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導(dǎo)讀：使用 C 擴(kuò)展為 Python/ target=_blank class=infotextkey>Python 提供特定功能。

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使用 C 擴(kuò)展為 Python 提供特定功能。

在前一篇文章中，我介紹了 opensource.com。在大多數(shù)系統(tǒng)上，CPython 是默認(rèn)的解釋器，而且根據(jù)民意調(diào)查顯示，它還是最流行的解釋器。Cpython 的獨(dú)有功能是使用擴(kuò)展 API 用 C 語(yǔ)言編寫 Python 模塊。用 C 語(yǔ)言編寫 Python 模塊允許你將計(jì)算密集型代碼轉(zhuǎn)移到 C，同時(shí)保留 Python 的易用性。

在本文中，我將向你展示如何編寫一個(gè) C++ 擴(kuò)展模塊。使用 C++ 而不是 C，因?yàn)榇蠖鄶?shù)編譯器通常都能理解這兩種語(yǔ)言。我必須提前說(shuō)明缺點(diǎn)：以這種方式構(gòu)建的 Python 模塊不能移植到其他解釋器中。它們只與 CPython 解釋器配合工作。因此，如果你正在尋找一種可移植性更好的與 C 語(yǔ)言模塊交互的方式，考慮下使用 docs.python.org 模塊。

源代碼

和往常一樣，你可以在 github.com 上找到相關(guān)的源代碼。倉(cāng)庫(kù)中的 C++ 文件有以下用途：

?my_py_module.cpp: Python 模塊MyModule的定義

?my_cpp_class.h: 一個(gè)頭文件 - 只有一個(gè)暴露給 Python 的 C++ 類

?my_class_py_type.h/cpp: Python 形式的 C++ 類

?pydbg.cpp: 用于調(diào)試的單獨(dú)應(yīng)用程序

本文構(gòu)建的 Python 模塊不會(huì)有任何實(shí)際用途，但它是一個(gè)很好的示例。

構(gòu)建模塊

在查看源代碼之前，你可以檢查它是否能在你的系統(tǒng)上編譯。 opensource.com 來(lái)創(chuàng)建構(gòu)建的配置信息，因此你的系統(tǒng)上必須安裝 CMake。為了配置和構(gòu)建這個(gè)模塊，可以讓 Python 去執(zhí)行這個(gè)過(guò)程：

$ python3 setup.py build

或者手動(dòng)執(zhí)行：

$ cmake -B build
$ cmake --build build

之后，在/build子目錄下你會(huì)有一個(gè)名為MyModule. so的文件。

定義擴(kuò)展模塊

首先，看一下my_py_module.cpp文件，尤其是PyInit_MyModule函數(shù)：

PyMODINIT_FUNC
PyInit_MyModule(void) {
PyObject* module = PyModule_Create(&my_module);
PyObject *myclass = PyType_FromSpec(&spec_myclass);
if (myclass == NULL){
return NULL;
}
Py_INCREF(myclass);
if(PyModule_AddObject(module, "MyClass", myclass) < 0){
Py_DECREF(myclass);
Py_DECREF(module);
return NULL;
}
return module;
}

這是本例中最重要的代碼，因?yàn)樗?CPython 的入口點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè) Python C 擴(kuò)展被編譯并作為共享對(duì)象二進(jìn)制文件提供時(shí)，CPython 會(huì)在同名二進(jìn)制文件中（.so）搜索PyInit_函數(shù)，并在試圖導(dǎo)入時(shí)執(zhí)行它。

無(wú)論是聲明還是實(shí)例，所有 Python 類型都是 docs.python.org 的一個(gè)指針。在此函數(shù)的第一部分中，module通過(guò)PyModule_Create(...)創(chuàng)建的。正如你在module詳述（my_py_module，同名文件）中看到的，它沒有任何特殊的功能。

之后，調(diào)用 docs.python.org 為自定義類型MyClass創(chuàng)建一個(gè) Python docs.python.org 定義。一個(gè)堆類型對(duì)應(yīng)于一個(gè) Python 類，然后將它賦值給MyModule模塊。

注意，如果其中一個(gè)函數(shù)返回失敗，則必須減少以前創(chuàng)建的復(fù)制對(duì)象的引用計(jì)數(shù)，以便解釋器刪除它們。

指定 Python 類型

MyClass詳述在 github.com 中可以找到，它作為 docs.python.org 的一個(gè)實(shí)例：

static PyType_Spec spec_myclass = {
"MyClass", // name
sizeof(MyClassObject) + sizeof(MyClass), // basicsize
0, // itemsize
Py_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE, // flags
MyClass_slots // slots
};

