Python嵌入C/C++进行开发详解

Python是一种高级编程语言，具有面向对象、简洁易学等特点。它通常被用于开发Web应用、数据处理、自动化脚本等。然而Python有一个缺点，就是其执行速度比较慢。为了解决这个问题，可以将Python与C/C++进行嵌入式开发，通过利用底层语言的速度来加快Python程序的执行速度。本文将详细介绍如何在Python中嵌入C/C++进行开发。

1. 首先，我们需要安装依赖库

Python提供了一个C语言API，使得我们可以直接在C语言中调用Python的功能，同时也允许我们在Python代码中调用C/C++代码。所以，我们需要安装一个叫做"Python.h"的库来让C/C++与Python进行通讯，同时还需要安装一些其他的库来支持Python/C混合编程。

```bash
sudo apt-get install python-dev python3-dev
sudo apt-get install python-numpy python3-numpy
```

2. 编写C/C++程序进行嵌入

我们来看一个简单的C程序，这个程序将会运行一个Python脚本，打印出脚本中的信息。

#include <stdio.h>
#include <Python.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 初始化Python解释器
    Py_Initialize();

    // 执行Python脚本
    FILE *fp;
    PyObject *pModule, *pFunc;
    fp = fopen("test.py", "r");
    if (fp == NULL)
    {
        printf("Failed to open file test.py\n");
        return 1;
    }
    pModule = PyImport_AddModule("__main__");
    PyRun_SimpleFile(fp, "test.py");
    pFunc = PyObject_GetAttrString(pModule, "print_hello");
    if (pFunc && PyCallable_Check(pFunc))
    {
        PyEval_CallObject(pFunc, NULL);
    }

    // 清理Python解释器
    Py_Finalize();

    return 0;
}

上面的代码首先初始化了Python解释器，然后通过fopen()函数打开Python脚本文件，通过PyRun_SimpleFile()函数执行Python脚本。最后，通过PyObject_GetAttrString()和PyEval_CallObject()函数来调用Python函数。注意，我们在Python脚本中定义了一个名为'print_hello'的函数。

def print_hello():
    print('Hello from Python!')

接下来我们看一下C++程序的代码,仅仅修改了printf语句

#include <iostream>
#include <Python.h>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 初始化Python解释器
    Py_Initialize();

    // 执行Python脚本
    FILE *fp;
    PyObject *pModule, *pFunc;
    fp = fopen("test.py", "r");
    if (fp == NULL)
    {
        cout << "Failed to open file test.py" << endl;
        return 1;
    }
    pModule = PyImport_AddModule("__main__");
    PyRun_SimpleFile(fp, "test.py");
    pFunc = PyObject_GetAttrString(pModule, "print_hello");
    if (pFunc && PyCallable_Check(pFunc))
    {
        PyEval_CallObject(pFunc, NULL);
    }

    // 清理Python解释器
    Py_Finalize();

    return 0;
}

3. 编译并执行程序

既然我们已经完成了C/C++的程序编写，接下来就轮到程序的编译和执行了。

使用gcc或者g++来编译上面的源代码

gcc test.c $(python-config --cflags --ldflags) -o test
g++ test.cpp $(python-config --cflags --ldflags) -o test

运行C/C++语言嵌入Python

./test

精选示例2

下面我们来看一个更加复杂的示例，取出Python的List中的元素并对每个元素进行平方操作。

# test.py
import numpy as np

def square_list(input_list):
    return np.power(input_list, 2)

#include <stdio.h>
#include <Python.h>
#include <numpy/arrayobject.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    Py_Initialize();

    import_array();

    PyObject *pName, *pModule, *pFunc, *pArgs, *pValue;
    npy_intp dims[1] = {5};
    double data[5] = {0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0};

    pName = PyUnicode_FromString("test");
    pModule = PyImport_Import(pName);
    Py_DECREF(pName);

    if (pModule != NULL)
    {
        pFunc = PyObject_GetAttrString(pModule, "square_list");
        if (pFunc && PyCallable_Check(pFunc))
        {
            PyObject *pArray = PyArray_SimpleNewFromData(1, dims, NPY_DOUBLE, data);
            pArgs = PyTuple_New(1);
            PyTuple_SetItem(pArgs, 0, pArray);
            pValue = PyObject_CallObject(pFunc, pArgs);
            Py_DECREF(pArray);
            Py_DECREF(pArgs);
            if (pValue != NULL)
            {
                double *result;
                npy_intp *shape;
                PyArrayObject *array = (PyArrayObject *)pValue;
                PyArray_AsCArray(&pValue, (void **)&result, shape, PyArray_NDIM(array), PyArray_TYPE(array));

                for (int i = 0; i < shape[0]; i++)
                {
                    printf("%f ", result[i]);
                }
                printf("\n");

                Py_DECREF(pValue);
            }
            else
            {
                PyErr_Print();
            }
        }
        else
        {
            PyErr_Print();
        }
        Py_DECREF(pModule);
    }
    else
    {
        PyErr_Print();
        return 1;
    }

    Py_Finalize();
    return 0;
}

首先，我们需要在C/C++代码中导入numpy库，并在C/C++中取出Python list中的数据，然后被转化为C/C++数组。最后，通过调用C/C++函数将C/C++数组中的每个元素进行平方运算。

4. 编译并执行程序。

我们需要用下面的代码编译和运行程序。

gcc test.c $(python-config --cflags --ldflags) -I/usr/include/python2.7 -L/usr/lib/python2.7 -lpython2.7 -o test
./test

注意事项

在编写嵌入式程序的时候，需要注意一些细节问题。比如定义变量、清理内存等问题。对于Python中嵌入C/C++的函数，需要使用标准的Python调用函数，比如PyImport_Import()、PyTuple_New()、PyTuple_SetItem()等。对于C/C++中的返回值，需要使用标准的Python对象(PyObject)进行封装，比如使用Py_BuildValue()、PyInt_FromLong()、PyTuple_Pack()等函数将C/C++输出的结果封装为Python对象。

同时，我还有一个小建议，就是在开发过程中注意打印日志，同时尽可能地加上异常处理，避免程序崩溃或输出错误。

嵌入式开发需要一些编程经验和对底层实现的熟练掌握，但是一旦你掌握了它，将会极大地提高程序的性能和运行效率。

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