打印 | 收藏此页 | 推荐给好友 | 举报 发布: 2009-4-30 10:13 作者: May 来源: 查看: 153次
Pyton和C分别有着各自的优缺点，用Python开发程序速度快，可靠性高，并且有许多现成模块可供使用，但执行速度相对较 慢；C语言则正好相反，其执行速度快，但开发效率低。为了充分利用两种语言各自的优点，比较好的做法是用Python开发整个软件框架，而用C语言实现其 关键模块。本文介绍如何利用C语言来扩展Python的功能，并辅以具体的实例讲述如何编写Python的扩展模块。
Python是一门功能强大的高级脚本语言，它的强大不仅表现在其自身的功能上，而且还表现在其良好的可扩展性上，正因如此，Python已经开始 受到越来越多人的青睐，并且被屡屡成功地应用于各类大型软件系统的开发过程中。
与其它普通脚本语言有所不同，Python程序员可以借助Python语言提供的API，使用C或者C++来对Python进行功能性扩展，从而即 可以利用Python方便灵活的语法和功能，又可以获得与C或者C++几乎相同的执行性能。执行速度慢是几乎所有脚本语言都具有的共性，也是倍受人们指责 的一个重要因素，Python则通过与C语言的有机结合巧妙地解决了这一问题，从而使脚本语言的应用范围得到了很大扩展。
在用Python开发实际软件系统时，很多时候都需要使用C/C++来对Python进行扩展。最常见的情况是目前已经存在一个用C编写的库，需要 在Python语言中使用该库的某些功能，此时就可以借助Python提供的扩展功能来实现。此外，由于Python从本质上讲还是一种脚本语言，某些功 能用Python实现可能很难满足实际软件系统对执行效率的要求，此时也可以借助Python提供的扩展功能，将这些关键代码段用C或者C++实现，从而 提供程序的执行性能。
本文主要介绍Python提供的C语言扩展接口，以及如何使用这些接口和C/C++语言来对Python进行功能性扩展，并辅以具体的实例讲述如何 实现Python的功能扩展。
Python是用C语言实现的一种脚本语言，本身具有优良的开放性和可扩展性，并提供了方便灵活的应用程序接口(API)，从而使得C/C++程序 员能够在各个级别上对Python解释器的功能进行扩展。在使用C/C++对Python进行功能扩展之前，必须首先掌握Python解释所提供的C语言 接口。
Python是一门面向对象的脚本语言，所有的对象在Python解释器中都被表示成PyObject，PyObject结构包含Python对象 的所有成员指针，并且对Python对象的类型信息和引用计数进行维护。在进行Python的扩展编程时，一旦要在C或者C++中对Python对象进行 处理，就意味着要维护一个PyObject结构。
在Python的C语言扩展接口中，大部分函数都有一个或者多个参数为PyObject指针类型，并且返回值也大都为PyObject指针。
为了简化内存管理，Python通过引用计数机制实现了自动的垃圾回收功能，Python中的每个对象都有一个引用计数，用来计数该对象在不同场所 分别被引用了多少次。每当引用一次Python对象，相应的引用计数就增1，每当消毁一次Python对象，则相应的引用就减1，只有当引用计数为零时， 才真正从内存中删除Python对象。
下面的例子说明了Python解释器如何利用引用计数来对Pyhon对象进行管理：
例1:refcount.py |
在C/C++中处理Python对象时，对引用计数进行正确的维护是一个关键问题，处理不好将很容易产生内存泄漏。Python的C语言接口提供了 一些宏来对引用计数进行维护，最常见的是用Py_INCREF()来增加使Python对象的引用计数增1，用Py_DECREF()来使Python对 象的引用计数减1。
Python定义了六种数据类型：整型、浮点型、字符串、元组、列表和字典，在使用C语言对Python进行功能扩展时，首先要了解如何在C和 Python的数据类型间进行转化。
2.3.1 整型、浮点型和字符串
在Python的C语言扩展中要用到整型、浮点型和字符串这三种数据类型时相对比较简单，只需要知道如何生成和维护它们就可以了。下面的例子给出了 如何在C语言中使用Python的这三种数据类型：
例2：typeifs.c |
2.3.2 元组
Python语言中的元组是一个长度固定的数组，当Python解释器调用C语言扩展中的方法时，所有非关键字(non-keyword)参数都以 元组方式进行传递。下面的例子示范了如何在C语言中使用Python的元组类型：
例3：typetuple.c |
2.3.3 列表
Python语言中的列表是一个长度可变的数组，列表比元组更为灵活，使用列表可以对其存储的Python对象进行随机访问。下面的例子示范了如何 在C语言中使用Python的列表类型：
例4：typelist.c |
2.3.4 字典
Python语言中的字典是一个根据关键字进行访问的数据类型。下面的例子示范了如何在C语言中使用Python的字典类型：
例5：typedic.c |
在了解了Python的C语言接口后，就可以利用Python解释器提供的这些接口来编写Python的C语言扩展，假设有如下一个C语言函数：
例6：example.c |
该函数的功能是计算某个给定自然数的阶乘，如果想在Python解释器中调用该函数，则应该首先将其实现为Python中的一个模块，这需要编写相 应的封装接口，如下所示：
例7: wrap.c |
一个典型的Python扩展模块至少应该包含三个部分：导出函数、方法列表和初始化函数。
要在Python解释器中使用C语言中的某个函数，首先要为其编写相应的导出函数，上述例子中的导出函数为wrap_fact。在Python的C 语言扩展中，所有的导出函数都具有相同的函数原型：
PyObject* method(PyObject* self, PyObject* args);