它定義了一些基本類型信息，它的大小包括 Python 表示的大小（MyClassObject）和普通 C++ 類的大小（MyClass）。MyClassObject定義如下：

typedef struct {
PyObject_HEAD
int m_value;
MyClass* m_myclass;
} MyClassObject;

Python 表示的話就是 docs.python.org 類型，由PyObject_HEAD宏和其他一些成員定義。成員m_value視為普通類成員，而成員m_myclass只能在 C++ 代碼內(nèi)部訪問(wèn)。

docs.python.org 定義了一些其他功能：

static PyType_Slot MyClass_slots[] = {
{Py_tp_new, (void*)MyClass_new},
{Py_tp_init, (void*)MyClass_init},
{Py_tp_dealloc, (void*)MyClass_Dealloc},
{Py_tp_members, MyClass_members},
{Py_tp_methods, MyClass_methods},
{0, 0} /* Sentinel */
};

在這里，設(shè)置了一些初始化和析構(gòu)函數(shù)的跳轉(zhuǎn)，還有普通的類方法和成員，還可以設(shè)置其他功能，如分配初始屬性字典，但這是可選的。這些定義通常以一個(gè)哨兵結(jié)束，包含NULL值。

要完成類型詳述，還包括下面的方法和成員表：

static PyMethodDef MyClass_methods[] = {
{"addOne", (PyCFunction)MyClass_addOne, METH_NOARGS, PyDoc_STR("Return an incrmented integer")},
{NULL, NULL} /* Sentinel */
};
static struct PyMemberDef MyClass_members[] = {
{"value", T_INT, offsetof(MyClassObject, m_value)},
{NULL} /* Sentinel */
};

在方法表中，定義了 Python 方法addOne，它指向相關(guān)的 C++ 函數(shù)MyClass_addOne。它充當(dāng)了一個(gè)包裝器，它在 C++ 類中調(diào)用addOne()方法。

在成員表中，只有一個(gè)為演示目的而定義的成員。不幸的是，在 docs.python.org 中使用的 en.cppreference.com 不允許添加 C++ 類型到MyClassObject。如果你試圖放置一些 C++ 類型的容器（如 en.cppreference.com），編譯器會(huì)抱怨一些內(nèi)存布局相關(guān)的警告。

初始化和析構(gòu)

MyClass_new方法只為MyClassObject提供一些初始值，并為其類型分配內(nèi)存：

PyObject *MyClass_new(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds){
std::cout << "MtClass_new() called!" << std::endl;
MyClassObject *self;
self = (MyClassObject*) type->tp_alloc(type, 0);
if(self != NULL){ // -> 分配成功
// 賦初始值
self->m_value = 0;
self->m_myclass = NULL;
}
return (PyObject*) self;
}

實(shí)際的初始化發(fā)生在MyClass_init中，它對(duì)應(yīng)于 Python 中的 docs.python.org 方法：

int MyClass_init(PyObject *self, PyObject *args, PyObject *kwds){
((MyClassObject *)self)->m_value = 123;
MyClassObject* m = (MyClassObject*)self;
m->m_myclass = (MyClass*)PyObject_Malloc(sizeof(MyClass));
if(!m->m_myclass){
PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError, "Memory allocation failed");
return -1;
}
try {
new (m->m_myclass) MyClass();
} catch (const std::exception& ex) {
PyObject_Free(m->m_myclass);
m->m_myclass = NULL;
m->m_value = 0;
PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError, ex.what());
return -1;
} catch(...) {
PyObject_Free(m->m_myclass);
m->m_myclass = NULL;
m->m_value = 0;
PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError, "Initialization failed");
return -1;
}
return 0;
}

如果你想在初始化過(guò)程中傳遞參數(shù)，必須在此時(shí)調(diào)用 docs.python.org。簡(jiǎn)單起見，本例將忽略初始化過(guò)程中傳遞的所有參數(shù)。在函數(shù)的第一部分中，PyObject指針（self）被強(qiáng)轉(zhuǎn)為MyClassObject類型的指針，以便訪問(wèn)其他成員。此外，還分配了 C++ 類的內(nèi)存，并執(zhí)行了構(gòu)造函數(shù)。

注意，為了防止內(nèi)存泄漏，必須仔細(xì)執(zhí)行異常處理和內(nèi)存分配（還有釋放）。當(dāng)引用計(jì)數(shù)將為零時(shí)，MyClass_dealloc函數(shù)負(fù)責(zé)釋放所有相關(guān)的堆內(nèi)存。在文檔中有一個(gè)章節(jié)專門講述關(guān)于 C 和 C++ 擴(kuò)展的內(nèi)存管理。

包裝方法

從 Python 類中調(diào)用相關(guān)的 C++ 類方法很簡(jiǎn)單：

PyObject* MyClass_addOne(PyObject *self, PyObject *args){
assert(self);
MyClassObject* _self = reinterpret_cast(self);
unsigned long val = _self->m_myclass->addOne();
return PyLong_FromUnsignedLong(val);
}

