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2021
03-05

Python与C/C++的相互调用案例

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

/***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

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

（4）运行结果：

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

#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

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：

3、Python调用C/C++可执行程序

（1）C/C++程序：main.cpp

#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

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：

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

#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()。

#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：

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：

#!/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：

（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

#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：

/**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
 PyObject *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：

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。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持自学编程网。如有错误或未考虑完全的地方，望不吝赐教。

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