如何用C语言写Python的扩展,了解一下?

技术标签:?C语言

前言

用Python开发确实为我们减少了很多的约束和开发成本,从而让我们能够更加的专注于逻辑而非语法。但是,开发效率虽然提高了,但却带来了运行性能的问题。

作为一名Pythoner,我们能怎么办,我们也很慌张......

如何用C语言写Python的扩展,了解一下?

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万幸的是,虽然上帝关掉了我们一扇门,但是却为我们打开了另一扇窗,因为底层是用?C语言写的,所以我们可以将一些性能损耗比较大的功能,或者模块,通过?C语言?重写,然后?import xxxx?来无缝结合。

哪怕工作中有比较少的机会自己写C扩展,?了解这块的知识,这也有利于我们更加深入的了解?Python?的运行本质。

如何用C语言写Python的扩展,了解一下?

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网上的例子都是通过?ctypes?或者?setup.py?的方式实现引用和编译安装,小编在这边想试下最原始的方法~

1. 实现接口函数

接口函数是什么意思?可以简单理解成就是?Python?和?C?的对接函数,举个例子:

static PyObject *test(PyObject *self, PyObject *args){

int arg1, arg2;

if(!(PyArg_ParseTuple(args, "ii", &arg1, &arg2))){

return NULL;

}

return Py_BuildValue("i", arg1 + arg2 * 10);

}

从上述的例子中可以看到这个函数和传统意义上的 C 用法有点不同了,特别是在函数形参那边的PyObject self, PyObject args

第一个参数是?PyObject *self,这个参数是Python内部使用的,可以不用管;

第二个参数是?PyObject *args,这个参数非常重要,因为这个揽括了所有传给函数的参数。它是一个参数列表,把所有的参数都整合到。

一个?string,?因此,如果我们需要解析这些参数需要用特定的方法!我们需要用到?PyArg_ParseTuple?来解开这个扣人心弦的入口!

PyArg_ParseTuple?函数说明:

  1. args就是需要转换的参数;
  2. ii?就是参数类型的格式符号,这里代表?int init;(想了解更多类型请看官网:https://docs.python.org/2/c-a...)
  3. 后面的?&arg1, &arg2?就是通过参数解析提取的值,存放的地方,这有点类似 C 的?scanf

很明显的,这三个参数,在数量上存在这一定的联系,也就是,传进去两个?int参数,那么就肯定是对应了两个?ii,然后就会对应存在 两个实际的"容器"内,这里要注意,一不小心就会?Segmentation fault

对应有解析参数的,肯定也有?C模块?值转换成?Python对象?的,那就是?Py_BuildValue

Py_BuildValue?函数说明:

# 对比着来看

PyArg_ParseTuple(args, "ii", &arg1, &arg2) Python -> C模块

Py_BuildValue("i", arg1 + arg2 * 10); C 模块 -> Python

  1. 第一个参数 和?PyArg_ParseTuple?的第二个参数一样,都是格式化符号;
  2. 第二个参数是需要转换的参数,函数?Py_BuildValue?会把所有的返回指都组装成?tuple?给?Python

相关的官方文档:https://docs.python.org/2/c-a...

2. 定义方法列表

# 示例

static PyMethodDef testMethods[] = {

{"test", test, METH_VARARGS, "This is test"},

{NULL, NULL, 0, NULL}

};

PyMethodDef 是一个 C结构体,用来完成一个映射,也就是便于方法查找,我们把需要被外面调用的方法都记录在这表内。

PyMethodDef?结构体成员说明:

  1. 第一个字段:在 Python 里面使用的方法名;
  2. 第二个字段:C 模块内的函数名;
  3. 第三个字段:方法参数类型,是无参数(METH_NOARGS) , 还是有位置参数(METH_VARARGS), 还是其他等等;
  4. 第四个字段:方法描述,就是通过?help()?或者?doc?可以看到的;

需要注意的是,这个列表的最后必须以?{NULL, NULL, 0, NULL}?的形式来代表声明结束,也有一些大佬用?{NULL, NULL},不过个人觉得写完整也不会累到哪去, 相反会比较直观。

# PyMethodDef 结构体定义源码, 取自 Python2.7 Include/methodobject.h

struct PyMethodDef {

const char *ml_name; /* The name of the built-in function/method */

PyCFunction ml_meth; /* The C function that implements it */

int ml_flags; /* Combination of METH_xxx flags, which mostly

describe the args expected by the C func */

const char *ml_doc; /* The __doc__ attribute, or NULL */

};

正因为存在这样的一份记录表,Python 才能够寻找到相应的函数

同样的,如果我们想要找一个模块的 Python 函数 对应什么的 C模块方法,也能通过这地方比较粗暴得知,例如 Python 的 list

# 取自 Python2.7 object/listobject.c

static PyMethodDef list_methods[] = {

{"__getitem__", (PyCFunction)list_subscript, METH_O|METH_COEXIST, getitem_doc},

{"__reversed__",(PyCFunction)list_reversed, METH_NOARGS, reversed_doc},

{"__sizeof__", (PyCFunction)list_sizeof, METH_NOARGS, sizeof_doc},

{"append", (PyCFunction)listappend, METH_O, append_doc},

{"insert", (PyCFunction)listinsert, METH_VARARGS, insert_doc},

{"extend", (PyCFunction)listextend, METH_O, extend_doc},

{"pop", (PyCFunction)listpop, METH_VARARGS, pop_doc},

{"remove", (PyCFunction)listremove, METH_O, remove_doc},

{"index", (PyCFunction)listindex, METH_VARARGS, index_doc},

{"count", (PyCFunction)listcount, METH_O, count_doc},

{"reverse", (PyCFunction)listreverse, METH_NOARGS, reverse_doc},

{"sort", (PyCFunction)listsort, METH_VARARGS | METH_KEYWORDS, sort_doc},

{NULL, NULL} /* sentinel */

};

3. 实现初始化函数 (关键)

PyMODINIT_FUNC inittest(){

Py_InitModule("test", testMethods);

}

需要特别注意的是,这个函数名不能像上面那样,这是有规定的,必须是?init + 模块名字,比方说,我的最后编译出来的文件是?test.so, 那我的函数名就是?inittest, 这样在 Python 导入?test?模块时,才能找到这个函数并调用。

这里调用了 Py_InitModule 函数来将模块名字和映射表结合在一起。表示?test?这个模块使用?testMethods?这个映射表。

编译导出

gcc -I /usr/include/python2.7/ -fpic --shared -o test.so test.c

完整例子

test.c

#include

static PyObject *test(PyObject *self, PyObject *args){

int arg1, arg2;

if(!(PyArg_ParseTuple(args, "ii", &arg1, &arg2))){

return NULL;

}

return Py_BuildValue("i", arg1 + arg2 * 10);

}

?

static PyMethodDef testMethods[] = {

{"test", test, METH_VARARGS, "This is test"},

{NULL, NULL}

};

?

PyMODINIT_FUNC inittest(){

Py_InitModule("test", testMethods);

}

test.py

import test

print test.test(1, 2) # 输出 21

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