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2015
07-24

Python实例浅谈之三Python与C/C++相互调用

一、问题
Python模块和C/C++的动态库间相互调用在实际的应用中会有所涉及,在此作一总结。

二、Python调用C/C++
1、Python调用C动态链接库
Python调用C库比较简单,不经过任何封装打包成so,再使用python的ctypes调用即可。
(1)C语言文件:pycall.c

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/***gcc -o libpycall.so -shared -fPIC pycall.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int foo(int a, int b)
{
printf("you input %d and %d\n", a, b);
return a+b;
}

(2)gcc编译生成动态库libpycall.so:gcc -o libpycall.so -shared -fPIC pycall.c。使用g++编译生成C动态库的代码中的函数或者方法时,需要使用extern “C”来进行编译。
(3)Python调用动态库的文件:pycall.py

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import ctypes
ll = ctypes.cdll.LoadLibrary
lib = ll("./libpycall.so")
lib.foo(1, 3)
print '***finish***'

(4)运行结果:
Python实例浅谈之三Python与C/C++相互调用 - 第1张  | 大话运维

2、Python调用C++(类)动态链接库 

需要extern “C”来辅助,也就是说还是只能调用C函数,不能直接调用方法,但是能解析C++方法。不是用extern “C”,构建后的动态链接库没有这些函数的符号表。
(1)C++类文件:pycallclass.cpp

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#include <iostream>
using namespace std;
 
class TestLib
{
public:
void display();
void display(int a);
};
void TestLib::display() {
cout<<"First display"<<endl;
}
 
void TestLib::display(int a) {
cout<<"Second display:"<<a<<endl;
}
extern "C" {
TestLib obj;
void display() {
obj.display();
}
void display_int() {
obj.display(2);
}
}

(2)g++编译生成动态库libpycall.so:g++ -o libpycallclass.so -shared -fPIC pycallclass.cpp。
(3)Python调用动态库的文件:pycallclass.py

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import ctypes
so = ctypes.cdll.LoadLibrary
lib = so("./libpycallclass.so")
print 'display()'
lib.display()
print 'display(100)'
lib.display_int(100)

(4)运行结果:
Python实例浅谈之三Python与C/C++相互调用 - 第2张  | 大话运维

3、Python调用C/C++可执行程序

(1)C/C++程序:main.cpp

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#include <iostream>
using namespace std;
int test()
{
int a = 10, b = 5;
return a+b;
}
int main()
{
cout<<"---begin---"<<endl;
int num = test();
cout<<"num="<<num<<endl;
cout<<"---end---"<<endl;
}

(2)编译成二进制可执行文件:g++ -o testmain main.cpp。
(3)Python调用程序:main.py

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import commands
import os
main = "./testmain"
if os.path.exists(main):
rc, out = commands.getstatusoutput(main)
print 'rc = %d, \nout = %s' % (rc, out)
 
print '*'*10
f = os.popen(main)
data = f.readlines()
f.close()
print data
 
print '*'*10
os.system(main)

(4)运行结果:

Python实例浅谈之三Python与C/C++相互调用 - 第3张  | 大话运维

4、扩展Python(C++为Python编写扩展模块)

所有能被整合或导入到其它python脚本的代码,都可以被称为扩展。可以用Python来写扩展,也可以用C和C++之类的编译型的语言来写扩展。Python在设计之初就考虑到要让模块的导入机制足够抽象。抽象到让使用模块的代码无法了解到模块的具体实现细节。Python的可扩展性具有的优点:方便为语言增加新功能、具有可定制性、代码可以实现复用等。
为 Python 创建扩展需要三个主要的步骤:创建应用程序代码、利用样板来包装代码和编译与测试。
(1)创建应用程序代码

