Python/C API
Python/C API 可能是被最广泛使用的方法。它不仅简单,而且可以在 C 代码中操作你的 Python 对象。
这种方法需要以特定的方式来编写 C 代码以供 Python 去调用它。所有的 Python 对象都被表示为一种叫做 PyObject 的结构体,并且 Python.h
头文件中提供了各种操作它的函数。例如,如果 PyObject 表示为 PyListType(列表类型)时,那么我们便可以使用 PyList_Size()
函数来获取该结构的长度,类似 Python 中的 len(list)
函数。大部分对Python原生对象的基础函数和操作在 Python.h
头文件中都能找到。
示例
编写一个 C 扩展,添加所有元素到一个 Python 列表(所有元素都是数字)。
来看一下我们要实现的效果,这里演示了用Python调用C扩展的代码
#Though it looks like an ordinary python import, the addList module is implemented in C
import addList
l = [1,2,3,4,5]
print "Sum of List - " + str(l) + " = " + str(addList.add(l))
上面的代码和普通的 Python 文件并没有什么分别,导入并使用了另一个叫做 addList
的Python模块。唯一差别就是这个模块并不是用 Python 编写的,而是 C。
接下来我们看看如何用C编写 addList
模块,这可能看起来有点让人难以接受,但是一旦你了解了这之中的各种组成,你就可以一往无前了。
//Python.h has all the required function definitions to manipulate the Python objects
#include <Python.h>
//This is the function that is called from your python code
static PyObject* addList_add(PyObject* self, PyObject* args){
PyObject * listObj;
//The input arguments come as a tuple, we parse the args to get the various variables
//In this case it's only one list variable, which will now be referenced by listObj
if (! PyArg_ParseTuple( args, "O", &listObj ))
return NULL;
//length of the list
long length = PyList_Size(listObj);
//iterate over all the elements
int i, sum =0;
for (i = 0; i < length; i++) {
//get an element out of the list - the element is also a python objects
PyObject* temp = PyList_GetItem(listObj, i);
//we know that object represents an integer - so convert it into C long
long elem = PyInt_AsLong(temp);
sum += elem;
}
//value returned back to python code - another python object
//build value here converts the C long to a python integer
return Py_BuildValue("i", sum);
}
//This is the docstring that corresponds to our 'add' function.
static char addList_docs[] =
"add( ): add all elements of the list\n";
/* This table contains the relavent info mapping -
<function-name in python module>, <actual-function>,
<type-of-args the function expects>, <docstring associated with the function>
*/
static PyMethodDef addList_funcs[] = {
{"add", (PyCFunction)addList_add, METH_VARARGS, addList_docs},
{NULL, NULL, 0, NULL}
};
/*
addList is the module name, and this is the initialization block of the module.
<desired module name>, <the-info-table>, <module's-docstring>
*/
PyMODINIT_FUNC initaddList(void){
Py_InitModule3("addList", addList_funcs,
"Add all ze lists");
}
逐步解释
Python.h
头文件中包含了所有需要的类型(Python对象类型的表示)和函数定义(对Python对象的操作);接下来我们编写将要在 Python 调用的函数, 函数传统的命名方式由{模块名}_{函数名}组成,所以我们将其命名为
addList_add
;然后填写想在模块内实现函数的相关信息表,每行一个函数,以空行作为结束
最后的模块初始化块签名为
PyMODINIT_FUNC init{模块名}
。
函数 addList_add
接受的参数类型为 PyObject 类型结构(同时也表示为元组类型,因为 Python 中万物皆为对象,所以我们先用 PyObject 来定义)。传入的参数则通过 PyArg_ParseTuple()
来解析。第一个参数是被解析的参数变量。第二个参数是一个字符串,告诉我们如何去解析元组中每一个元素。字符串的第 n 个字母正是代表着元组中第 n 个参数的类型。例如,"i" 代表整形,"s" 代表字符串类型, "O" 则代表一个 Python 对象。接下来的参数都是你想要通过 PyArg_ParseTuple()
函数解析并保存的元素。这样参数的数量和模块中函数期待得到的参数数量就可以保持一致,并保证了位置的完整性。例如,我们想传入一个字符串,一个整数和一个 Python 列表,可以这样去写:
int n;
char *s;
PyObject* list;
PyArg_ParseTuple(args, "siO", &n, &s, &list);
在这种情况下,我们只需要提取一个列表对象,并将它存储在 listObj
变量中。然后用列表对象中的 PyList_Size()
函数来获取它的长度。就像 Python 中调用len(list)
。
现在我们通过循环列表,使用 PyList_GetItem(list, index)
函数来获取每个元素。这将返回一个 PyObject*
对象。既然 Python 对象也能表示 PyIntType
,我们只要使用 PyInt_AsLong(PyObj *)
函数便可获得我们所需要的值。我们对每个元素都这样处理,最后再得到它们的总和。
总和将被转化为一个Python对象并通过 Py_BuildValue()
返回给 Python 代码,这里的 i 表示我们要返回一个 Python 整形对象。
现在我们已经编写完 C 模块了。将下列代码保存为 setup.py
:
#build the modules
from distutils.core import setup, Extension
setup(name='addList', version='1.0', \
ext_modules=[Extension('addList', ['adder.c'])])
并且运行:
python setup.py install
现在应该已经将我们的 C 文件编译安装到我们的 Python 模块中了。
在一番辛苦后,让我们来验证下我们的模块是否有效:
#module that talks to the C code
import addList
l = [1,2,3,4,5]
print "Sum of List - " + str(l) + " = " + str(addList.add(l))
输出结果如下:
Sum of List - [1, 2, 3, 4, 5] = 15
如你所见,我们已经使用 Python.h API 成功开发出了我们第一个 Python C 扩展。这种方法看似复杂,但你一旦习惯,它将变的非常有效。
Python 调用 C 代码的另一种方式便是使用 Cython 让 Python 编译的更快。但是 Cython 和传统的 Python 比起来可以将它理解为另一种语言,所以我们就不在这里过多描述了。
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