该函数是Python解释器和C函数进行交互的接口，带有两个参数：self和args。参数self只在C函数被实现为内联方法(built- in method)时才被用到，通常该参数的值为空(NULL)。参数args中包含了Python解释器要传递给C函数的所有参数，通常使用Python的 C语言扩展接口提供的函数PyArg_ParseTuple()来获得这些参数值。
所有的导出函数都返回一个PyObject指针，如果对应的C函数没有真正的返回值(即返回值类型为void)，则应返回一个全局的None对象 (Py_None)，并将其引用计数增1，如下所示：
PyObject* method(PyObject *self, PyObject *args) |
方法列表中给出了所有可以被Python解释器使用的方法，上述例子对应的方法列表为：
static PyMethodDef exampleMethods[] = |
方法列表中的每项由四个部分组成：方法名、导出函数、参数传递方式和方法描述。方法名是从Python解释器中调用该方法时所使用的名字。参数传递 方式则规定了Python向C函数传递参数的具体形式，可选的两种方式是METH_VARARGS和METH_KEYWORDS，其中 METH_VARARGS是参数传递的标准形式，它通过Python的元组在Python解释器和C函数之间传递参数，若采用METH_KEYWORD方 式，则Python解释器和C函数之间将通过Python的字典类型在两者之间进行参数传递。
所有的Python扩展模块都必须要有一个初始化函数，以便Python解释器能够对模块进行正确的初始化。Python解释器规定所有的初始化函 数的函数名都必须以init开头，并加上模块的名字。对于模块example来说，则相应的初始化函数为:
void initexample() |
当Python解释器需要导入该模块时，将根据该模块的名称查找相应的初始化函数，一旦找到则调用该函数进行相应的初始化工作，初始化函数则通过调 用Python的C语言扩展接口所提供的函数Py_InitModule()，来向Python解释器注册该模块中所有可以用到的方法。
要在Python解释器中使用C语言编写的扩展模块，必须将其编译成动态链接库的形式。下面以RedHat Linux 8.0为例，介绍如何将C编写的Python扩展模块编译成动态链接库：
[xiaowp@gary code]$ gcc -fpic -c -I/usr/include/python2.2 \ |
当生成Python扩展模块的动态链接库后，就可以在Python解释器中使用该扩展模块了，与Python自带的模块一样，扩展模块也是通过 import命令引入后再使用的，如下所示：
[xiaowp@gary code]$ python |
作为一门功能强大的脚本语言，Python将被更加广泛地应用于各个领域。为了克服脚本语言执行速度慢的问题，Python提供了相应的C语言扩展 接口，通过将影响执行性能的关键代码用C语言实现，可以很大程度上提高用Python编写的脚本在运行时的速度，从而满足实际需要。
在python中某些时候需要C做效率上的补充，在实际应用中，需要做部分数据的交互。使用python中的ctypes模块可以很方便的调用windows的dll（也包括linux下的so等文件），下面将详细的讲
解这个模块（以windows平台为例子），当然我假设你们已经对windows下怎么写一
个DLL是没有问题的。
引入ctypes库
from ctypes import *
假设你有了一个符合cdecl（这里强调调用约定是因为，stdcall调用约定和cdecl调用约定声明的导出函数，在用
python加载使用的加载函数是不同的，后面会说明）调用约定的DLL（名字是add.dll)，且有一个导出函数Add。
建立一个Python文件DllCall.py测试：
from ctypes import *
dll = CDLL("add.dll")
print dll.Add(1, 102)
结果：103
上面是一个简单的例子。
1、加载DLL
上面已经说过，加载的时候要根据你将要调用的函数是符合什么调用约定的。
stdcall调用约定：两种加载方式
Objdll = ctypes.windll.LoadLibrary("dllpath")
Objdll = ctypes.WinDLL("dllpath")
cdecl调用约定：也有两种加载方式
Objdll = ctypes.cdll.LoadLibrary("dllpath")
Objdll = ctypes.CDLL("dllpath")
其实windll和cdll分别是WinDLL类和CDll类的对象。
2、调用dll中的方法
在1中加载dll的时候会返回一个DLL对象（假设名字叫Objdll），利用该对象就可以调用dll
中的方法。
e.g.如果dll中有个方法名字叫Add（注意如果经过stdcall声明的方法，如果不是用def
文件声明的导出函数的话，编译器会对函数名进行修改，这个要注意）
调用：nRet = Objdll.Add(12, 15) 即完成一次调用。
看起来调用似乎很简单，不要只看表象，呵呵，这是因为Add这个函数太简单了，现在假设函数需要你传入
一个int类型的指针（int*），可以通过库中的byref关键字来实现，假设现在调用的函数的第三个参数是个int类型的指针。
intPara = c_int(9)
dll.sub(23, 102, byref(intPara))
print intPara.value
如果是要传入一个char缓冲区指针，和缓冲区长度，方法至少有四种：
# char* -- 1
szPara = create_string_buffer('\0'*100)
dll.PrintInfo(byref(szPara), 100);
print szPara.value
# char* -- 2
sBuf = 'aaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbb'
pStr = c_char_p( )
