Python调用C++程序的方法详解

前言

大家都知道Python的优点是开发效率高，使用方便，C++则是运行效率高，这两者可以相辅相成，不管是在Python项目中嵌入C++代码，或是在C++项目中用Python实现外围功能，都可能遇到Python调用C++模块的需求，下面列举出集中c++代码导出成Python接口的几种基本方法，一起来学习学习吧。

原生态导出

Python解释器就是用C实现，因此只要我们的C++的数据结构能让Python认识，理论上就是可以被直接调用的。我们实现test1.cpp如下

#include <Python.h>

int Add(int x, int y)
{
 return x + y;
}

int Del(int x, int y)
{
 return x - y;
}

PyObject* WrappAdd(PyObject* self, PyObject* args)
{
 int x, y;
 if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &x, &y))
 {
  return NULL;
 }
 return Py_BuildValue("i", Add(x, y));
}

PyObject* WrappDel(PyObject* self, PyObject* args)
{
 int x, y;
 if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &x, &y))
 {
  return NULL;
 }
 return Py_BuildValue("i", Del(x, y));
}
static PyMethodDef test_methods[] = {
 {"Add", WrappAdd, METH_VARARGS, "something"},
 {"Del", WrappDel, METH_VARARGS, "something"},
 {NULL, NULL}
};

extern "C"
void inittest1()
{
 Py_InitModule("test1", test_methods);
}

编译命令如下

g++ -fPIC -shared test1.cpp -I/usr/include/python2.6 -o test1.so

运行Python解释器，测试如下

>>> import test1
>>> test1.Add(1,2)
3

这里要注意一下几点

1. 如果生成的动态库名字为test1，则源文件里必须有inittest1这个函数，且Py_InitModule的第一个参数必须是“test1”，否则Python导入模块会失败

2. 如果是cpp源文件，inittest1函数必须用extern "C"修饰，如果是c源文件，则不需要。原因是Python解释器在导入库时会寻找initxxx这样的函数，而C和C++对函数符号的编码方式不同，C++在对函数符号进行编码时会考虑函数长度和参数类型，具体可以通过nm test1.so查看函数符号，c++filt工具可通过符号反解出函数原型
   

通过boost实现

我们使用和上面同样的例子，实现test2.cpp如下

#include <boost/python/module.hpp>
#include <boost/python/def.hpp>
using namespace boost::python;

int Add(const int x, const int y)
{
 return x + y;
}

int Del(const int x, const int y)
{
 return x - y;
}

BOOST_PYTHON_MODULE(test2)
{
 def("Add", Add);
 def("Del", Del);
}

其中BOOST_PYTHON_MODULE的参数为要导出的模块名字

编译命令如下

g++ test2.cpp -fPIC -shared -o test2.so -I/usr/include/python2.6 -I/usr/local/include -L/usr/local/lib -lboost_python

注意： 编译时需要指定boost头文件和库的路径，我这里分别是/usr/local/include和/usr/local/lib

或者通过setup.py导出模块

#!/usr/bin/env python
from distutils.core import setup
from distutils.extension import Extension

setup(name="PackageName",
 ext_modules=[
  Extension("test2", ["test2.cpp"],
  libraries = ["boost_python"])
 ])

Extension的第一个参数为模块名，第二个参数为文件名

执行如下命令

python setup.py build

这时会生成build目录，找到里面的test2.so，并进入同一级目录，验证如下

>>> import test2
>>> test2.Add(1,2)
3
>>> test2.Del(1,2)
-1

导出类

test3.cpp实现如下

#include <boost/python.hpp>
using namespace boost::python;

class Test
{
public:
 int Add(const int x, const int y)
 {
  return x + y;
 }

 int Del(const int x, const int y)
 {
  return x - y;
 }
};

BOOST_PYTHON_MODULE(test3)
{
 class_<Test>("Test")
  .def("Add", &Test::Add)
  .def("Del", &Test::Del);
}

注意：BOOST_PYTHON_MODULE里的.def使用方法有点类似Python的语法，等同于

class_<Test>("Test").def("Add", &Test::Add);
class_<Test>("Test").def("Del", &Test::Del);

编译命令如下

g++ test3.cpp -fPIC -shared -o test3.so -I/usr/include/python2.6 -I/usr/local/include/boost -L/usr/local/lib -lboost_python

测试如下

>>> import test3
>>> test = test3.Test()
>>> test.Add(1,2)
3
>>> test.Del(1,2)
-1

导出变参函数

test4.cpp实现如下

#include <boost/python.hpp>
using namespace boost::python;

class Test
{
public:
 int Add(const int x, const int y, const int z = 100)
 {
  return x + y + z;
 }
};

int Del(const int x, const int y, const int z = 100)
{
 return x - y - z;
}

BOOST_PYTHON_MEMBER_FUNCTION_OVERLOADS(Add_member_overloads, Add, 2, 3)
BOOST_PYTHON_FUNCTION_OVERLOADS(Del_overloads, Del, 2, 3)

BOOST_PYTHON_MODULE(test4)
{
 class_<Test>("Test")
  .def("Add", &Test::Add, Add_member_overloads(args("x", "y", "z"), "something"));
 def("Del", Del, Del_overloads(args("x", "y", "z"), "something"));
}

这里Add和Del函数均采用了默认参数，Del为普通函数，Add为类成员函数，这里分别调用了不同的宏，宏的最后两个参数分别代表函数的最少参数个数和最多参数个数

编译命令如下

g++ test4.cpp -fPIC -shared -o test4.so -I/usr/include/python2.6 -I/usr/local/include/boost -L/usr/local/lib -lboost_python

测试如下

>>> import test4
>>> test = test4.Test()
>>> print test.Add(1,2)
103
>>> print test.Add(1,2,z=3)
6
>>> print test4.Del(1,2)
-1
>>> print test4.Del(1,2,z=3)
-1

导出带Python对象的接口

既然是导出为Python接口，调用者难免会使用Python特有的数据结构，比如tuple,list,dict，由于原生态方法太麻烦，这里只记录boost的使用方法，假设要实现如下的Python函数功能

def Square(list_a)
{
 return [x * x for x in list_a]
}

即对传入的list每个元素计算平方，返回list类型的结果

代码如下

#include <boost/python.hpp>

boost::python::list Square(boost::python::list& data)
{
 boost::python::list ret;
 for (int i = 0; i < len(data); ++i)
 {
  ret.append(data[i] * data[i]);
 }

 return ret;
}

BOOST_PYTHON_MODULE(test5)
{
 def("Square", Square);
}

编译命令如下

g++ test5.cpp -fPIC -shared -o test5.so -I/usr/include/python2.6 -I/usr/local/include/boost -L/usr/local/lib -lboost_python

测试如下

>>> import test5
>>> test5.Square([1,2,3])
[1, 4, 9]

boost实现了boost::python::tuple, boost::python::list, boost::python::dict这几个数据类型，使用方法基本和Python保持一致，具体方法可以查看boost头文件里的boost/python/tuple.hpp及其它对应文件

另外比较常用的一个函数是boost::python::make_tuple() ，使用方法如下

boost::python::tuple(int a, int b, int c)
{
 return boost::python::make_tuple(a, b, c);
}

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