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
 
int fac(int n)
{
if (n < 2) return(1); /* 0! == 1! == 1 */
return (n)*fac(n-1); /* n! == n*(n-1)! */
}
 
char *reverse(char *s)
{
register char t,                    /* tmp */
*p = s,                     /* fwd */
*q = (s + (strlen(s) - 1)); /* bwd */
 
while (p < q)               /* if p < q */
{
t = *p;         /* swap & move ptrs */
*p++ = *q;
*q-- = t;
}
return(s);
}
 
int main()
{
char s[BUFSIZ];
printf("4! == %d\n", fac(4));
printf("8! == %d\n", fac(8));
printf("12! == %d\n", fac(12));
strcpy(s, "abcdef");
printf("reversing 'abcdef', we get '%s'\n", \
reverse(s));
strcpy(s, "madam");
printf("reversing 'madam', we get '%s'\n", \
reverse(s));
return 0;
}

上述代码中有两个函数,一个是递归求阶乘的函数fac();另一个reverse()函数实现了一个简单的字符串反转算法,其主要目的是修改传入的字符串,使其内容完全反转,但不需要申请内存后反着复制的方法。
(2)用样板来包装代码
接口的代码被称为“样板”代码,它是应用程序代码与Python解释器之间进行交互所必不可少的一部分。样板主要分为4步:a、包含Python的头文件;b、为每个模块的每一个函数增加一个型如PyObject* Module_func()的包装函数;c、为每个模块增加一个型如PyMethodDef ModuleMethods[]的数组;d、增加模块初始化函数void initModule()。

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
 
int fac(int n)
{
if (n < 2) return(1);
return (n)*fac(n-1);
}
 
char *reverse(char *s)
{
register char t,
*p = s,
*q = (s + (strlen(s) - 1));
 
while (s && (p < q))
{
t = *p;
*p++ = *q;
*q-- = t;
}
return(s);
}
 
int test()
{
char s[BUFSIZ];
printf("4! == %d\n", fac(4));
printf("8! == %d\n", fac(8));
printf("12! == %d\n", fac(12));
strcpy(s, "abcdef");
printf("reversing 'abcdef', we get '%s'\n", \
reverse(s));
strcpy(s, "madam");
printf("reversing 'madam', we get '%s'\n", \
reverse(s));
return 0;
}
 
#include "Python.h"
 
static PyObject *
Extest_fac(PyObject *self, PyObject *args)
{
int num;
if (!PyArg_ParseTuple(args, "i", &num))
return NULL;
return (PyObject*)Py_BuildValue("i", fac(num));
}
 
static PyObject *
Extest_doppel(PyObject *self, PyObject *args)
{
char *orig_str;
char *dupe_str;
PyObject* retval;
 
if (!PyArg_ParseTuple(args, "s", &orig_str))
return NULL;
retval = (PyObject*)Py_BuildValue("ss", orig_str,
dupe_str=reverse(strdup(orig_str)));
free(dupe_str);             #防止内存泄漏
return retval;
}
 
static PyObject *
Extest_test(PyObject *self, PyObject *args)
{
test();
return (PyObject*)Py_BuildValue("");
}
 
static PyMethodDef
ExtestMethods[] =
{
{ "fac", Extest_fac, METH_VARARGS },
{ "doppel", Extest_doppel, METH_VARARGS },
{ "test", Extest_test, METH_VARARGS },
{ NULL, NULL },
};
 
void initExtest()
{
Py_InitModule("Extest", ExtestMethods);
}

Python.h头文件在大多数类Unix系统中会在/usr/local/include/python2.x或/usr/include/python2.x目录中,系统一般都会知道文件安装的路径。
增加包装函数,所在模块名为Extest,那么创建一个包装函数叫Extest_fac(),在Python脚本中使用是先import Extest,然后调用Extest.fac(),当Extest.fac()被调用时,包装函数Extest_fac()会被调用,包装函数接受一个 Python的整数参数,把它转为C的整数,然后调用C的fac()函数,得到一个整型的返回值,最后把这个返回值转为Python的整型数做为整个函数调用的结果返回回去。其他两个包装函数Extest_doppel()和Extest_test()类似。
从Python到C的转换用PyArg_Parse*系列函数,int PyArg_ParseTuple():把Python传过来的参数转为C;int PyArg_ParseTupleAndKeywords()与PyArg_ParseTuple()作用相同,但是同时解析关键字参数;它们的用法跟C的sscanf函数很像,都接受一个字符串流,并根据一个指定的格式字符串进行解析,把结果放入到相应的指针所指的变量中去,它们的返回值为1表示解析成功,返回值为0表示失败。从C到Python的转换函数是PyObject* Py_BuildValue():把C的数据转为Python的一个对象或一组对象,然后返回之;Py_BuildValue的用法跟sprintf很像,把所有的参数按格式字符串所指定的格式转换成一个Python的对象。
C与Python之间数据转换的转换代码:

Python实例浅谈之三Python与C/C++相互调用 - 第4张  | 大话运维
为每个模块增加一个型如PyMethodDef ModuleMethods[]的数组,以便于Python解释器能够导入并调用它们,每一个数组都包含了函数在Python中的名字,相应的包装函数的名字以及一个METH_VARARGS常量,METH_VARARGS表示参数以tuple形式传入。 若需要使用PyArg_ParseTupleAndKeywords()函数来分析命名参数的话,还需要让这个标志常量与METH_KEYWORDS常量进行逻辑与运算常量 。数组最后用两个NULL来表示函数信息列表的结束。
所有工作的最后一部分就是模块的初始化函数,调用Py_InitModule()函数,并把模块名和ModuleMethods[]数组的名字传递进去,以便于解释器能正确的调用模块中的函数。
(3)编译
为了让新Python的扩展能被创建,需要把它们与Python库放在一起编译,distutils包被用来编译、安装和分发这些模块、扩展和包。
创建一个setup.py 文件,编译最主要的工作由setup()函数来完成:

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#!/usr/bin/env python
 
from distutils.core import setup, Extension
 
MOD = 'Extest'
setup(name=MOD, ext_modules=[Extension(MOD, sources=['Extest2.c'])])

Extension()第一个参数是(完整的)扩展的名字,如果模块是包的一部分的话,还要加上用’.’分隔的完整的包的名字。上述的扩展是独立的,所以名字只要写”Extest”就行;sources参数是所有源代码的文件列表,只有一个文件Extest2.c。setup需要两个参数:一个名字参数表示要编译哪个内容;另一个列表参数列出要编译的对象,上述要编译的是一个扩展,故把ext_modules参数的值设为扩展模块的列表。
运行setup.py build命令就可以开始编译我们的扩展了,提示部分信息:

creating build/lib.linux-x86_64-2.6
gcc -pthread -shared build/temp.linux-x86_64-2.6/Extest2.o -L/usr/lib64 -lpython2.6 -o build/lib.linux-x86_64-2.6/Extest.so

(4)导入和测试
你的扩展会被创建在运行setup.py脚本所在目录下的build/lib.*目录中,可以切换到那个目录中来测试模块,或者也可以用命令把它安装到Python中:python setup.py install,会提示相应信息。
测试模块:

Python实例浅谈之三Python与C/C++相互调用 - 第5张  | 大话运维

(5)引用计数和线程安全
Python对象引用计数的宏:Py_INCREF(obj)增加对象obj的引用计数,Py_DECREF(obj)减少对象obj的引用计数。Py_INCREF()和Py_DECREF()两个函数也有一个先检查对象是否为空的版本,分别为Py_XINCREF()和Py_XDECREF()。
编译扩展的程序员必须要注意,代码有可能会被运行在一个多线程的Python环境中。这些线程使用了两个C宏Py_BEGIN_ALLOW_THREADS和Py_END_ALLOW_THREADS,通过将代码和线程隔离,保证了运行和非运行时的安全性,由这些宏包裹的代码将会允许其他线程的运行。

三、C/C++调用Python

C++可以调用Python脚本,那么就可以写一些Python的脚本接口供C++调用了,至少可以把Python当成文本形式的动态链接库, 
需要的时候还可以改一改,只要不改变接口。缺点是C++的程序一旦编译好了,再改就没那么方便了。
(1)Python脚本:pytest.py

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#test function
def add(a,b):
print "in python function add"
print "a = " + str(a)
print "b = " + str(b)
print "ret = " + str(a+b)
return
 
def foo(a):
 
print "in python function foo"
print "a = " + str(a)
print "ret = " + str(a * a)
return
 
class guestlist:
def __init__(self):
print "aaaa"
def p():
print "bbbbb"
def __getitem__(self, id):
return "ccccc"
def update():
guest = guestlist()
print guest['aa']
 