pStr.value = sBuf
#pVoid = ctypes.cast( pStr, ctypes.c_void_p ).value
dll.PrintInfo(pStr, len(pStr.value))
print pStr.value
# char* -- 3
strMa = "\0"*20
FunPrint = dll.PrintInfo
FunPrint.argtypes = [c_char_p, c_int]
#FunPrint.restypes = c_void_p
nRst = FunPrint(strMa, len(strMa))
print strMa,len(strMa)
# char* -- 4
pStr2 = c_char_p("\0")
print pStr2.value
#pVoid = ctypes.cast( pStr, ctypes.c_void_p ).value
dll.PrintInfo(pStr2, len(pStr.value))
print pStr2.value
3、C基本类型和ctypes中实现的类型映射表
ctypes数据类型 C数据类型
c_char char
c_short short
c_int int
c_long long
c_ulong unsign long
c_float float
c_double double
c_void_p void
对应的指针类型是在后面加上"_p"，如int*
是c_int_p等等。
在python中要实现c语言中的结构，需要用到类。
4、DLL中的函数返回一个指针。
虽然这不是个好的编程方法，不过这种情况的处理方法也很简单，其实返回的都是地址，把他们转换相应的
python类型，在通过value属性访问。
pchar = dll.getbuffer()
szbuffer = c_char_p(pchar)
print szbuffer.value
5、处理C中的结构体类
型
为什么把这个单独提出来说呢，因为这个是最麻烦也是最复杂的，在python里面申明一个类似c的结构
体，要用到类，并且这个类必须继承自Structure。
先看一个简单的例子：
C里面dll的定义如下：
typedef struct _SimpleStruct
{
int nNo;
float fVirus;
char szBuffer[512];
} SimpleStruct, *PSimpleStruct;
typedef const SimpleStruct* PCSimpleStruct;
extern "C"int __declspec(dllexport) PrintStruct(PSimpleStruct simp);
int PrintStruct(PSimpleStruct simp)
{
printf ("nMaxNum=%f, szContent=%s", simp->fVirus, simp->szBuffer);
return simp->nNo;
}
Python的定义：
from ctypes import *
class SimpStruct(Structure):
_fields_ = [ ("nNo", c_int),
("fVirus", c_float),
("szBuffer", c_char * 512)]
dll = CDLL("AddDll.dll")
simple = SimpStruct();
simple.nNo = 16
simple.fVirus = 3.1415926
simple.szBuffer = "magicTong\0"
print dll.PrintStruct(byref(simple))
上面例子结构体很简单，如果结构体里面有指针，甚至是指向结构体的指针，python里面也有相应的处
理方法。
下面这个例子来自网上，本来想自己写个，懒得写了，能说明问题就行：
C代码如下：
typedef struct
{
char words[10];
}keywords;
typedef struct
{
keywords *kws;
unsigned int len;
}outStruct;
extern "C"int __declspec(dllexport) test(outStruct *o);
int test(outStruct *o)
{
unsigned int i = 4;
o->kws = (keywords *)malloc(sizeof(unsigned char) * 10 * i);
strcpy(o->kws[0].words, "The First Data");
strcpy(o->kws[1].words, "The Second Data");
o->len = i;
return 1;
}
Python代码如下：
class keywords(Structure):
_fields_ = [('words', c_char *10),]
class outStruct(Structure):
_fields_ = [('kws', POINTER(keywords)),
('len', c_int),]
o = outStruct()
dll.test(byref(o))
print o.kws[0].words;
print o.kws[1].words;
print o.len
6、例子
说得天花乱坠，嘿嘿，还是看两个实际的例子。
例子一：
这是一个GUID生成器，其实很多第三方的python库已经有封装好的库可以调用，不过这得装了那个
库才行，如果想直接调用一些API，对于python来说，也要借助一个第三方库才行，这个例子比较简单，就是用C++调用win32 API来产生
GUID，然后python通过调用c++写的dll来获得这个GUID
C++代码如下：
例子二：
这个例子是调用kernel32.dll中的createprocessA函数来启动一个记事本进程。
发表于 @ 2008年10月14日 19:19:00