Verwenden Sie C-Erweiterungen, um spezifische Funktionen für Python bereitzustellen.
Im vorherigen Artikel habe ich Sechs Python-Interpreter vorgestellt. CPython ist auf den meisten Systemen der Standardinterpreter und laut Umfragen der beliebteste. Einzigartig an Cpython ist die Möglichkeit, Python-Module mithilfe einer Erweiterungs-API in C zu schreiben. Durch das Schreiben von Python-Modulen in C können Sie rechenintensiven Code nach C verschieben und gleichzeitig die Benutzerfreundlichkeit von Python beibehalten.
In diesem Artikel zeige ich Ihnen, wie Sie ein C++-Erweiterungsmodul schreiben. Verwenden Sie C++ anstelle von C, da die meisten Compiler im Allgemeinen beide Sprachen verstehen. Die Nachteile muss ich gleich vorweg erwähnen: Auf diese Weise erstellte Python-Module sind nicht auf andere Interpreter portierbar. Sie funktionieren nur mit dem CPython-Interpreter. Wenn Sie daher nach einer tragbareren Möglichkeit zur Interaktion mit C-Sprachmodulen suchen, sollten Sie die Verwendung des Moduls ctypes in Betracht ziehen.
Den entsprechenden Quellcode finden Sie wie gewohnt auf GitHub. Die C++-Dateien im Repository haben die folgenden Verwendungszwecke:
my_py_module.cpp: Python moduleMyModule Definitionmy_py_module.cpp: Python 模块MyModule 的定义my_cpp_class.h: 一个头文件 - 只有一个暴露给 Python 的 C++ 类my_class_py_type.h/cpp: Python 形式的 C++ 类pydbg.cpp: 用于调试的单独应用程序本文构建的 Python 模块不会有任何实际用途，但它是一个很好的示例。
在查看源代码之前，你可以检查它是否能在你的系统上编译。我使用 CMake 来创建构建的配置信息，因此你的系统上必须安装 CMake。为了配置和构建这个模块，可以让 Python 去执行这个过程：
$ python3 setup.py build
或者手动执行：
$ cmake -B build$ cmake --build build
之后，在 /build 子目录下你会有一个名为 MyModule. so 的文件。
首先，看一下 my_py_module.cpp 文件，尤其是 PyInit_MyModule 函数：
PyMODINIT_FUNCPyInit_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;}这是本例中最重要的代码，因为它是 CPython 的入口点。一般来说，当一个 Python C 扩展被编译并作为共享对象二进制文件提供时，CPython 会在同名二进制文件中（<ModuleName>.so）搜索 PyInit_<ModuleName>my_cpp_class.h : Eine Header-Datei – nur eine C++-Klasse, die für Python verfügbar gemacht wird
my_class_py_type.h/cpp: C++-Klasse in Python-Form#🎜🎜#pydbg.cpp: Separate Anwendung zum Debuggen </li></ul>#🎜🎜#Das in diesem Artikel erstellte Python-Modul wird keinen praktischen Nutzen haben, ist aber ein gutes Beispiel. #🎜🎜##🎜🎜#Module erstellen#🎜🎜##🎜🎜# Bevor Sie sich den Quellcode ansehen, können Sie prüfen, ob er auf Ihrem System kompiliert wird. <a target="_blank" href="https://www.php.cn/link/37ecd27608480aa3569a511a638ca74f">Ich verwende CMake#🎜🎜#, um die Build-Konfigurationsinformationen zu erstellen, daher muss es auf Ihrem installiert werden System CMake. Um dieses Modul zu konfigurieren und zu erstellen, können Sie Python diesen Prozess ausführen lassen: #🎜🎜#<div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><pre class="brush:python;toolbar:false;">static PyType_Spec spec_myclass = {"MyClass",// namesizeof(MyClassObject) + sizeof(MyClass),// basicsize0,// itemsizePy_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE, // flagsMyClass_slots // slots};</pre><div class="contentsignin">Nach dem Login kopieren</div></div><div class="contentsignin">Nach dem Login kopieren</div></div>#🎜🎜# oder manuell: #🎜🎜#<div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><pre class="brush:python;toolbar:false;">typedef struct {PyObject_HEADint m_value;MyClass*m_myclass;} MyClassObject;</pre><div class="contentsignin">Nach dem Login kopieren</div></div><div class="contentsignin">Nach dem Login kopieren</div></div>#🎜🎜#After <code style="background-color: rgb (231, 243, 237); padding: 0px 3px; overflow-wrap: break-indent: 0px;">/build ist ein Code namens MyModule.so Datei. #🎜🎜##🎜🎜#Erweiterungsmodul definieren#🎜🎜##🎜🎜#Schauen Sie sich zuerst an my_py_module.cpp Datei, insbesondere PyInit_MyModule Funktion: #🎜🎜#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 */};<ModuleName>.so) Suche PyInit_<ModuleName> Führen Sie es beim Import aus. #🎜🎜#无论是声明还是实例，所有 Python 类型都是 PyObject 的一个指针。在此函数的第一部分中，module 通过 PyModule_Create(...) 创建的。正如你在 module 详述（my_py_module，同名文件）中看到的，它没有任何特殊的功能。
