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*method(PyObject*self,PyObject*args){Py_INCREF(Py_None);returnPy_None;

}3.3⽅法列表⽅法列表中给出了所有可以被Python解释器使⽤的⽅法，上述例⼦对应的⽅法列表为：staticPyMethodDefexampleMethods[]={{"fact",wrap_fact,METH_VARARGS,"CaculateN!"},{NULL,NULL}};⽅法列表中的每项由四个部分组成：⽅法名、导出函数、参数传递⽅式和⽅法描述。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。3.4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example来说，则相应的初始化函数为:voidinitexample(){PyObject*m;m=Py_InitModule("example",exampleMethods);}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。3.5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RedHatLinux8.0为例，介绍如何将