同樣，PyObject參數(shù)（self）被強(qiáng)轉(zhuǎn)為MyClassObject類型以便訪問(wèn)m_myclass，它指向 C++ 對(duì)應(yīng)類實(shí)例的指針。有了這些信息，調(diào)用addOne()類方法，并且結(jié)果以 docs.python.org 返回。

3 種方法調(diào)試

出于調(diào)試目的，在調(diào)試配置中編譯 CPython 解釋器是很有價(jià)值的。詳細(xì)描述參閱 docs.python.org。只要下載了預(yù)安裝的解釋器的其他調(diào)試符號(hào)，就可以按照下面的步驟進(jìn)行操作。

GNU 調(diào)試器

當(dāng)然，老式的 opensource.com 也可以派上用場(chǎng)。源碼中包含了一個(gè) github.com 文件，定義了一些選項(xiàng)和斷點(diǎn)，另外還有一個(gè) github.com 腳本，它會(huì)創(chuàng)建一個(gè)調(diào)試構(gòu)建并啟動(dòng)一個(gè) GDB 會(huì)話：

Gnu 調(diào)試器（GDB）對(duì)于 Python C 和 C++ 擴(kuò)展非常有用

GDB 使用腳本文件 github.com 調(diào)用 CPython 解釋器，它允許你輕松定義你想要使用 Python 擴(kuò)展模塊執(zhí)行的所有操作。

C++ 應(yīng)用

另一種方法是將 CPython 解釋器嵌入到一個(gè)單獨(dú)的 C++ 應(yīng)用程序中。可以在倉(cāng)庫(kù)的 github.com 文件中找到：

int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
Py_SetProgramName(L"DbgPythonCppExtension");
Py_Initialize();
PyObject *pmodule = PyImport_ImportModule("MyModule");
if (!pmodule) {
PyErr_Print();
std::cerr << "Failed to import module MyModule" << std::endl;
return -1;
}
PyObject *myClassType = PyObject_GetAttrString(pmodule, "MyClass");
if (!myClassType) {
std::cerr << "Unable to get type MyClass from MyModule" << std::endl;
return -1;
}
PyObject *myClassInstance = PyObject_CallObject(myClassType, NULL);
if (!myClassInstance) {
std::cerr << "Instantioation of MyClass failed" << std::endl;
return -1;
}
Py_DecRef(myClassInstance); // invoke deallocation
return 0;
}

使用 docs.python.org，可以導(dǎo)入擴(kuò)展模塊并對(duì)其執(zhí)行操作。它允許你在本地 IDE 環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試，還能讓你更好地控制傳遞或來(lái)自擴(kuò)展模塊的變量。

缺點(diǎn)是創(chuàng)建一個(gè)額外的應(yīng)用程序的成本很高。

VSCode 和 VSCodium LLDB 擴(kuò)展

使用像 github.com 這樣的調(diào)試器擴(kuò)展可能是最方便的調(diào)試選項(xiàng)。倉(cāng)庫(kù)包含了一些 VSCode/VSCodium 的配置文件，用于構(gòu)建擴(kuò)展，如 github.com、 github.com 和調(diào)用調(diào)試器（ github.com）。這種方法結(jié)合了前面幾種方法的優(yōu)點(diǎn)：在圖形 IDE 中調(diào)試，在 Python 腳本文件中定義操作，甚至在解釋器提示符中動(dòng)態(tài)定義操作。

VSCodium 有一個(gè)集成的調(diào)試器。

用 C++ 擴(kuò)展 Python

Python 的所有功能也可以從 C 或 C++ 擴(kuò)展中獲得。雖然用 Python 寫代碼通常認(rèn)為是一件容易的事情，但用 C 或 C++ 擴(kuò)展 Python 代碼是一件痛苦的事情。另一方面，雖然原生 Python 代碼比 C++ 慢，但 C 或 C++ 擴(kuò)展可以將計(jì)算密集型任務(wù)提升到原生機(jī)器碼的速度。

你還必須考慮 ABI 的使用。穩(wěn)定的 ABI 提供了一種方法來(lái)保持舊版本 CPython 的向后兼容性，如 docs.python.org 所述。

最后，你必須自己權(quán)衡利弊。如果你決定使用 C 語(yǔ)言來(lái)擴(kuò)展 Python 中的一些功能，你已經(jīng)看到了如何實(shí)現(xiàn)它。

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本文由原創(chuàng)編譯，榮譽(yù)推出

LCTT 譯者：MjSeven

翻譯： 175.0 篇

貢獻(xiàn)： 1798 天

2018-01-30

2023-01-01

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