之后，调用 PyType_FromSpec 为自定义类型 MyClass 创建一个 Python 堆类型 定义。一个堆类型对应于一个 Python 类，然后将它赋值给 MyModule 模块。
注意，如果其中一个函数返回失败，则必须减少以前创建的复制对象的引用计数，以便解释器删除它们。
MyClass 详述在 my_class_py_type.h 中可以找到，它作为 PyType_Spec 的一个实例：
static PyType_Spec spec_myclass = {"MyClass",// namesizeof(MyClassObject) + sizeof(MyClass),// basicsize0,// itemsizePy_TPFLAGS_DEFAULT | Py_TPFLAGS_BASETYPE, // flagsMyClass_slots // slots};它定义了一些基本类型信息，它的大小包括 Python 表示的大小（MyClassObject）和普通 C++ 类的大小（MyClass）。MyClassObject 定义如下：
typedef struct {PyObject_HEADint m_value;MyClass*m_myclass;} MyClassObject;Python 表示的话就是 PyObject 类型，由 PyObject_HEAD 宏和其他一些成员定义。成员 m_value 视为普通类成员，而成员 m_myclass 只能在 C++ 代码内部访问。
PyType_Slot 定义了一些其他功能：
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 */};在这里，设置了一些初始化和析构函数的跳转，还有普通的类方法和成员，还可以设置其他功能，如分配初始属性字典，但这是可选的。这些定义通常以一个哨兵结束，包含 NULL 值。
要完成类型详述，还包括下面的方法和成员表：
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，定义了 Python 方法 addOne，它指向相关的 C++ 函数 MyClass_addOne。它充当了一个包装器，它在 C++ 类中调用 addOne() 方法。
在成员表中，只有一个为演示目的而定义的成员。不幸的是，在 PyMemberDef 中使用的 offsetof 不允许添加 C++ 类型到 MyClassObject。如果你试图放置一些 C++ 类型的容器（如 std::optional），编译器会抱怨一些内存布局相关的警告。
MyClass_new 方法只为 MyClassObject 提供一些初始值，并为其类型分配内存：
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// 赋初始值self->m_value = 0;self->m_myclass = NULL; }return (PyObject*) self;}实际的初始化发生在 MyClass_init 中，它对应于 Python 中的 __init__() 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;}如果你想在初始化过程中传递参数，必须在此时调用 PyArg_ParseTuple。简单起见，本例将忽略初始化过程中传递的所有参数。在函数的第一部分中，PyObject 指针（self）被强转为 MyClassObject 类型的指针，以便访问其他成员。此外，还分配了 C++ 类的内存，并执行了构造函数。
注意，为了防止内存泄漏，必须仔细执行异常处理和内存分配（还有释放）。当引用计数将为零时，MyClass_dealloc 函数负责释放所有相关的堆内存。在文档中有一个章节专门讲述关于 C 和 C++ 扩展的内存管理。
从 Python 类中调用相关的 C++ 类方法很简单：
PyObject* MyClass_addOne(PyObject *self, PyObject *args){assert(self);MyClassObject* _self = reinterpret_cast<MyClassObject*>(self);unsigned long val = _self->m_myclass->addOne();return PyLong_FromUnsignedLong(val);}同样，PyObject 参数（self）被强转为 MyClassObject 类型以便访问 m_myclass，它指向 C++ 对应类实例的指针。有了这些信息，调用 addOne() 类方法，并且结果以 Python 整数对象 返回。
出于调试目的，在调试配置中编译 CPython 解释器是很有价值的。详细描述参阅 官方文档。只要下载了预安装的解释器的其他调试符号，就可以按照下面的步骤进行操作。
当然，老式的 GNU 调试器（GDB） 也可以派上用场。源码中包含了一个 gdbinit 文件，定义了一些选项和断点，另外还有一个 gdb.sh 脚本，它会创建一个调试构建并启动一个 GDB 会话：
Gnu 调试器（GDB）对于 Python C 和 C++ 扩展非常有用
GDB 使用脚本文件 main.py 调用 CPython 解释器，它允许你轻松定义你想要使用 Python 扩展模块执行的所有操作。
另一种方法是将 CPython 解释器嵌入到一个单独的 C++ 应用程序中。可以在仓库的 pydbg.cpp 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 deallocationreturn 0;}使用 高级接口，可以导入扩展模块并对其执行操作。它允许你在本地 IDE 环境中进行调试，还能让你更好地控制传递或来自扩展模块的变量。
缺点是创建一个额外的应用程序的成本很高。
使用像 CodeLLDB 这样的调试器扩展可能是最方便的调试选项。仓库包含了一些 VSCode/VSCodium 的配置文件，用于构建扩展，如 task.json、CMake Tools 和调用调试器（launch.json）。这种方法结合了前面几种方法的优点：在图形 IDE 中调试，在 Python 脚本文件中定义操作，甚至在解释器提示符中动态定义操作。
VSCodium 有一个集成的调试器。
Python 的所有功能也可以从 C 或 C++ 扩展中获得。虽然用 Python 写代码通常认为是一件容易的事情，但用 C 或 C++ 扩展 Python 代码是一件痛苦的事情。另一方面，虽然原生 Python 代码比 C++ 慢，但 C 或 C++ 扩展可以将计算密集型任务提升到原生机器码的速度。
你还必须考虑 ABI 的使用。稳定的 ABI 提供了一种方法来保持旧版本 CPython 的向后兼容性，如 文档 所述。
最后，你必须自己权衡利弊。如果你决定使用 C 语言来扩展 Python 中的一些功能，你已经看到了如何实现它。
Das obige ist der detaillierte Inhalt vonSchreiben Sie ein C++-Erweiterungsmodul für Python. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!
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