#update()

(2)C++代码:

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/**g++ -o callpy callpy.cpp -I/usr/include/python2.6 -L/usr/lib64/python2.6/config -lpython2.6**/
#include <Python.h>
int main(int argc, char** argv)
{
// 初始化Python
//在使用Python系统前,必须使用Py_Initialize对其
//进行初始化。它会载入Python的内建模块并添加系统路
//径到模块搜索路径中。这个函数没有返回值,检查系统
//是否初始化成功需要使用Py_IsInitialized。
Py_Initialize();
 
// 检查初始化是否成功
if ( !Py_IsInitialized() ) {
return -1;
}
// 添加当前路径
//把输入的字符串作为Python代码直接运行,返回0
//表示成功,-1表示有错。大多时候错误都是因为字符串
//中有语法错误。
PyRun_SimpleString("import sys");
PyRun_SimpleString("print '---import sys---'");
PyRun_SimpleString("sys.path.append('./')");
PyObject *pName,*pModule,*pDict,*pFunc,*pArgs;
 
// 载入名为pytest的脚本
pName = PyString_FromString("pytest");
pModule = PyImport_Import(pName);
if ( !pModule ) {
printf("can't find pytest.py");
getchar();
return -1;
}
pDict = PyModule_GetDict(pModule);
if ( !pDict ) {
return -1;
}
 
// 找出函数名为add的函数
printf("----------------------\n");
pFunc = PyDict_GetItemString(pDict, "add");
if ( !pFunc || !PyCallable_Check(pFunc) ) {
printf("can't find function [add]");
getchar();
return -1;
}
 
// 参数进栈
*pArgs;
pArgs = PyTuple_New(2);
 
//  PyObject* Py_BuildValue(char *format, ...)
//  把C++的变量转换成一个Python对象。当需要从
//  C++传递变量到Python时,就会使用这个函数。此函数
//  有点类似C的printf,但格式不同。常用的格式有
//  s 表示字符串,
//  i 表示整型变量,
//  f 表示浮点数,
//  O 表示一个Python对象。
 
PyTuple_SetItem(pArgs, 0, Py_BuildValue("l",3));
PyTuple_SetItem(pArgs, 1, Py_BuildValue("l",4));
 
// 调用Python函数
PyObject_CallObject(pFunc, pArgs);
 
//下面这段是查找函数foo 并执行foo
printf("----------------------\n");
pFunc = PyDict_GetItemString(pDict, "foo");
if ( !pFunc || !PyCallable_Check(pFunc) ) {
printf("can't find function [foo]");
getchar();
return -1;
}
 
pArgs = PyTuple_New(1);
PyTuple_SetItem(pArgs, 0, Py_BuildValue("l",2));
 
PyObject_CallObject(pFunc, pArgs);
 
printf("----------------------\n");
pFunc = PyDict_GetItemString(pDict, "update");
if ( !pFunc || !PyCallable_Check(pFunc) ) {
printf("can't find function [update]");
getchar();
return -1;
}
pArgs = PyTuple_New(0);
PyTuple_SetItem(pArgs, 0, Py_BuildValue(""));
PyObject_CallObject(pFunc, pArgs);
 
Py_DECREF(pName);
Py_DECREF(pArgs);
Py_DECREF(pModule);
 
// 关闭Python
Py_Finalize();
return 0;
}

(3)C++编译成二进制可执行文件:g++ -o callpy callpy.cpp -I/usr/include/python2.6 -L/usr/lib64/python2.6/config -lpython2.6,编译选项需要手动指定Python的include路径和链接接路径(Python版本号根据具体情况而定)。

(4)运行结果:
Python实例浅谈之三Python与C/C++相互调用 - 第6张  | 大话运维

四、总结

(1)Python和C/C++的相互调用仅是测试代码,具体的项目开发还得参考Python的API文档。
(2)两者交互,C++可为Python编写扩展模块,Python也可为C++提供脚本接口,更加方便于实际应用。

最后编辑:
作者:saunix
大型互联网公司linux系统运维攻城狮,专门担当消防员

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